朱庄水库水电站调速器改造方案

摘要： 以朱庄水库调速器改造为前提，介绍调速器在水轮发电中的作用以及在运行中的问题，在选择调速器时进行对比介绍新型的调速器的结构和原理和其优越性。

Abstract： The paper describes the role of governor in water turbine generator set and analyzes the problems in operation. And it compares the new type of governors from structure， principle and advantages. At last， it describes the reconstruction of speed governor of hydropower station in Zhuzhuang Reservoir.

关键词： 技术改造；调速器；步进式电机；高速数字阀；plc控制器；pcc控制器；朱庄水电站

Key words： technical transformation；governor；stepping motors；high speed digital valve；PLC controller；PCC controller；Zhuzhuang hydropower station

中图分类号：TV734 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）20-0089-02

0 引言

朱庄水库水电站位于河北省邢台地区，装机容量为3200kw，水轮机为TS 325/36-20型，调速器为ct-40型。该电站于1981年2月投入运行。CT-40机械液压调速器在电站运行中存在的问题有①水轮机调节系统灵敏度差。转速死去大，空载时频率波动大，稳定性差；②机组频率不能自动跟踪电网频率，机组同期并网冲击电流大，难于及时准确并网；③自动化功能低，难以适应无人值班或少人值守电站以及微机监控的要求；④液压系统部件漏油，引起调速器自己调整开度及负荷引起事故；⑤部件易磨损。调速器的性能已经不能适应电站安全经济运行要求，因此需要对调速器进行技术改造。

1 调速器技术改造的基本思路及调速器的选配问题

性价比是调速器技术改造的首要考虑的问题，调速器经过几十年的时间，随着科技的进步，调速器已经经历了机械液压型、电气液压型和微机型几个阶段。微机调速器又有单微机，双微机，plc、pcc可编程几种形式。机械液压系统依据电液转换电液转换方式分为：电液转换器类、电机类、比例伺服阀类、数字阀类。其中电液转换器类已基本为市场淘汰。为使这次技术改造能立足于当前科技的最前端和充分安全可靠的基础之上，并能做到在今后几年中不被淘汰不会为出现问题没有标准的固件、没有专业的维修人员的后顾之忧，尽量做的该整体制造及零配件有一个标准的市场。经过对国内运行的各类调速器的调查研究和分析，在电气控制部分选择了plc和pcc。液压随动系统选择了步进式跟数字阀来对比以决定最后选择哪种型号的调速器。

电气控制部分分析：

PLC（可编程逻辑控制器）是专门为解决工业现场恶劣环境而诞生的工业控制计算机系统，其高可靠性已得到广泛的验证。国内将其应用于水轮机调速器后，以其优异的高可靠性能立即成为调速器的主流方向。PCC是继PLC后新一代可编程计算机控制器，采用全新的控制理念，高级语言编程，分析能力强，其硬件具有独特新颖的插拔式模块结构，可使系统得到灵活多样的扩展和组合。软件业具备模块结构，系统扩展时只需在原有的基础上叠加运用软件模块。cup运行效率高能同时运行不同程序。从可靠性来讲，PLC平均无故障时间为30万小时而PCC平均无故障时间高达50完小时，在处理任务时，PLC通过程序扫描完成并行处理。但事实上多任务才是并行处理的逻辑表达式，pcc恰恰可以满足这种需求，当一个任务在等待时，其他任务可以继续执行，这也是plc不能与其相比的。不但如此，pcc的512kb大内存也为智能型调速器提供了可资源保证，远远大于plc的10kb内存，在维护简单调试方面由于pcc的高度集成化和高可靠性，对于运行维护人员没有太高的特殊要求没有像plc太多的电位器等可调元件。性价比方面现在plc已逐渐被淘汰而pcc价格也很合理，综合以上各方面在电气控制部分选择了pcc可编程计算机控制器。

随动系统部分分析：

步进电机式调速器机械液压系统是以步进电机为电信号-位移信号转换装置，并操作主配压阀，最终推动接力器。调速器控制步进式电机的装动方向和启动、停止的开环的控制方式和调节器构成一个以“模糊控制”为基础的直接数字控制方式。步进电机受驱动线路控制，将进给脉冲序列转换成为具有一定方向、大小和速度的机械转角位移，并通过齿轮和丝杠带动工作台移动。进给脉冲的频率代表了驱动速度，脉冲的数量代表了位移量，而运动方向是由步进电机的各相通电顺序来决定，并且保持电机各相通电状态就能使电机自锁。但由于该系统没有反馈检测环节，其精度主要由步进电机来决定，速度也受到步进电机性能的限制，下面以步进电机-凸轮传动装置来说明原理。

当调节器输出关方向信号时，步进电机带动传动轴转动，使传动轴带动凸轮连接体和上环垫克服弹簧向上的压力而向下运动，当调节器输出开方向信号时，步进电机带动传动轴转动，使传动轴带动凸轮连接体和上环垫克服弹簧向下的压力而向上运动，当控制信号为零时，当控制信号为零时，在弹簧的作用下，通过引导阀带动主配压阀上下运动，控制接力器，调节导叶开启、关闭。

数字阀调速器是以标准液压元件即电磁球阀为先导阀，代替传统的电液转换器，以标准液压元件即二通插装阀为放大元件代替传统的主配压阀。工作特点及原理是以电磁球阀的通断控制插装阀，插装阀的通断来控制接力器，电磁球阀的工作状态只有通断两个状态，也即相当于数字电路的高、底电平两个状态，故将其称为数字阀，以下通过二通插装阀介绍下开启关闭原理：

二通插装阀通过先导阀的先导元件和控制面板的控制功能控制再以控制面板做为桥梁控制插入元件的开启关闭动作开启量控制液流的大小实现对液压执行机构的方向压力和速度的控制，从而调节导叶的开启、关闭。

作为直接数字控制方式的步进式数字阀和开关阀相比较：步进式数字阀按步进的方式工作，具用重复精度高及无滞环的优点。但是，步进式数字阀通过阀芯的步进运动将输入的信号量转化为相应的步数（脉冲数），因而存在着量化误差，通过增加阀的工作步数可以减小量化误差，但却使阀的响应速度大大降低。同时，步进式调速器必须保留有引导阀和主配结构，造成步进式调速器的结构较复杂，加工件较多，不具有良好的通用互换性。而开关阀同时也具备无杠杆，无明路对液压油要求低的特点，还具有多机能（具有二通换向阀和单项阀实现方向控制的机能，如果设定了控制腔的压力，当控制腔的压力超过设定值后阀会开启这就是压力控制机能，如果控制腔采用行程调剂措施限制阀芯的开启高度，就可以作为节流元件实现流量控制机能）电磁阀又具有换向可靠和换向工作频率高的特点。缺点是由于流量、压力脉动等因素的限制，数字阀只适应中小型及调速器操作功不大于17000kg.m综合上述，选择了pcc可编程智能调节器加中型数字阀的调速器。

参考文献：

[1]魏守平.现代水轮机调节技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2002.

[2]沈祖诒.水轮机调节系统分析[M].北京：北京水利电力出版社，1998.

[3]余雷声编著.电气控制与PLC应用[M].北京：机械工业出版社，1996.

[4]林小峰编著.可编程控制器原理及应用[M].北京：高等教育出版社，1991.

[5]洪忠渝编著.可编程序控制器的原理及应用[M].青岛：青岛海洋大学，1988.