齿盘测速装置在凌津滩水电厂水轮机上的应用

摘要：水轮机调节的实质是根据偏离了额定工况的转速（频率）偏差信号，调节水轮机导水机构，不断地维持水轮发电机功率与负荷功率的平衡。机组速度反馈是大多数水轮机控制系统最基本的输入量，因此，对于水轮机测速装置，要求有较小的死区和很高的灵敏度。本文主要介绍齿盘测速装置在凌津滩水电厂水轮机上的应用。 关键词：齿盘测速装置    测量精度    干扰信号 1． 水轮机调速器速度测量方式及其特点 凌津滩水电厂安装有日立公司生产的灯泡贯流式水轮发电机组9台，水轮机调速系统为美国WOODWARD公司生产的NETCON5000并联PID型微机调速器，机组速度测量方式分为两种：一种为机端PT残压测频，另一种为齿盘速度测量装置（speed signal generator，俗称SSG）。这两种方式测得的速度信号同时输入到调节器，调节器按预定的程序取其一种用于实时控制：机组转速小于95%Ne阶段，取用SSG速度信号，机组转速大于95%Ne后，取用机端PT速度信号。齿盘速度测量回路原理图如下：

齿盘齿数为126齿，额定转速为78.9RPM，额定频率为165.69Hz，采样周期为6ms，产生的脉冲信号直接输入到速度传感器模块。齿盘安装在发电机灯泡头内发电机延伸轴的法兰上，速度信号直接从水轮机的转动轴上获取，是一种理想的速度输入信号。齿盘速度信号不受发电机残压的限制，也不受非周期杂波的干扰，比PT信号具有更高的可靠性，另外，齿盘测速装置还具有高可靠的零转速（蠕动）检测功能。在凌津滩电厂数字调速系统中同时使用了这两种速度信号，这种方式的缺点是增加了硬件的成本和软件的复杂性。 2． 影响齿盘测速装置测量精度的三大原因 2．1原因之一是由于加工精度的局限性，齿盘上齿与齿之间的距离不可能完全相等，或者说齿距不可能完全均匀。对于高灵敏度的速度传感器，它是通过扫描齿与齿之间的时间来计算速度的，即使机组实际转速没变，齿与齿之间不同的间隔就会反应出速度的变化，从而产生干扰信号。图 1是从凌津滩水电厂2#机组齿盘测速装置上获得的转速信号。图中我们可以通过测量转速信号的周期来计算干扰信号的频率。F=1/（T2-T1）=1/（91.53-90.77）=1.31Hz。

图1

2．2原因之二是水轮发电机主轴的摆动。主轴的摆动使齿盘相对测速探头的中心发生偏移，这种相对运动会产生低频振荡信号，并叠加到机组转速信号上。图2是为了说明对于主轴的摆动和圆度不精确的齿盘是怎样产生速度干扰信号的。第一个图说明了圆度不精确的齿盘怎样产生速度干扰信号，图中可以看出A点的线速度大于B点的线速度，那么，即使机组转速保持恒定，速度传感器也会认为速度发生了变化。第二个图说明了主轴的摆动怎样产生速度干扰信号，假设齿盘以额定转速旋转，由于主轴的摆动，机组每旋转一周，导致齿盘中心以一定的速度A变动，当主轴中心（变化的）的速度与主轴的速度方向一致，速度传感器所测到的速度B=D 额定转速，当主轴中心（变化的）的速度与主轴的速度方向相反，速度传感器所测到的速度C=－E 额定转速，对于速度传感器来说，会认为这样的变化是机组实际速度的变化。

图2

2．3原因之三是由于连接SSG和主轴的柔性联轴法兰没有校准（不同轴）。没有校准的SSG驱动轴会产生一种周期性加速或减速现象。图3是从凌津滩水电厂1#机组齿盘测速装置上获得的转速信号，是这种现象的一个实例。

图3

图中同样可以计算出干扰信号的频率F=1/（T2-T1）=1/（2.38-1.62）=1.31Hz。这种现象可以分区域A-D进行分析。区域A反应了柔性联轴法兰正好通过最大偏心点，柔性法兰要释放存储的能量，从而使齿盘加速；在区域B，由于柔性联轴法兰弹性时间常数的原因使齿盘减速；惯性的原因使区域C相对区域B只有很小的速度变化；在区域D，柔性联轴法兰处于“负载”状态，表现出齿盘减速；紧接着偏心度又接近最大值，重复到区域A。 3．消除齿盘测速装置干扰信号的方法 消除齿盘测速装置干扰信号最常用的方法是使用低通滤波器。 凌津滩水电厂调速器转速信号使用了时间常数为40ms（3.97Hz）的低通滤波器，图4是2#机组甩100%负荷试验时机组速度变化过程。

图4

图中PT信号最初的速度变化产生在发电机出口开关跳闸时，这是个干扰信号。可以看出，齿盘信号（ZVPU信号）较PT信号，死区为大约35 ms，ZVPU信号滞后于PT信号大约50 ms。这反应出使用低通滤波器后，虽然能滤掉部分干扰信号，但测得的速度信号产生了35 ms的死区和50 ms的相位滞后，这对调节器的调节品质是很不利的。 4．结束语 凌津滩水电厂齿盘测速装置测量精度受机组主轴摆度的影响，产生的速度信号对驱动轴的同心度很敏感，容易产生周期性干扰信号。使用常规的滤波技术很难处理因周期性干扰信号产生的主配活塞抽动问题。目前，美国WOODWARD调速器公司正在研制开发一种独特的自适应式消除干扰技术（简称适用消扰技术），适应消扰技术不是对输入的速度信号进行过滤，它是先区分，断判出干扰信号，再对干扰信号作减法，从而起到抵消干扰信号的作用。适应消扰技术适用水轮机不同运行工况下的干扰信号。