軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)協(xié)聯(lián)關(guān)系破壞原因淺析

李建清，栗建峰，陳玉林，敬海波

(國(guó)電大渡河公司龔嘴水力發(fā)電總廠，四川樂(lè)山 614900)

1 引言

對(duì)水電廠而言，根據(jù)水頭及流量情況普遍采用混流式機(jī)組，軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)因控制過(guò)程相對(duì)較復(fù)雜而采用較少。隨著電力系統(tǒng)的擴(kuò)大和自動(dòng)化程度的提高，特別是四川電網(wǎng)與華中電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)后，對(duì)調(diào)速器的控制和調(diào)節(jié)提出了更高的要求。龔嘴水力發(fā)電總廠管轄的龔嘴和銅街子兩座水電站的水輪機(jī)調(diào)速器改造后均采用PLC控制，龔站水輪機(jī)采用混流式機(jī)組，運(yùn)行情況穩(wěn)定;但銅街子水電站采用的是軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組，在調(diào)速器改造投運(yùn)初期經(jīng)常出現(xiàn)協(xié)聯(lián)關(guān)系破壞現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)組蝸殼內(nèi)水流紊亂，引起頂蓋真空破壞閥動(dòng)作，頂蓋水位快速上漲，機(jī)組振動(dòng)和擺度加劇，軸瓦溫度升高，發(fā)電機(jī)定子定位螺栓松動(dòng)，機(jī)架彈性支撐剪斷。

2 改造后調(diào)速器協(xié)聯(lián)控制邏輯存在的問(wèn)題及分析

2.1 協(xié)聯(lián)關(guān)系設(shè)定為“槳葉開(kāi)度給定值跟蹤導(dǎo)葉開(kāi)度給定值”不合理

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)組的槳葉動(dòng)作速度較導(dǎo)葉慢，為了提高槳葉的動(dòng)作速度，調(diào)速器協(xié)聯(lián)關(guān)系設(shè)定為槳葉開(kāi)度給定值跟蹤導(dǎo)葉開(kāi)度給定值，未跟蹤導(dǎo)葉實(shí)際開(kāi)度值。在調(diào)速器投運(yùn)初期，銅街子水電站一臺(tái)機(jī)組有功負(fù)荷在由20 MW調(diào)整到80 MW過(guò)程中發(fā)生協(xié)聯(lián)破壞，有功負(fù)荷快速飆升，導(dǎo)致過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作。當(dāng)時(shí)調(diào)速器工控機(jī)錄波圖形見(jiàn)圖1。

圖1 調(diào)速器工控機(jī)錄波圖

調(diào)速器協(xié)聯(lián)關(guān)系設(shè)定為導(dǎo)葉開(kāi)度給定值大于28%后槳葉開(kāi)度從零開(kāi)啟。錄波圖顯示，在本次負(fù)荷調(diào)節(jié)過(guò)程中，35 s左右槳葉向開(kāi)啟方向移動(dòng)，說(shuō)明導(dǎo)葉開(kāi)度給定值在此之前已經(jīng)發(fā)生變化;從35 s開(kāi)始到80 s時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)葉開(kāi)度開(kāi)啟速度相當(dāng)緩慢。由于槳葉開(kāi)度給定值跟蹤導(dǎo)葉開(kāi)度給定值，同時(shí)機(jī)組現(xiàn)地控制單元LCU與調(diào)速器之間共同構(gòu)成功率閉環(huán)調(diào)節(jié)，當(dāng)機(jī)組功率增加較緩慢時(shí)，LCU的增負(fù)荷脈沖不斷發(fā)送給調(diào)速器，使調(diào)速器導(dǎo)葉和槳葉開(kāi)度給定值非常大，槳葉實(shí)際全開(kāi)，導(dǎo)致槳葉與導(dǎo)葉實(shí)際開(kāi)度之間的協(xié)聯(lián)關(guān)系完全破壞，70～115 s之間機(jī)組發(fā)生調(diào)相運(yùn)行工況。120 s后，由于導(dǎo)葉開(kāi)度快速增加，槳葉、導(dǎo)葉之間的協(xié)聯(lián)恢復(fù)，有功負(fù)荷快速飚升，造成過(guò)負(fù)荷保護(hù)動(dòng)作，機(jī)組甩負(fù)荷。事后查明，導(dǎo)葉開(kāi)啟速度初期較慢、后期較快的原因系分段關(guān)閉裝置節(jié)流點(diǎn)調(diào)整值漂移所致。

此次甩負(fù)荷暴露出調(diào)速器協(xié)聯(lián)關(guān)系設(shè)定中未考慮到因液壓系統(tǒng)等原因使導(dǎo)葉動(dòng)作速度比槳葉慢這種異常情況，僅設(shè)定槳葉開(kāi)度給定值跟蹤導(dǎo)葉開(kāi)度給定值，從而導(dǎo)致水輪機(jī)協(xié)聯(lián)關(guān)系嚴(yán)重破壞，機(jī)組甩負(fù)荷。

2.2 調(diào)速器對(duì)導(dǎo)葉開(kāi)度測(cè)控采取“取大優(yōu)先”不合理

改造后的調(diào)速器采用兩套獨(dú)立PLC裝置主備配置，導(dǎo)葉和槳葉分別采用A、B兩套獨(dú)立的開(kāi)度傳感器進(jìn)行測(cè)量。正常情況下，主用PLC裝置采用“取大優(yōu)先”原則讀取導(dǎo)葉開(kāi)度信號(hào)進(jìn)行控制，即主用PLC裝置不僅讀取對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉開(kāi)度傳感器信號(hào)，還采用通訊方式讀取備用PLC裝置的導(dǎo)葉開(kāi)度傳感器信號(hào)，并將兩套導(dǎo)葉開(kāi)度傳感器信號(hào)進(jìn)行比較，取測(cè)值較大的信號(hào)作為運(yùn)算控制量，其目的是保證機(jī)組不過(guò)速、不過(guò)負(fù)荷。

調(diào)速器改造后不久，銅街子水電站一臺(tái)機(jī)組在減負(fù)荷過(guò)程中發(fā)生1只導(dǎo)葉開(kāi)度傳感器卡阻故障，但傳感器的輸出電流仍在4～20 mA之間，調(diào)速器不能正確判斷仍按“取大優(yōu)先”進(jìn)行控制，從而使導(dǎo)葉開(kāi)度快速關(guān)閉，協(xié)聯(lián)關(guān)系嚴(yán)重破壞，導(dǎo)致機(jī)組蝸殼內(nèi)水流紊亂，引起頂蓋真空破壞閥動(dòng)作，頂蓋水位快速上漲，機(jī)組振動(dòng)和擺度加劇，軸瓦溫度升高，發(fā)電機(jī)定子定位螺栓松動(dòng)，機(jī)架彈性支撐剪斷。

調(diào)速器對(duì)導(dǎo)葉開(kāi)度測(cè)控采取“取大優(yōu)先”，在減負(fù)荷導(dǎo)葉關(guān)閉過(guò)程中，調(diào)速器計(jì)算出導(dǎo)葉給定值同時(shí)發(fā)出關(guān)導(dǎo)葉命令，若主用導(dǎo)葉傳感器發(fā)生卡阻，導(dǎo)葉實(shí)際會(huì)全關(guān)到零開(kāi)度;而協(xié)聯(lián)關(guān)系中無(wú)論槳葉開(kāi)度跟蹤導(dǎo)葉的開(kāi)度給定值還是開(kāi)度實(shí)際值，都會(huì)出現(xiàn)槳葉實(shí)際開(kāi)度與導(dǎo)葉實(shí)際開(kāi)度不協(xié)聯(lián)而發(fā)生協(xié)聯(lián)關(guān)系破壞。

2.3 負(fù)載狀態(tài)下，槳葉給定值與槳葉實(shí)際開(kāi)度值偏差ΔY＞15%時(shí)槳葉切機(jī)手動(dòng)不合理

調(diào)速器協(xié)聯(lián)關(guān)系設(shè)定為槳葉開(kāi)度給定值跟蹤導(dǎo)葉開(kāi)度給定值而未跟蹤導(dǎo)葉實(shí)際開(kāi)度值，經(jīng)實(shí)際運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，在幅度較大的負(fù)荷調(diào)整過(guò)程中，由于槳葉動(dòng)作速度較導(dǎo)葉慢，經(jīng)常出現(xiàn)槳葉給定值與槳葉實(shí)際開(kāi)度值偏差ΔY＞15%、槳葉切機(jī)手動(dòng)控制現(xiàn)象，導(dǎo)致協(xié)聯(lián)關(guān)系破壞。

3 防止協(xié)聯(lián)關(guān)系破壞采取的改進(jìn)措施

針對(duì)銅街子水電站調(diào)速器改造后在協(xié)聯(lián)關(guān)系方面出現(xiàn)的問(wèn)題，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，采取了以下改進(jìn)措施。

3.1 調(diào)速器PLC程序中對(duì)協(xié)聯(lián)關(guān)系設(shè)定進(jìn)行改進(jìn)

當(dāng)導(dǎo)葉給定值與導(dǎo)葉實(shí)際開(kāi)度值偏差ΔY＞3%，協(xié)聯(lián)關(guān)系跟蹤導(dǎo)葉行程實(shí)際值;當(dāng) ΔY＜3%，協(xié)聯(lián)關(guān)系跟蹤導(dǎo)葉給定值。這樣改進(jìn)既可以滿足提高調(diào)節(jié)速度的要求，又可以解決導(dǎo)葉給定值與導(dǎo)葉實(shí)際開(kāi)度值出現(xiàn)偏差時(shí)發(fā)生協(xié)聯(lián)關(guān)系破壞的問(wèn)題。

3.2 調(diào)速器PLC程序中對(duì)槳葉切機(jī)手動(dòng)邏輯進(jìn)行改進(jìn)

(1)負(fù)載狀態(tài)下，當(dāng)槳葉給定值與槳葉實(shí)際開(kāi)度值偏差ΔY＞5%，閉鎖導(dǎo)葉開(kāi)啟方向輸出;當(dāng)ΔY＞15%，槳葉不切機(jī)手動(dòng)，僅發(fā)出“協(xié)聯(lián)關(guān)系破壞”告警信號(hào)，上送機(jī)組LCU;

(2)增加槳葉的雙套冗余功能:當(dāng)兩套槳葉開(kāi)度反饋偏差大于3%時(shí)，延時(shí)0.5 s報(bào)警，槳葉切機(jī)手動(dòng)運(yùn)行。

3.3 增加第三只即C套導(dǎo)葉傳感器，導(dǎo)葉采用“3取2”測(cè)控模式，以提高調(diào)速器對(duì)導(dǎo)葉傳感器故障的判斷能力

調(diào)速器PLC程序修改如下:

(1)告警信號(hào)修改:

A、B套導(dǎo)葉傳感器斷線均報(bào)“導(dǎo)葉反饋故障，行程超差”信號(hào)，C套導(dǎo)葉傳感器斷線報(bào)“水頭反饋故障，行程超差”信號(hào)(注:C套導(dǎo)葉傳感器信號(hào)經(jīng)未使用的水頭測(cè)量硬件通道);A、B、C套導(dǎo)葉傳感器卡阻報(bào)“行程超差”信號(hào);

(2)導(dǎo)葉開(kāi)度測(cè)量邏輯改進(jìn):

①正常情況時(shí)，采用A、B套傳感器采樣值中接近C套的傳感器采樣值作為導(dǎo)葉開(kāi)度;

②A套或A、C套傳感器斷線及A套傳感器卡阻時(shí)，采用B套傳感器采樣值作為導(dǎo)葉開(kāi)度;

③B套或B、C套傳感器斷線及B套傳感器卡阻時(shí)，采用A套傳感器采樣值作為導(dǎo)葉開(kāi)度;

④C套傳感器斷線，采用A、B套傳感器采樣值中較大的采樣值作為導(dǎo)葉開(kāi)度;

⑤其它情況的傳感器卡阻，均采用A、B套傳感器采樣值中接近C套的傳感器采樣值作為導(dǎo)葉開(kāi)度。

(3)導(dǎo)葉開(kāi)度控制邏輯改進(jìn):

①單套(A或B或C)導(dǎo)葉傳感器斷線或卡阻時(shí)，導(dǎo)葉能開(kāi)能關(guān)，不影響運(yùn)行;

②A、C或B、C同時(shí)斷線或卡阻時(shí)，導(dǎo)葉只關(guān)不開(kāi);

③A、B同時(shí)卡阻時(shí)，導(dǎo)葉只關(guān)不開(kāi);

④A、B傳感器同時(shí)斷線，導(dǎo)葉切機(jī)手動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

銅街子水電站機(jī)組調(diào)速器采取改進(jìn)措施后，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，未再發(fā)生協(xié)聯(lián)關(guān)系破壞現(xiàn)象。由于軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組協(xié)聯(lián)關(guān)系控制復(fù)雜，雖然采取了一定的改進(jìn)措施，但仍然無(wú)法完全避免兩套導(dǎo)葉開(kāi)度傳感器同時(shí)斷線或卡阻、槳葉開(kāi)度傳感器故障、液壓系統(tǒng)故障等原因?qū)е碌膮f(xié)聯(lián)關(guān)系破壞現(xiàn)象的發(fā)生。運(yùn)行中還是應(yīng)加強(qiáng)協(xié)聯(lián)關(guān)系控制設(shè)備的檢修維護(hù)，確保設(shè)備健康運(yùn)行工況，才能更有效地防止協(xié)聯(lián)關(guān)系破壞。