水輪機(jī)調(diào)速器負(fù)荷異常上升原因分析及處理

唐杰陽(yáng)，李甜甜，毛成鋼，張曉輝

(1.雅礱江流域集控中心，四川 成都 610021;2.二灘水力發(fā)電廠(chǎng)，四川 攀枝花 617000)

1 二灘水電站調(diào)速器

二灘水電站水輪機(jī)調(diào)速器由控制系統(tǒng)和機(jī)械部分組成?？刂葡到y(tǒng)采用WT-SPLC-STARS型調(diào)速器，調(diào)速器機(jī)械部分主要由TD150型三級(jí)伺服閥、油壓裝置、直缸接力器與過(guò)速限制裝置組成。

調(diào)速器控制系統(tǒng)由兩套完全相同的數(shù)字式調(diào)速器頭組成，互為備用。每套調(diào)速器頭主要由PLC(模塊為140 CPU 43412A)及其相關(guān)I/O板件、功率變送器、導(dǎo)葉位置傳感器、測(cè)速整形模塊及測(cè)速探頭等組成。另外還設(shè)置了一套獨(dú)立的轉(zhuǎn)速繼電器裝置，用于CCS、電氣過(guò)速保護(hù)與蠕動(dòng)、轉(zhuǎn)速為零等信號(hào)，還用于風(fēng)閘、高壓油、機(jī)組技術(shù)供水泵輔助設(shè)備控制信號(hào)，轉(zhuǎn)速繼電器控制功能由PLC(FX2N-32MTD型)實(shí)現(xiàn)。

調(diào)速器具有頻率跟蹤功能，有開(kāi)度反饋/功率反饋兩種反饋模式，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速器手/自動(dòng)控制模式、運(yùn)行模式無(wú)擾動(dòng)切換以及自動(dòng)調(diào)節(jié)導(dǎo)葉、自動(dòng)按水頭整定空載開(kāi)度、開(kāi)機(jī)、停機(jī)等功能。

機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行頻率波動(dòng)超過(guò)±0.5 Hz時(shí)，調(diào)速器自動(dòng)轉(zhuǎn)為“孤網(wǎng)運(yùn)行”方式。

機(jī)組不并網(wǎng)時(shí)調(diào)速器僅能在“開(kāi)度反饋”模式運(yùn)行，機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)可轉(zhuǎn)為“孤網(wǎng)運(yùn)行”或“功率反饋”模式。故障時(shí)調(diào)速器自動(dòng)切換到“開(kāi)度反饋”模式。

調(diào)速器頭及轉(zhuǎn)速繼電器測(cè)頻信號(hào)來(lái)自齒盤(pán)和殘壓，正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速繼電器以殘壓測(cè)頻為主，齒盤(pán)測(cè)頻為輔;調(diào)速器頭以殘壓測(cè)頻為主，齒盤(pán)測(cè)頻為輔。

2 水輪機(jī)調(diào)速器負(fù)荷異常上升原因的分析

2.1 事件概述

2011年8月7日05∶55，CCS發(fā)“GIS 1、2號(hào)錄波裝置啟動(dòng)，1～6號(hào)機(jī)故障錄波器觸發(fā)”報(bào)警。

05∶56，全廠(chǎng)總有功2860 MW，CCS發(fā)“5號(hào)機(jī)開(kāi)度反饋控制方式投入，5號(hào)機(jī)有功功率上限1580 MW，5號(hào)機(jī)有功調(diào)節(jié)故障，5號(hào)機(jī)有功聯(lián)控模式 退出，5號(hào)機(jī)有功功率上限2600 MW”信號(hào)，運(yùn)行人員立即在CCS上壓5號(hào)機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)限。

06∶02，現(xiàn)場(chǎng)檢查5號(hào)機(jī)調(diào)速器在開(kāi)度反饋方式，電調(diào)柜事件信息有“遠(yuǎn)方激活開(kāi)度反饋產(chǎn)生”信號(hào)，無(wú)報(bào)警信號(hào)。全面檢查5號(hào)機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)無(wú)異常。

06∶04，CCS上投入“五號(hào)機(jī)功率反饋方式”，并將該機(jī)投入AGC。

在電網(wǎng)的沖擊下，5號(hào)機(jī)組負(fù)荷由510 MW突然上升至600 MW以上，由運(yùn)行人員將導(dǎo)葉開(kāi)限由79.9%壓至70%，對(duì)應(yīng)有功由600 MW減至550 MW。

2.2 數(shù)據(jù)波形分析

電網(wǎng)發(fā)生沖擊時(shí)，5號(hào)機(jī)組頻率、功給、功率波形見(jiàn)圖1所示。

圖1 5號(hào)機(jī)組頻率、功給、功率波形圖

圖2 5號(hào)機(jī)組頻率、殘壓測(cè)頻突變波形圖

電網(wǎng)發(fā)生沖擊時(shí)，其他并網(wǎng)機(jī)組的波形見(jiàn)圖3所示(以2號(hào)機(jī)組為例)。

圖3 其他并網(wǎng)機(jī)組頻率、功給、功率波形圖(以2F為例)

通過(guò)圖1～圖3的波形數(shù)據(jù)，可以看出:

1)電網(wǎng)發(fā)生沖擊時(shí)，5號(hào)機(jī)端電流、電壓波動(dòng)導(dǎo)致調(diào)速器功率測(cè)量發(fā)生波動(dòng)的現(xiàn)象，其他機(jī)組亦存在有相同的現(xiàn)象。

2)電網(wǎng)發(fā)生沖擊時(shí)，5號(hào)機(jī)調(diào)速器測(cè)量采樣的機(jī)組頻率最低達(dá)到49.71 Hz，殘壓頻率最低達(dá)到49.41 Hz，其他機(jī)組頻率無(wú)突變現(xiàn)象。

3)5號(hào)機(jī)調(diào)速器在外部功給最大為546.21 MW時(shí)、導(dǎo)葉開(kāi)度隨控制輸出量的變大而增加直到開(kāi)度限制值為止，從而導(dǎo)致機(jī)組出力異常升高達(dá)到603 MW。其他機(jī)組的有功輸出與有功給定值基本一致。

4)5號(hào)機(jī)負(fù)荷異常上升后，運(yùn)行人員通過(guò)手動(dòng)減導(dǎo)葉開(kāi)限，回關(guān)導(dǎo)葉，將機(jī)組出力控制在510 MW左右。

2.3 調(diào)速器反饋方式切換邏輯

從事件記錄上看，調(diào)速器反饋方式在449 ms內(nèi)發(fā)生了兩次由功率反饋切換為開(kāi)度反饋，第一次開(kāi)度反饋投退間隔只有124 ms。而且事件表明:調(diào)速器自動(dòng)切為開(kāi)度反饋方式后，監(jiān)控隨即自動(dòng)設(shè)定為開(kāi)度反饋方式。

機(jī)組并網(wǎng)后，調(diào)速器將功率反饋切換為開(kāi)度反饋方式的情況有:手動(dòng)選擇開(kāi)度反饋方式、功率變送器故障及頻率超差0.5 Hz共3種情況。對(duì)以上情況逐一分析:對(duì)于手動(dòng)選擇開(kāi)度反饋方式情況，事發(fā)時(shí)無(wú)人員操作;對(duì)于功率變送器故障，PLC程序設(shè)定的條件為功率變送器采集數(shù)值越上限、下限且保持3 s以上，同時(shí)故障信號(hào)會(huì)在調(diào)速器和監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)出，而實(shí)際檢查并沒(méi)有故障信號(hào)，可以排除;對(duì)于頻率超差0.5 Hz情況，從圖2的5號(hào)機(jī)組頻率、殘壓測(cè)頻波形圖可以看出，當(dāng)時(shí)5號(hào)機(jī)調(diào)速器工控機(jī)采樣機(jī)組殘壓頻率由50.02 Hz突變?yōu)?9.41 Hz，持續(xù)了141 ms，而PLC測(cè)量的頻率最低值一旦低于49.5 Hz，則符合頻率超差0.5 Hz條件，導(dǎo)致調(diào)速器自動(dòng)切換為開(kāi)度反饋方式，瞬間突變頻率超差隨即導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)在124 ms內(nèi)相繼報(bào)出5號(hào)機(jī)調(diào)速器切開(kāi)度反饋投入、退出事件。

2.4 負(fù)荷異常上升原因分析

根據(jù)調(diào)速器控制原理:在功率反饋方式下，監(jiān)控系統(tǒng)送給調(diào)速器的功率給定直接與機(jī)組反饋的有功功率進(jìn)行比較控制;在開(kāi)度反饋方式下，有功給定需轉(zhuǎn)換為開(kāi)度給定后，再與導(dǎo)葉實(shí)際開(kāi)度進(jìn)行比較控制。有功給定轉(zhuǎn)換為不同水頭下開(kāi)度給定的協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線(xiàn)是一個(gè)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)，與實(shí)際存在較大差別，當(dāng)功率反饋切至開(kāi)度反饋模式時(shí)，即使有功給定保持不變，由于轉(zhuǎn)換成開(kāi)度給定值存在誤差，造成了機(jī)組實(shí)際有功功率輸出值發(fā)生較大的波動(dòng)。

在開(kāi)度反饋方式下，當(dāng)時(shí)水頭為167.43 m，外部功給為546.21 MW，經(jīng)協(xié)聯(lián)曲線(xiàn)計(jì)算后的開(kāi)度給定為79.76%，遠(yuǎn)比當(dāng)時(shí)功率反饋下的實(shí)際開(kāi)度68.13%大，由于導(dǎo)葉開(kāi)限為79.34%，因此切換為開(kāi)度反饋方式后，調(diào)速器導(dǎo)葉開(kāi)度由68.13%上升至導(dǎo)葉開(kāi)限79.34%為止，造成了5號(hào)機(jī)組負(fù)荷異常上升。

2.5 分析結(jié)論

綜合以上分析，可以得出5號(hào)機(jī)調(diào)速器在電網(wǎng)異常時(shí)負(fù)荷異常上升的原因如下。

(1)電網(wǎng)沖擊對(duì)5號(hào)機(jī)調(diào)速器殘壓測(cè)頻元件造成影響，導(dǎo)致殘壓頻率突變，頻率差超過(guò)0.5 Hz引起調(diào)速器反饋方式由功率反饋切換為開(kāi)度反饋。

(2)調(diào)速器切換為開(kāi)度反饋方式后，其功率給定值需轉(zhuǎn)換為當(dāng)前水頭下開(kāi)度/功率協(xié)聯(lián)曲線(xiàn)模型對(duì)應(yīng)的開(kāi)度給定值，大于切換前的實(shí)際開(kāi)度，從而導(dǎo)致負(fù)荷異常上升。

3 處理措施

分析電網(wǎng)沖擊造成調(diào)速器負(fù)荷異常上升的原因，主要有:①電網(wǎng)沖擊的影響，電網(wǎng)發(fā)生線(xiàn)路跳閘、雷電干擾等各種沖擊因素?zé)o法消除，其影響不可避免。②機(jī)組調(diào)速器全水頭開(kāi)度/功率協(xié)聯(lián)曲線(xiàn)模型數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，由于該模型數(shù)據(jù)是試驗(yàn)數(shù)據(jù)，且水輪機(jī)出力、水頭、導(dǎo)葉開(kāi)度是一個(gè)非常復(fù)雜的非線(xiàn)性關(guān)系，無(wú)法得到準(zhǔn)確的定量數(shù)據(jù)模型，因此校核開(kāi)度/功率協(xié)聯(lián)曲線(xiàn)模型具有很大的難度，操作性不強(qiáng)。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，專(zhuān)業(yè)人員采取了切實(shí)可行的措施，主要有以下3點(diǎn)。

(1)完善調(diào)速器功率反饋切開(kāi)度反饋邏輯:當(dāng)機(jī)組頻率偏差超過(guò)0.5 Hz且持續(xù)一段時(shí)間，方可切換為開(kāi)度反饋模式。當(dāng)增加延時(shí)判斷條件后，就避免了電網(wǎng)沖擊造成測(cè)頻回路瞬時(shí)突變對(duì)調(diào)速器的干擾，增加了調(diào)速器穩(wěn)定可靠性。

(2)加強(qiáng)監(jiān)視、勤調(diào)整導(dǎo)葉開(kāi)限。特別在高水頭下，調(diào)整導(dǎo)葉開(kāi)限略大于機(jī)組額定功率對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉開(kāi)度，防止調(diào)速器負(fù)荷異常上升造成機(jī)組超出力運(yùn)行的異常狀況。

(3)對(duì)5號(hào)機(jī)調(diào)速器殘壓測(cè)頻板件及通道進(jìn)行校驗(yàn)，檢查殘壓測(cè)頻抗干擾性并更換測(cè)頻板件。

采取以上措施后，電網(wǎng)多次發(fā)生線(xiàn)路跳閘、重合閘動(dòng)作、電壓波動(dòng)等異常，二灘電廠(chǎng)水輪機(jī)調(diào)速器未再發(fā)生負(fù)荷異常上升事件。實(shí)際運(yùn)行表明，針對(duì)調(diào)速器負(fù)荷異常上升采取的措施簡(jiǎn)單可行，有效地避免電網(wǎng)沖擊對(duì)水輪機(jī)調(diào)速器的影響。

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