水輪發(fā)電機(jī)組頻率控制策略分析與優(yōu)化

張官祥，楊廷勇，何宏江，常中原，陳自然

（1.中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司白鶴灘電廠，四川 涼山615400；2.中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司向家壩電廠，四川 宜賓644612）

頻率是水輪機(jī)調(diào)速器控制的核心元素，從始至終貫穿著機(jī)組運(yùn)行的全過(guò)程，只有測(cè)得高穩(wěn)定性、高精確度和高可靠性的頻率信號(hào)才能確保水電廠機(jī)組的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)組頻率信號(hào)來(lái)源不同，頻率測(cè)量一般有殘壓測(cè)頻和齒盤(pán)測(cè)頻兩種測(cè)量方式。齒盤(pán)測(cè)速信號(hào)具有可靠性高的特點(diǎn)，但其精度受齒盤(pán)加工精度不高和測(cè)速探頭安裝間隙不均勻等因素限制；殘壓測(cè)頻具有精度高的特點(diǎn)，但其頻率信號(hào)容易受到斷線和電磁干擾等因素，其可靠性較低。結(jié)合兩種測(cè)量方式的優(yōu)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)組在不同運(yùn)行狀態(tài)下的頻率測(cè)量。

1 機(jī)組頻率測(cè)量現(xiàn)狀

某水電廠機(jī)組自投運(yùn)后，因齒盤(pán)測(cè)頻系統(tǒng)自身設(shè)計(jì)及安裝原因，測(cè)頻信號(hào)多次在機(jī)組低速旋轉(zhuǎn)或停機(jī)態(tài)情況下出現(xiàn)短時(shí)或持續(xù)異常跳變，該情況對(duì)機(jī)組正常的轉(zhuǎn)速監(jiān)視及開(kāi)停機(jī)造成嚴(yán)重影響。設(shè)備主要異常情況描述如下：

（1）某臺(tái)機(jī)組檢修后在開(kāi)機(jī)過(guò)程中，機(jī)組投高壓油后出現(xiàn)蠕動(dòng)情況，齒盤(pán)測(cè)頻裝置1號(hào)齒盤(pán)信號(hào)出現(xiàn)跳變，轉(zhuǎn)速跳變至47%。

（2）某臺(tái)機(jī)組在停機(jī)過(guò)程中，執(zhí)行停機(jī)流程至投入風(fēng)閘后，監(jiān)控系統(tǒng)顯示機(jī)組轉(zhuǎn)速2下降到1.3%Ne后突然跳變至29.8%Ne并保持不變，使機(jī)組停機(jī)流程超時(shí)導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)失敗。

（3）某臺(tái)機(jī)組停機(jī)后，轉(zhuǎn)速裝置1路齒盤(pán)測(cè)頻信號(hào)發(fā)生持續(xù)跳變，轉(zhuǎn)速測(cè)量顯示跳變值最大達(dá)到198%，導(dǎo)致該機(jī)組電氣一級(jí)過(guò)速、電氣二級(jí)過(guò)速動(dòng)作，機(jī)械事故停機(jī)保護(hù)、水機(jī)后備保護(hù)相繼動(dòng)作，機(jī)組快速門(mén)快閉動(dòng)作并落門(mén)。

（4）某臺(tái)機(jī)組在自動(dòng)開(kāi)機(jī)過(guò)程中發(fā)生PCC轉(zhuǎn)速出現(xiàn)異常跳變，開(kāi)機(jī)至空載過(guò)程中轉(zhuǎn)速1與轉(zhuǎn)速2測(cè)得最大轉(zhuǎn)速偏差達(dá)到45%，空載轉(zhuǎn)速最高升至106%。

2 機(jī)組頻率測(cè)量可靠性分析

鑒于上述故障現(xiàn)象均是在機(jī)組開(kāi)機(jī)或停機(jī)過(guò)程中發(fā)生的，考慮到機(jī)組頻率優(yōu)先采用齒盤(pán)頻率，齒盤(pán)測(cè)頻探頭運(yùn)行正常無(wú)故障，故此時(shí)裝置輸入為齒盤(pán)測(cè)頻輸入值，而非機(jī)端PT殘壓輸入。因此，出現(xiàn)機(jī)組轉(zhuǎn)速突變或跳變的原因即在于齒盤(pán)測(cè)頻回路，從設(shè)備結(jié)構(gòu)、安裝工藝、運(yùn)行環(huán)境、軟件控制四個(gè)方面進(jìn)行分析。

（1）設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。齒盤(pán)測(cè)頻的硬件結(jié)構(gòu)主要包括齒盤(pán)、齒帶、齒塊和測(cè)速探頭安裝支架等，其中測(cè)速探頭安裝支架的穩(wěn)定性對(duì)齒盤(pán)頻率測(cè)量尤為重要，測(cè)速傳感器安裝在固定支架上，支架的穩(wěn)定性直接決定探頭的測(cè)量效果。機(jī)組轉(zhuǎn)速測(cè)量所用的測(cè)速探頭固定在測(cè)速支架上，測(cè)速支架由1塊實(shí)心的長(zhǎng)方體支撐塊和2塊L型的扁鐵構(gòu)成，長(zhǎng)方體支撐塊垂直焊接在下機(jī)架板上，長(zhǎng)方體支撐塊的兩側(cè)分別焊接1塊L型的扁鐵，測(cè)速探頭即是通過(guò)開(kāi)孔方式固定在該扁鐵上。這樣的設(shè)計(jì)方式僅能保證中間位置探頭可以和齒盤(pán)保持合適距離，兩端的探頭與齒盤(pán)的距離過(guò)遠(yuǎn)。機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，由于支撐塊高度過(guò)高，對(duì)來(lái)自下機(jī)架和底端的振動(dòng)有放大效果，再加之扁鐵太單薄而細(xì)長(zhǎng)，剛度不夠，使得測(cè)速探頭容易產(chǎn)生振動(dòng)，而產(chǎn)生更高頻率的方波信號(hào)。因此，齒盤(pán)測(cè)速裝置所測(cè)得的機(jī)組轉(zhuǎn)速將大于其實(shí)際轉(zhuǎn)速，甚至出現(xiàn)瞬間的突變。

（2）安裝工藝。機(jī)組測(cè)速所用測(cè)速探頭是科瑞系列的產(chǎn)品，其型號(hào)為DW-AD-511-M12，NPN型，有效測(cè)量距離為10 mm，但在實(shí)際使用過(guò)程中因測(cè)頻探頭測(cè)量范圍較廣，感應(yīng)臨界狀態(tài)范圍偏大，易受感應(yīng)距離及電磁干擾的影響，引起信號(hào)跳變。當(dāng)測(cè)速探頭正對(duì)鋼帶且距離過(guò)小時(shí)，受到齒塊加工不均勻的限制，兩者之間容易產(chǎn)生摩擦將會(huì)損壞設(shè)備；當(dāng)距離過(guò)于遠(yuǎn)離齒帶或齒塊時(shí)，測(cè)速探頭將檢測(cè)不到信號(hào)，出現(xiàn)丟齒的情況。以上因素都會(huì)降低齒盤(pán)測(cè)速的可靠性。因此，測(cè)速探頭的安裝間隙顯得尤為關(guān)鍵，探頭間隙過(guò)大或過(guò)小，都將使得機(jī)組轉(zhuǎn)速測(cè)量出現(xiàn)偏差。

（3）設(shè)備運(yùn)行環(huán)境。測(cè)速探頭的可靠性不僅受到探頭本身的性能、支架穩(wěn)定性的影響，而且很容易受到機(jī)組振動(dòng)、油污等電氣設(shè)備運(yùn)行環(huán)境因素的影響。由于水輪機(jī)大軸存在擺動(dòng)現(xiàn)象，將使齒盤(pán)齒帶的齒塊與探頭發(fā)生相對(duì)偏移，從而產(chǎn)生低頻振蕩現(xiàn)象。在這種情況下，機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)受到該振蕩信號(hào)的累加后，轉(zhuǎn)速值不斷升高。通過(guò)查閱主機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)可知，機(jī)組在96～104.8 m水頭下的振動(dòng)區(qū)域即為100～480 MW。眾所周知，機(jī)組在振動(dòng)區(qū)域內(nèi)的振擺將增大，正是由于過(guò)大振擺產(chǎn)生的低頻振動(dòng)疊加以后才使所測(cè)得的轉(zhuǎn)速增大。

（4）軟件控制邏輯。轉(zhuǎn)速裝置軟件控制對(duì)轉(zhuǎn)速裝置開(kāi)停機(jī)狀態(tài)流轉(zhuǎn)條件以及在單獨(dú)機(jī)頻通道下轉(zhuǎn)速不能降零的處理邏輯不完善。由于PT信號(hào)在機(jī)組低轉(zhuǎn)速下不能穩(wěn)定檢測(cè)，若齒盤(pán)信號(hào)在開(kāi)停機(jī)過(guò)程中發(fā)生跳變，將影響調(diào)速器對(duì)轉(zhuǎn)速的判斷及輸出值，導(dǎo)致機(jī)組的控制異常。由于機(jī)頻在較低轉(zhuǎn)速情況下殘壓頻率過(guò)低，測(cè)頻裝置不能測(cè)到有效機(jī)頻，機(jī)頻通道測(cè)頻值會(huì)保留在最小值狀態(tài)一直輸出，導(dǎo)致在齒盤(pán)1和齒盤(pán)2同時(shí)故障，機(jī)頻正常情況下，轉(zhuǎn)速裝置的輸出轉(zhuǎn)速不能降低到零。

3 優(yōu)化措施及控制策略

針對(duì)影響機(jī)組頻率測(cè)量可靠性的各種因素，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行分析和研究，采取了一系列優(yōu)化措施，提高了齒盤(pán)頻率測(cè)量的可靠性和準(zhǔn)確率，其具體措施如下：

3.1 優(yōu)化測(cè)速支架結(jié)構(gòu)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)多次測(cè)量和試驗(yàn)后重新設(shè)計(jì)制作測(cè)速支架，將原來(lái)L型安裝支架改為弧形測(cè)速支架，并與水輪機(jī)大軸弧度保持同心度。探頭安裝在弧形測(cè)速支架上，不僅解決了L型支架兩端測(cè)速探頭與齒盤(pán)距離不均勻的問(wèn)題，保持了齒盤(pán)探頭與大軸上的齒塊正對(duì)距離，而且避免了探頭與齒盤(pán)傾斜造成的漏齒或丟齒，進(jìn)而造成的測(cè)頻不均勻問(wèn)題。同時(shí)，降低測(cè)頻支架高度，將長(zhǎng)方體支撐換成實(shí)心的支撐，考慮將原來(lái)一塊扁鐵上的4個(gè)探頭分裝到2塊扁鐵上，從而減小扁鐵的弧長(zhǎng)。

3.2 更改齒盤(pán)安裝位置

機(jī)組振動(dòng)對(duì)測(cè)速探頭的測(cè)速準(zhǔn)確性有著重大影響，因機(jī)組振擺是不可避免的，但可以將測(cè)速支架安裝到振動(dòng)更小的部位。比如，由水輪機(jī)下機(jī)架轉(zhuǎn)移到下導(dǎo)油槽蓋板或者水導(dǎo)上油箱。目前測(cè)速齒盤(pán)的硬件結(jié)構(gòu)已經(jīng)成型，其實(shí)施難度較大，改造成本較大，但對(duì)于便于改造的機(jī)組進(jìn)行了合理改進(jìn)和優(yōu)化，已把齒盤(pán)齒帶安裝位置移至振動(dòng)較小的水導(dǎo)上油槽上方。

3.3 測(cè)速探頭選型

通過(guò)對(duì)三種品牌的測(cè)速探頭經(jīng)過(guò)對(duì)被測(cè)體、工作溫度、探頭支架、初始間隙的要求進(jìn)行對(duì)比和試驗(yàn)，最終技術(shù)改造選用測(cè)頻更可靠、適應(yīng)性更好、感應(yīng)距離適中的易福門(mén)齒盤(pán)測(cè)速探頭。齒盤(pán)測(cè)速探頭性能參數(shù)對(duì)比如下頁(yè)表1所示。

3.4 優(yōu)化頻率控制策略

針對(duì)頻率突變和優(yōu)先級(jí)等問(wèn)題，可通過(guò)優(yōu)化測(cè)頻控制程序的測(cè)頻計(jì)算邏輯、完善數(shù)字濾波及轉(zhuǎn)速優(yōu)選策略等措施來(lái)防止轉(zhuǎn)速跳變信號(hào)輸出。

3.4.1 優(yōu)化頻率突變檢測(cè)邏輯

表1 齒盤(pán)探頭型號(hào)參數(shù)對(duì)比分析

在轉(zhuǎn)速裝置程序中優(yōu)化對(duì)三路測(cè)頻通道的測(cè)量處理模塊，增加跳變檢測(cè)功能，對(duì)出現(xiàn)跳變的轉(zhuǎn)速峰值進(jìn)行濾除。若頻率信號(hào)發(fā)生跳變后一直處于保持狀態(tài)，則屏蔽該通道頻率信號(hào)并報(bào)頻率跳變故障，從信號(hào)源頭去除跳變值。同時(shí)，對(duì)各路轉(zhuǎn)速信號(hào)的增減速率進(jìn)行限制，可以設(shè)定頻率增減步長(zhǎng)，使得轉(zhuǎn)速的變化速率在正常頻率調(diào)節(jié)范圍之內(nèi)，這將有效削弱測(cè)頻信號(hào)的快速變化對(duì)轉(zhuǎn)速輸出值的影響，提高頻率測(cè)量的穩(wěn)定性和可靠性。

3.4.2 完善頻率數(shù)字濾波功能

目前在水電廠機(jī)組頻率消除干擾的實(shí)際應(yīng)用中，尤其是消除齒盤(pán)測(cè)頻裝置干擾信號(hào)最常用的方法是采用數(shù)字濾波控制策略。根據(jù)信號(hào)“先進(jìn)先出”原則把連續(xù)周期測(cè)頻值看成一個(gè)隊(duì)列，隊(duì)列長(zhǎng)度固定為N，對(duì)N個(gè)頻率值進(jìn)行大小比較后，剔除其中的最大和最小值，再對(duì)其余頻率值進(jìn)行求算術(shù)平均值，最后獲得濾波后的頻率測(cè)量值。這種方法可以有效地避免了齒盤(pán)和齒塊加工精度不均勻帶來(lái)的影響，頻率測(cè)量值的計(jì)算經(jīng)過(guò)數(shù)組組隊(duì)、比較、平均等計(jì)算功能塊，雖然頻率計(jì)算輸出值的輸出時(shí)間有所增加，頻率具有一定的滯后性，但對(duì)低轉(zhuǎn)速的水輪發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)影響較小，不影響機(jī)組的轉(zhuǎn)速控制。

3.4.3 優(yōu)化開(kāi)停機(jī)過(guò)程中頻率控制邏輯

為避免單路信號(hào)異常對(duì)機(jī)組開(kāi)停機(jī)控制及監(jiān)視的影響，將原有的三選一的控制策略優(yōu)化為三選二策略，即在三路頻率通道中只要滿足任意兩路頻率正常即可輸出頻率測(cè)量值。具體優(yōu)選策略為：根據(jù)機(jī)組殘壓測(cè)頻信號(hào)及齒盤(pán)測(cè)頻信號(hào)的實(shí)際靈敏情況分別設(shè)定三路頻率的最低檢測(cè)值。

3.4.4 完善轉(zhuǎn)速偏差控制邏輯

為防止某路測(cè)頻信號(hào)存在偏差或失真影響調(diào)速器對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)和控制，進(jìn)一步完善對(duì)測(cè)頻信號(hào)的故障判斷功能。在開(kāi)機(jī)后的轉(zhuǎn)速處理邏輯中增加對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行三選二投票法，具體控制邏輯為：機(jī)組在空載態(tài)或負(fù)載態(tài)時(shí)，當(dāng)三路測(cè)頻信號(hào)均正常時(shí)，若某一路測(cè)頻信號(hào)與其他兩路測(cè)頻信號(hào)偏差值超過(guò)設(shè)定閾值，則判斷該路頻率信號(hào)測(cè)量異常，此路信號(hào)不予采用，其余信號(hào)可正常參與頻率優(yōu)選策略。

3.5 優(yōu)化試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

該電站對(duì)調(diào)速器齒盤(pán)優(yōu)化措施和控制策略進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)不同工況下的運(yùn)行參數(shù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，本次試驗(yàn)項(xiàng)目涵蓋了機(jī)組所有的運(yùn)行工況，試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析顯示優(yōu)化措施取得了良好的效果。主要試驗(yàn)項(xiàng)目及數(shù)據(jù)分析結(jié)果如下：

（1）自動(dòng)開(kāi)機(jī)試驗(yàn)

圖1為自動(dòng)開(kāi)機(jī)試驗(yàn)曲線圖，試驗(yàn)結(jié)果為：開(kāi)機(jī)規(guī)律采用三段開(kāi)機(jī)，頻率優(yōu)先采用齒盤(pán)頻率，其第一開(kāi)度為14.16%，第二開(kāi)度9.6%，開(kāi)機(jī)總時(shí)間為96 s。導(dǎo)葉開(kāi)度與頻率趨勢(shì)正常，未出現(xiàn)頻率異常突變情況。

圖1 自動(dòng)開(kāi)機(jī)試驗(yàn)

（2）甩負(fù)荷試驗(yàn)

圖2為B機(jī)主用甩75%額定負(fù)荷試驗(yàn)曲線圖，其試驗(yàn)結(jié)果：最高轉(zhuǎn)速Fmax=68.24 Hz，最低轉(zhuǎn)速Fmin=49.38 Hz，調(diào)節(jié)時(shí)間tE=38.21 s，峰值時(shí)間tM=7.74 s，tE/tM=4.9，波峰個(gè)數(shù)N=0。

（3）機(jī)械過(guò)速試驗(yàn)

圖3為機(jī)組153%過(guò)速試驗(yàn)曲線圖，其中線條1為導(dǎo)葉開(kāi)度，線條2為頻率，線條3為主配位置。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析：機(jī)組轉(zhuǎn)速增加至153%過(guò)速試驗(yàn)中，轉(zhuǎn)速148%時(shí)最大開(kāi)度93%。導(dǎo)葉從空載開(kāi)度15.2%～93%用時(shí)29 s。導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)停留在20%開(kāi)度有4.4 s。第一拐點(diǎn)導(dǎo)葉57%開(kāi)度。

圖2 甩負(fù)荷試驗(yàn)

圖3 機(jī)械過(guò)速試驗(yàn)

綜上所述，該機(jī)組調(diào)速器頻率測(cè)量?jī)?yōu)化后系統(tǒng)投入運(yùn)行，使調(diào)速器頻率測(cè)量狀況得到了明顯的改善，運(yùn)行狀態(tài)的改善可以提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性和安全性，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量采取冗余交錯(cuò)配置，選用可靠的轉(zhuǎn)速測(cè)量元器件，優(yōu)化調(diào)速器轉(zhuǎn)速處理邏輯機(jī)制，不管機(jī)組在開(kāi)停機(jī)過(guò)程還是在運(yùn)行狀態(tài)下，未發(fā)生因轉(zhuǎn)速測(cè)量故障引起的機(jī)組非正常停運(yùn)現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及運(yùn)行結(jié)果表明，本文采取的優(yōu)化方案及措施是合理的有效的，保證了水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，有效解決了齒盤(pán)測(cè)速信號(hào)跳變問(wèn)題，提高了水電廠齒盤(pán)測(cè)速裝置測(cè)頻準(zhǔn)確率，為機(jī)組的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。