我國水輪機調(diào)速器產(chǎn)品主要技術(shù)標準分析

在過去的10年里，中國大陸海軍行業(yè)廣泛采用了小型計算機、機電一體化技術(shù)和現(xiàn)代機械工程技術(shù)的新成果，其他行業(yè)的一些先進技術(shù)成果被移植到海軍指揮技術(shù)中。各專業(yè)制造公司、科研開發(fā)單位,在激烈的市場競爭中,不斷推出調(diào)速器新品種,使我國目前的水輪機調(diào)節(jié)技術(shù)達到一個新的水平。水輪機微機調(diào)速器產(chǎn)品的主要技術(shù)指標一般都能達到國家技術(shù)標準的要求,部分產(chǎn)品技術(shù)指標達到了國際先進水平,較好地滿足了我國水電建設(shè)事業(yè)發(fā)展的要求。目前,除非技術(shù)因素的調(diào)速控制設(shè)備還需要從國外進口外,混流式、軸流轉(zhuǎn)漿式、貫流式、沖擊式水輪機組所需配套的調(diào)速器都能由國內(nèi)生產(chǎn),三峽工程右岸電站水輪機控制設(shè)備實現(xiàn)國內(nèi)采購就是一個標志。國內(nèi)調(diào)速器生產(chǎn)廠還與國際知名的調(diào)速器生產(chǎn)廠家配套生產(chǎn)微機調(diào)速器,并且國產(chǎn)化的水電控制設(shè)備已能配套出口到國外,參與國際競爭。我國水輪機調(diào)節(jié)行業(yè)技術(shù)取得了巨大的進步,整體技術(shù)水平達到了國際先進水平,已完全能滿足我國國家水電能源發(fā)展的需求。1調(diào)速器的應用我國水輪機調(diào)節(jié)技術(shù)和水輪機微機調(diào)速器技術(shù)進步主要表現(xiàn)內(nèi)容是:(1)采用國際知名品牌的工業(yè)控制機(IPC)、可編程控制器(PLC)或可編程計算機(PCC)作調(diào)速器電氣柜硬件核心,使我國調(diào)速器電氣柜的質(zhì)量、工藝水平及可靠性達到國際先進水平。(2)大中型機組的調(diào)速器大多采用了微機調(diào)節(jié)器加電液隨動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式,提高了調(diào)速器動態(tài)和靜態(tài)技術(shù)性能指標。(3)近幾年來,在微機調(diào)速器中開始采用工業(yè)標準液壓件,例如采用電液比例閥作調(diào)速器電液轉(zhuǎn)換部件,采用邏輯插裝閥作油泵組合閥、分段關(guān)閉裝置、油壓截止閥等,結(jié)束了水輪機調(diào)節(jié)技術(shù)長期游離于現(xiàn)代液壓技術(shù)之外,以致制約了液壓新技術(shù)在調(diào)速器中應用的不正常局面。(4)采用數(shù)控機床中成熟的步進電機、交流伺服電機和直流伺服電機作調(diào)速器的電/機轉(zhuǎn)換部件,構(gòu)成具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的用伺服電機控制的水輪機微機調(diào)速器新品種,這類調(diào)速器具有很強的抗油污能力,結(jié)構(gòu)簡單,可靠性高,特別適合油質(zhì)清潔度難以保證和管理水平不高的水電站使用。(5)調(diào)速器工作油壓普遍提高,大型水輪機調(diào)速器采用4.0MPa和6.3MPa,部分中小型水輪機調(diào)速器工作油壓提高到14～16MPa,并且采用皮囊式蓄能器。(6)微型計算機具有強大的運算、記憶、邏輯判斷能力和通訊功能,因而微機調(diào)速器可以實現(xiàn)許多先進的功能,目前已將與上位機通訊、頻率跟蹤,電氣開度限制,人工失靈區(qū),故障診斷及處理列為必須實現(xiàn)的功能。大多數(shù)微機調(diào)速器設(shè)有手自動無條件與無擾動切換、離線診斷與維護和計算機輔助試驗功能。除此以外,現(xiàn)代微機調(diào)速器還可以實現(xiàn)事故數(shù)據(jù)記錄功能,防錯、容錯控制功能,死區(qū)和零點漂移的動態(tài)補償?shù)认冗M的功能。(7)近年來,由于用交流伺服電機和步進電機式的電/機轉(zhuǎn)換部件被不斷完善,實現(xiàn)了失電后自動復中的功能。(8)采用觸摸式高分辨率的彩色顯示屏作人機交互界面,界面友善、內(nèi)容豐實,便于對調(diào)速器的狀態(tài)監(jiān)視、參數(shù)修改、試驗曲線顯示等。(9)我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的水輪機調(diào)速器試驗用實時仿真系統(tǒng)研制成功并得到普遍應用,該仿真系統(tǒng)可以在調(diào)速系統(tǒng)生產(chǎn)的試驗室階段和現(xiàn)場蝸殼充水前對調(diào)速器進行全面檢查試驗。(10)積極參加國際電工委員關(guān)于水輪機調(diào)速器標準的制訂和討論工作,提出有價值的建議和意見,引起國際同行的關(guān)注,制定了十余種有關(guān)水輪機調(diào)速器的國家標準、行業(yè)標準,在技術(shù)標準上較好地實現(xiàn)國際接軌。2出現(xiàn)了“越界”的大好局面水輪機調(diào)節(jié)技術(shù)取得長足的進步,微機調(diào)速器產(chǎn)品不斷推陳出新,出現(xiàn)了“百花齊放,百家爭鳴”的大好局面。由于不同的用戶對水輪機調(diào)速器的要求不盡相同,因而對當前微機調(diào)速器的發(fā)展方向也會產(chǎn)生不同的意見和看法,如下幾條為大家所共同關(guān)注。2.1兩級隨動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式當今國內(nèi)外微機調(diào)速器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式歸納起來大多屬于微機調(diào)節(jié)器加一級電液隨動系統(tǒng)和微機調(diào)節(jié)器加二級隨動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式,后者也被稱之為具有中間接力器的結(jié)構(gòu)模式。兩種結(jié)構(gòu)模式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1和圖2所示。僅具有一級電液隨動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式的調(diào)速器,其轉(zhuǎn)速死區(qū)計算公式為ix1=bpia。式中:bp為調(diào)速器永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù);ia為電液隨動系統(tǒng)的不準確度。由于電液隨動系統(tǒng)放大系數(shù)可以調(diào)節(jié),系統(tǒng)的穩(wěn)定性可以用電氣或軟件方法校正,因此一般電液隨動系統(tǒng)的隨動系統(tǒng)不準確度容易做到0.3%～0.5%,甚至更小,當bp為6%時,僅有一級電液隨動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式的調(diào)速器的轉(zhuǎn)速死區(qū)ix很容易達到0.02%～0.04%甚至更好的水平。電液隨動系統(tǒng)導葉位置采用電氣反饋,不需要裝設(shè)機械位置的反饋,因此,這類結(jié)構(gòu)模式的調(diào)速器在電站布置十分方便,尤其是大型水輪發(fā)電機組和一些不便于安裝機械反饋的特殊調(diào)速器適合采用這類結(jié)構(gòu)的調(diào)速器。這類結(jié)構(gòu)模式的調(diào)速器靜態(tài)和動態(tài)特性指標較好,機構(gòu)簡單,在電站布置方便,所以成為大中型水電站調(diào)速器的首選方案。微機調(diào)節(jié)器加兩級隨動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式的調(diào)速器,一般由3大部分組成:微機調(diào)節(jié)器(或微機控制器),電機伺服裝置(或中間接力器)和機械液壓隨動系統(tǒng)。在我國這類結(jié)構(gòu)模式的調(diào)速器,多用伺服電機或步進電機構(gòu)成的電機伺服裝置作為電氣機械位移的轉(zhuǎn)換部件,也是前級隨動系統(tǒng)。在國外一般用電液伺服閥或比例電磁閥和中間接力器構(gòu)成的電液隨動系統(tǒng),作為該調(diào)速器電氣機械位移的轉(zhuǎn)換部件。未級都是機械液壓隨動系統(tǒng),這類結(jié)構(gòu)模式的調(diào)速器的弊病是機械液壓隨動系統(tǒng)導葉位置必須采用機械位置反饋。當反饋鏈長,傳遞路徑曲折時,不宜采用這類結(jié)構(gòu)模式的調(diào)速器,但是如果將調(diào)速器的機械液壓柜布置于水機層的接力器附近時,反饋鏈縮短,這類調(diào)速器也能顯現(xiàn)其獨特的優(yōu)勢,所謂座式調(diào)速器都布置于接力器附近,國外比較流行。我國葛洲壩電廠21臺水輪發(fā)電機組都是采用的這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式的調(diào)速器,調(diào)整、試驗和維護方便,深受電廠歡迎。另外,我國中小型調(diào)速器大多是組合式,即調(diào)速器的機械液壓部分和接力器組合在一起,得到接力器位置反饋十分方便,采用這類結(jié)構(gòu)模式是合理的。應該指出由于這類調(diào)速器具有接力器位置的機械反饋,其手動操作系統(tǒng)具有接力器位移反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。這種手動操作可靠,手動時也不溜負荷,這一特點倍受大型機組和重要的水電站重視。具有兩級隨動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式的調(diào)速器轉(zhuǎn)速死區(qū)ix2較僅有一級隨動系統(tǒng)調(diào)速器轉(zhuǎn)速死區(qū)ix1為大。轉(zhuǎn)速死區(qū)ix2的計算公式為ix2=bp(ia1+ia2)?ix2=bp(ia1+ia2)?式中:bp為調(diào)速器永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù);ia1為前一級隨動系統(tǒng)的不準確度;ia2為末級機械液壓隨動系統(tǒng)的不準確度。一般情況下,ia1?ia2,可以忽略不計。ia2是機械液壓隨動的不準確度。降低ia2主要途徑是增大輸入桿件的傳動比和減小主配壓閥的搭疊量。所以一般機械液壓隨動系統(tǒng)的不準確度ia2都要比電液隨動系統(tǒng)的不準確度大。通過精心設(shè)計和加工制造,機械液壓隨動系統(tǒng)的不準確度ia2可以達到0.5%的水平。因此,這類調(diào)速器的轉(zhuǎn)速死區(qū)ix2可以達到國家調(diào)速器標準的要求。2.2電/機轉(zhuǎn)換部件由于電液轉(zhuǎn)換器抗油污能力差,故障率高的原因,迫使我國水輪機調(diào)節(jié)的工程技術(shù)人員尋求抗油污能力強、可靠性高的電/液或電/機轉(zhuǎn)換部件。20世紀末,能達公司研制的采用步進電機控制的調(diào)速器投運成功,并通過省部級鑒定,推動了我國采用步進電機、伺服電機控制的微機調(diào)速器的發(fā)展,國內(nèi)大多數(shù)調(diào)速器專業(yè)廠商都開發(fā)出了用伺服電機控制的微機(或可編程)調(diào)速器,不到十年的時間,這類調(diào)速器已生產(chǎn)千余臺套,形成了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的一類調(diào)速器。近年來,大家解決了電/機轉(zhuǎn)換部件失電時自動復中的難題,使用伺服電機或步進電機的電/機轉(zhuǎn)換部件用于一級電液隨動系統(tǒng)才真正獲得成功。采用具有自動復中功能的伺服電機控制式調(diào)速器,其結(jié)構(gòu)簡單可靠技術(shù)先進,深受用戶歡迎,目前在國內(nèi)已成為一種主流機型。就在我國采用伺服電機(含步進電機)控制的微機調(diào)速器蓬勃發(fā)展時,國外調(diào)速器主要廠商都用電液比例閥或電磁比例閥作微機調(diào)速器轉(zhuǎn)換部件。我國也有部分專業(yè)生產(chǎn)廠成功地應用了比例閥。不少調(diào)速器選型的用戶不約而同地發(fā)出疑問,為什么國外調(diào)速器制造廠不用步進電機和伺服電機作調(diào)速器轉(zhuǎn)換部件呢?還懷疑用伺服電機和步進電機的調(diào)速器速動性滿足不了水輪機控制的要求。長期工作在水輪機調(diào)節(jié)行業(yè)的技術(shù)人員都知道,我國在20世紀80年代曾采用進口的電液伺服閥做調(diào)速器轉(zhuǎn)換部件進行過深入研究,但都以失敗告終,究其原因,是因為調(diào)速器用油的清潔度得不到保證所致。加上我國油壓裝置上都沒有對油液精細過濾的處理系統(tǒng),大多中小電站受管理水平限制,油質(zhì)清潔度很難得到保證。為此,微機調(diào)速器的研究開發(fā)人員在尋求抗油污能力強的電/機轉(zhuǎn)換部件,而數(shù)控機床驅(qū)動機構(gòu)中應用成熟的步進電機和伺服電機就成為首選方案。事實證明,用步進電機和伺服電機控制的調(diào)速器,確實能適應油質(zhì)清潔度較差環(huán)境,由于可靠性高,使用和維護方便,而且動靜態(tài)指標都能滿足國家調(diào)速器技術(shù)標準的要求,所以深受廣大用戶歡迎。電磁比例閥和伺服比例閥是液壓工業(yè)中的標準件,生產(chǎn)量大,在工業(yè)控制系統(tǒng)中得到廣泛應用。用作水輪機調(diào)速器電液隨動系統(tǒng)的電液轉(zhuǎn)換部件是十分適合的,通常由伺服比例閥和輔助接力器等構(gòu)成電氣液壓伺服系統(tǒng),如圖3所示。我國有一些單位,采用比例閥時,遵守了比例閥應用條件,保證油液中雜質(zhì)<20μ,都取得了滿意的效果。將比例閥和液壓邏輯控制元件集成于功能模塊上,調(diào)速器的結(jié)構(gòu)十分緊湊。由于在采用比例閥控制的調(diào)速器中控制信息的傳遞和變換都是流量,可以實現(xiàn)無間隙的傳遞,極大地降低了死區(qū)并提高了反應的靈敏度,使調(diào)速器整機靜動特性優(yōu)越,這類調(diào)速器也受到用戶的歡迎。據(jù)不完全統(tǒng)計,近年來,這類調(diào)速器的生產(chǎn)量也在逐年增加。應該指出的是,有人認為比例閥的通頻帶大于10Hz,而實驗測出用伺服電機的電/機轉(zhuǎn)換部件的頻帶寬度僅為3Hz。據(jù)此說明比例閥速動性高于采用伺服電機的電/機轉(zhuǎn)換部件,這是不對的。比例閥的輸出是流量,其通頻帶寬度是反應比例閥的輸出流量對輸入控制信號的響應速度,還不能反應輔助接力器對輸入信號的響應速度,可以預計,由放大器、比例閥、輔助接力器和位移傳感器構(gòu)成的電氣液壓位置伺服系統(tǒng)的頻率響應帶寬較比例閥本身的帶寬要小得多。但是,大量的已投入運行調(diào)速器證明,頻帶寬為3Hz的電/機轉(zhuǎn)換器和頻帶寬為10Hz的比例閥都能滿足調(diào)速器動態(tài)和靜態(tài)特性的要求。2.3機械反饋/機械開度限制的治療目前國內(nèi)生產(chǎn)的電機(步進、伺服)控制的調(diào)速器,由于電/機轉(zhuǎn)換部件可靠性高,調(diào)速器的故障降低,逐漸取消了機械開度限制機構(gòu)和接力器位置的機械反饋,使調(diào)速器的機械部分結(jié)構(gòu)簡單,調(diào)速器安裝調(diào)整和維護方便,深受用戶歡迎。目前國內(nèi)幾家專業(yè)生產(chǎn)廠在有了能自動復中的電/機轉(zhuǎn)換部件以后,都推出了取消機械反饋和機械開度限制的微機調(diào)速器新產(chǎn)品,這是當今微機調(diào)速器發(fā)展的必然趨勢。20世紀末,國外一些知名的調(diào)速器制造商,在采用電伺服比例閥和液壓集成塊結(jié)構(gòu)的同時,也取消了機械反饋和機構(gòu)開度限制。但是國內(nèi)一些大型水電站和一些在電網(wǎng)中重要的電站,投標時十分強調(diào)要在微機調(diào)速器中保留機械開度限制機構(gòu)和接力器位移的機械反饋,這些要求是十分正常和可以理解的。尤其是采用伺服比例閥的調(diào)速器,這類調(diào)速器信號的傳遞都是在液壓集成塊內(nèi)的流量,而沒有顯現(xiàn)在外的機械位移,在電源消失時或電氣故障時主配壓閥的機械位置、接力器位置都沒有指示,也沒有任何可以人工控制和操作的機構(gòu),給事故處理、事故分析造成困難。因此,在給大型水力發(fā)電機組配套調(diào)速器時保留機械開度限制、接力器的位置機械反饋和系統(tǒng)機械手動操作機構(gòu)十分必要。2.4將編程調(diào)速器作為了提高微機調(diào)速器的可靠性,20世紀80年代我國設(shè)計的微機調(diào)速器大多數(shù)采用了雙機冗余結(jié)構(gòu),一臺微機工作,另一臺熱備用。每臺機對自己的模塊和分管的部件進行自檢,兩機之間互相通訊和監(jiān)視。當工作機被診斷出發(fā)生故障時,則自動切換到備用機,確保調(diào)速器在部分故障時能繼續(xù)運行,達到提高可靠性的目的。然而在20世紀末,當可編程控制器廣泛用作微機調(diào)速器的硬件核心以后,我國大部分專業(yè)生產(chǎn)廠不再生產(chǎn)雙機冗余的微機調(diào)速器。究其原因有如下幾條:①國際知名商家生產(chǎn)的可編程控制器的可靠性很高,沒有必要再用雙機冗余系統(tǒng)。②原來的雙機冗余系統(tǒng)中自制的切換部分故障率較高,成了調(diào)速器的薄弱環(huán)節(jié)。這部分的故障率往往高于微機本身,以致使個別雙機冗余的調(diào)速器故障率高于單機的可編程調(diào)速器。③由于微機本身故障率很低,即使采用了雙機冗余結(jié)構(gòu),在實際運行中難以查覺進一步降低故障率的效果。3促進了用電建設(shè)的1.近十多年來,通過廣大工程技術(shù)人員的努力,我國水輪機調(diào)節(jié)技術(shù)取得了顯著的進步,獲得一批具有國際先進水平的科研成果,創(chuàng)造了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的微機調(diào)速器新產(chǎn)品,為水電建設(shè)提供品種豐富、品質(zhì)優(yōu)良的水輪機控制設(shè)備,較好地滿足了迅速發(fā)展的水電建設(shè)事業(yè)的需求,有力地支持了電力工業(yè)生產(chǎn)。但是,近年來由于各生產(chǎn)廠生產(chǎn)任務(wù)重,對目前一些經(jīng)濟效益尚不顯著的科研項目和產(chǎn)品投入不足,因此,建議今后共同努力做好如下幾件事。3.1測試及相關(guān)設(shè)備不足我國已有十余種水輪機調(diào)速器國家標準和行業(yè)標準,這是一項了不起的成績,隨著時間的推移要進行必要的修訂或按實際要求制定新的標準,各產(chǎn)品研制部門也要提出完整的企業(yè)標準,任務(wù)還相當繁重,應引進重視。為貫徹相應標準,相當多的產(chǎn)品制造部門尚沒有開展電磁兼容試驗,也不具備相應的試驗設(shè)備,再如,國家標準及行業(yè)標準中要求:“測定轉(zhuǎn)速死區(qū)所用信號發(fā)生器輸出信號的誤差及相應儀表測量誤差的換算值應小于轉(zhuǎn)速死區(qū)規(guī)定值的1/10”。如果大型電液調(diào)速器規(guī)定值為0.04%,則儀表測量誤差值及頻率信號發(fā)生器的誤差應小于0.004%×50Hz=0.002Hz;現(xiàn)在水輪機調(diào)速速器產(chǎn)品定貨時要求過高,有的提出ix≤0.01%,則要求相應誤差應為0.0005Hz,到目前為止這樣精度的信號源及儀表尚難找尋。這里僅用例子說明水輪機調(diào)速器供需雙方對調(diào)速器的死區(qū)不應有刻意的追求。同時在測試技術(shù)及相關(guān)儀器設(shè)備上應積極開展研制工作,否則會帶來一系列商務(wù)上的麻煩。上述研制工作花費巨大,政府主管部門應給予重視和支持。3.2油質(zhì)清潔度和濾油我國油壓裝置幾十年都是一個面貌,這種局面并沒有引起人們的關(guān)注,20世紀60年代所用的電液轉(zhuǎn)換器的抗油污能差,調(diào)速器故障率比較高。當時只注意研究抗油污能力強的電液轉(zhuǎn)換器,而沒有去研究對油清潔度的控制,提高油液的清潔度。20世紀80年代引進國外先進的電液伺服閥,由于油質(zhì)清潔度不能保證而以失敗告終。應該指出,如果我們還不優(yōu)化油壓裝置設(shè)計,加強油壓