小浪底水電站水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)問(wèn)題分析及處理

王忠強(qiáng)，張延智，屈偉強(qiáng)，李亞麗

(黃河水利水電開(kāi)發(fā)總公司，河南 濟(jì)源 459017)

0 引 言

小浪底水電站位于河南省洛陽(yáng)市北40 km的黃河干流，安裝6臺(tái)300 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，地下式廠房，額定水頭112 m，為河南省電網(wǎng)重要的調(diào)峰調(diào)頻電廠。

小浪底水輪機(jī)原調(diào)速系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱調(diào)速系統(tǒng))為美國(guó)VOITH公司生產(chǎn)的VGCR211-3P型數(shù)字式雙微機(jī)調(diào)速器，從1999年投入運(yùn)行以來(lái)，總體運(yùn)行穩(wěn)定可靠，但也存在設(shè)備老化、核心元器件停產(chǎn)、軟件可讀性差、維護(hù)難度高等難題。鑒于小浪底水輪發(fā)電機(jī)組在河南省電網(wǎng)的重要性，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)研結(jié)合目前行業(yè)發(fā)展的最新情況，2014年底電站開(kāi)始陸續(xù)對(duì)6臺(tái)發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了更新改造，新系統(tǒng)仍然采用了VOITH公司生產(chǎn)的HYCONTM GC414R型調(diào)速器。在兩年多的改造過(guò)程中，出現(xiàn)了一些由于新老設(shè)備兼容、設(shè)計(jì)疏漏等原因引起的問(wèn)題，在對(duì)問(wèn)題進(jìn)行了深入分析和研究后，新調(diào)速系統(tǒng)的遺留問(wèn)題都得到了有效的解決。

1 調(diào)速系統(tǒng)改造概況

小浪底電站原調(diào)速系統(tǒng)采用微機(jī)調(diào)節(jié)器加液壓隨動(dòng)系統(tǒng)的工作模式，邏輯控制由兩套PLC實(shí)現(xiàn)冗余控制，控制信號(hào)輸出至綜合放大單元VCA1卡后驅(qū)動(dòng)動(dòng)圈閥，動(dòng)圈閥作為電液轉(zhuǎn)換設(shè)備控制主配壓閥開(kāi)度及方向，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉接力器的閉環(huán)調(diào)節(jié)。

改造后調(diào)速系統(tǒng)對(duì)電氣控制盤(pán)柜進(jìn)行了整體更換，采用冗余的西門(mén)子S7-400系列PLC進(jìn)行控制。液壓系統(tǒng)主要采用“雙比例閥”替換原“單動(dòng)圈閥”結(jié)構(gòu)，并增加雙線圈開(kāi)停機(jī)閥以及切換閥。

1.1 電氣部分

采用兩套軟硬件配置完全相同的SIMENS S7-400系列PLC。PLC中CPU和I/O模塊之間相互獨(dú)立，采用PROFIBUS通訊環(huán)網(wǎng)連接，兩套CPU通過(guò)冗余光纖實(shí)時(shí)冗余，兩套I/O模板(ET200M)又與兩套CPU再通過(guò)西門(mén)子PROFIBUS通訊交叉冗余，實(shí)現(xiàn)1臺(tái)PLC故障時(shí)，另1臺(tái)PLC無(wú)擾切換，PLC冗余結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。每套I/O模塊接收來(lái)自測(cè)量單元的信號(hào)，以通訊方式同時(shí)向兩套CPU傳輸，對(duì)于每套CPU而言，以“或”門(mén)同時(shí)接收兩套I/O模塊信號(hào)。兩套CPU輸出信號(hào)同時(shí)向兩套I/O模塊傳輸，兩套I/O模塊的開(kāi)關(guān)量信號(hào)以“或”門(mén)輸出，模擬量信號(hào)經(jīng)PLC“看門(mén)狗”電路選擇輸出。同時(shí)，調(diào)速器輸入和輸出回路全部采取隔離技術(shù)防止干擾，模擬量輸入輸出采用變送器隔離，開(kāi)關(guān)量輸入輸出采用繼電器隔離。

1.2 液壓部分

原系統(tǒng)圖如圖2(a)所示，采用單套動(dòng)圈閥SV26進(jìn)行電液轉(zhuǎn)換，原開(kāi)停機(jī)閥SV25(又叫導(dǎo)葉關(guān)斷閥或緊急停機(jī)電磁閥)為單線圈保持型[1]。改造后的新系統(tǒng)如圖2(b)所示，將原單套動(dòng)圈閥更換雙套比例閥并聯(lián)冗余配置，并在雙比例閥后端增設(shè)切換閥，用于控制比例閥壓力油的輸出通道；將原單線圈保持型的開(kāi)停機(jī)閥更換為雙線圈開(kāi)停機(jī)閥。改造后的新系統(tǒng)液壓部分設(shè)備性能更加穩(wěn)定可靠。

圖1 PLC冗余結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of PLC redundant structure

圖2 改造前后電液轉(zhuǎn)換單元示意圖Fig.2 Schematic diagram of the electrohydraulic conversion unit before and after the transformation

2 開(kāi)停機(jī)閥回路問(wèn)題

小浪底水輪機(jī)原調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)機(jī)前，需開(kāi)停機(jī)閥勵(lì)磁接通油路后方能開(kāi)關(guān)導(dǎo)葉，同時(shí)正常停機(jī)或事故停機(jī)時(shí)將開(kāi)停機(jī)閥失磁即可達(dá)到停機(jī)并閉鎖開(kāi)機(jī)的目的[2]。

由于原開(kāi)停機(jī)閥采用的是單線圈，帶電即勵(lì)磁，失電即失磁，所以原回路全部采用閉接點(diǎn)串聯(lián)的方式。接點(diǎn)分別為：調(diào)速器控制屏緊停按鈕、機(jī)組LCU(監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地控制單元)緊停按鈕、中控室模擬屏緊停按鈕、機(jī)組LCU程序輸出緊急停機(jī)繼電器、機(jī)組LCU程序輸出正常開(kāi)停機(jī)繼電器和水機(jī)保護(hù)緊急停機(jī)繼電器共6個(gè)接點(diǎn)?；芈肥疽鈭D見(jiàn)圖3，從圖中可以看出，原單線圈開(kāi)停機(jī)閥在機(jī)組開(kāi)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中必須始終處于帶電勵(lì)磁狀態(tài)，由于廠房位于中控室下方山體內(nèi)，整個(gè)回路電纜長(zhǎng)度接近2 km，機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中如果有任何一個(gè)斷點(diǎn)，皆會(huì)引起機(jī)組誤停機(jī)，存在較大的安全隱患。

為了解決以上問(wèn)題，采用了雙線圈脈沖命令型開(kāi)停機(jī)閥來(lái)替代原單線圈保持型的開(kāi)停機(jī)閥。更換開(kāi)停機(jī)閥型號(hào)后必須將以上6個(gè)環(huán)節(jié)的接點(diǎn)全部改為開(kāi)接點(diǎn)并聯(lián)使用。同時(shí)，由于開(kāi)機(jī)需要，需在機(jī)組LCU增加正常開(kāi)機(jī)繼電器?；芈犯脑旌蠼泳€方式見(jiàn)圖4。

圖3 原開(kāi)停機(jī)閥回路示意圖Fig.3 Schematic diagram of the original start-stop valve loop

圖4 改造后開(kāi)停機(jī)電磁閥回路示意圖Fig.4 Schematic diagram of the reformed start-stop solenoid valve loop

3 比例閥誤向“開(kāi)啟”方向打開(kāi)問(wèn)題

3.1 比例閥控制回路及問(wèn)題

調(diào)速器改造后采用兩套冗余的比例閥作為電液轉(zhuǎn)換單元，根據(jù)廠家原設(shè)計(jì)兩套比例閥分別由兩套I/O模板的模擬量輸入/輸出模板(型號(hào)為西門(mén)子SM335)輸出的±10 V信號(hào)進(jìn)行控制，第一套I/O模板的-D360模板模擬量輸出點(diǎn)控制比例閥1，第二套I/O模板的-D460模板模擬量輸出點(diǎn)控制比例閥2，比例閥根據(jù)模板輸出信號(hào)正負(fù)和電壓高低來(lái)驅(qū)動(dòng)比例閥向“開(kāi)啟”方向或“關(guān)閉”方向打開(kāi)。比例閥1的控制回路接線圖見(jiàn)圖5。

在一次試驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)組空轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)模擬量SM335模板故障，比例閥1主用時(shí)將第一套I/O模板的-D360模塊拔下，在等待調(diào)速系統(tǒng)判斷比例閥1控制回路故障切換至比例閥2為主用的過(guò)程中，機(jī)組轉(zhuǎn)速急速上升，后通過(guò)按下機(jī)組緊急停機(jī)按鈕停機(jī)。機(jī)組停機(jī)穩(wěn)態(tài)后發(fā)現(xiàn)比例閥1的開(kāi)度固定在52%，此信號(hào)為比例閥反饋的實(shí)際位置顯示(0～100%，50%為比例閥中位，大于50%為“開(kāi)啟”方向)。在機(jī)組正常運(yùn)行過(guò)程中，比例閥52%的開(kāi)度足以在瞬間將主配壓閥打開(kāi)至最大行程，從而導(dǎo)致水輪機(jī)導(dǎo)葉被迅速打開(kāi)。為排除因拔下-D360模板后其他信號(hào)消失導(dǎo)致比例閥誤打開(kāi)至52%，后續(xù)又進(jìn)行一系列試驗(yàn)檢查發(fā)現(xiàn)，在不拔下任何模板僅僅斷開(kāi)圖5中X70:16端子時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)比例閥1打開(kāi)至52%左右的現(xiàn)象，即在比例閥24VDC電源正常(圖5中A和B端子)，D接線端子不接任何信號(hào)時(shí)(理論上此時(shí)D和E間電壓應(yīng)為0 V)，比例閥并不是按照比例閥功能在控制電壓為0 V時(shí)保持在中間開(kāi)度50%，而是會(huì)固定開(kāi)啟到52%左右，此種情況下如機(jī)組在空轉(zhuǎn)狀態(tài)必定造成機(jī)組過(guò)速，在并網(wǎng)狀態(tài)下則會(huì)造成過(guò)負(fù)荷。比例閥功能示意圖見(jiàn)圖6。

圖5 比例閥1控制回路接線圖Fig.5 Wiring diagram of control loop of proportional valve 1

圖6 比例閥功能示意圖Fig.6 Function diagram of the proportional valve

3.2 問(wèn)題解決

在檢查確定設(shè)備接線正常，排除電磁干擾等各因素，并咨詢比例閥廠家后依然無(wú)法解釋比例閥處于“開(kāi)啟”方向的原因。在無(wú)法更換設(shè)備的情況下，為最大程度上降低風(fēng)險(xiǎn)，采用將兩套I/O模板中另外一塊SM335模板中的模擬量備用輸出點(diǎn)配置為兩套比例閥控制信號(hào)輸出，做交叉冗余，其優(yōu)化后比例閥控制回路示意圖見(jiàn)圖7。

圖7 優(yōu)化后比例閥控制回路示意圖Fig.7 Schematic diagram of the optimized control loop of the proportional valve

經(jīng)開(kāi)機(jī)模擬輸出板卡故障，回路優(yōu)化后可以有效避免在一套輸出模板故障的情況下導(dǎo)致機(jī)組過(guò)速或過(guò)負(fù)荷。

4 功率模式下調(diào)節(jié)品質(zhì)降低問(wèn)題

4.1 功率控制模式

功率控制模式是小浪底機(jī)組并網(wǎng)后主要運(yùn)行方式，在該方式運(yùn)行時(shí)有一次調(diào)頻功能，即(Frequency Influence 功能)，并提供一次調(diào)頻投入時(shí)的命令和響應(yīng)信號(hào)[3]。在該控制方式下采用PI調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)參數(shù)是與導(dǎo)葉開(kāi)度有關(guān)的5組適應(yīng)性參數(shù)，5個(gè)基準(zhǔn)開(kāi)度之間的PI參數(shù)值采用插值計(jì)算得到[4]。由于功率控制方式下沒(méi)有微分環(huán)節(jié)，因此在PI調(diào)節(jié)上疊加了一個(gè)先導(dǎo)函數(shù)，這個(gè)函數(shù)輸出的導(dǎo)葉開(kāi)度與當(dāng)前水頭和功率設(shè)定值有關(guān)。正常調(diào)節(jié)時(shí)，先將導(dǎo)葉粗調(diào)至相應(yīng)位置，然后由PI環(huán)節(jié)進(jìn)行精調(diào)，以便機(jī)組帶負(fù)荷時(shí)的迅速響應(yīng)。

4.2 存在問(wèn)題

在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，由于比例閥自身特性原因，導(dǎo)致機(jī)組功率模式下機(jī)組超調(diào)量大、調(diào)節(jié)后期精調(diào)速度慢。在機(jī)組投入AGC運(yùn)行時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)負(fù)荷超調(diào)，超調(diào)量達(dá)到30～40 MW。

4.3 處理措施

4.3.1 優(yōu)化功率模式下調(diào)節(jié)參數(shù)

在功率控制模式下調(diào)速器調(diào)節(jié)采用PI調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)參數(shù)可以根據(jù)導(dǎo)葉開(kāi)度填寫(xiě)5組適應(yīng)性的參數(shù)，5個(gè)基準(zhǔn)開(kāi)度之間的PI參數(shù)值采用插值計(jì)算得到，原調(diào)速器參數(shù)設(shè)置中5組參數(shù)并未真實(shí)啟用，其整個(gè)調(diào)節(jié)區(qū)間皆使用了Kp=0.35，Ti=4的參數(shù)組合。根據(jù)變負(fù)荷試驗(yàn)曲線對(duì)5組參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化修改，優(yōu)化前后PI參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 優(yōu)化前后PI參數(shù)對(duì)比Tab.1 Comparison of PI parameters before and after optimization

4.3.2 優(yōu)化先導(dǎo)曲線

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原來(lái)根據(jù)模型水輪機(jī)綜合運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線繪制的先導(dǎo)曲線中個(gè)別水頭下的導(dǎo)葉開(kāi)度先導(dǎo)值已與實(shí)際導(dǎo)葉開(kāi)度差別較大，特別是機(jī)組負(fù)荷越高時(shí)差別越大，導(dǎo)致機(jī)組功率模式下調(diào)節(jié)響應(yīng)較慢。1號(hào)機(jī)組120 m水頭下各負(fù)荷下的實(shí)際導(dǎo)葉開(kāi)度值與原先導(dǎo)曲線中120 m設(shè)定導(dǎo)葉開(kāi)度對(duì)比，見(jiàn)表2所示。

針對(duì)這種情況，技術(shù)人員在改造過(guò)程中通過(guò)變負(fù)荷試驗(yàn)、篩選歷史數(shù)據(jù)等方式，收集幾個(gè)特定水頭下不同功率所對(duì)應(yīng)的實(shí)際導(dǎo)葉開(kāi)度值，重新修正先導(dǎo)曲線。根據(jù)變負(fù)荷試驗(yàn)及已收集的數(shù)據(jù)，結(jié)合近年來(lái)機(jī)組運(yùn)行實(shí)際情況，重新優(yōu)化了5組水頭下對(duì)應(yīng)的11個(gè)負(fù)荷點(diǎn)導(dǎo)葉開(kāi)度，用于程序中插值函數(shù)的計(jì)算。新優(yōu)化的11個(gè)負(fù)荷點(diǎn)針對(duì)機(jī)組投入AGC運(yùn)行后負(fù)荷調(diào)整較為頻繁的200～300 MW區(qū)間進(jìn)行了加密處理，將每40 MW一個(gè)負(fù)荷點(diǎn)加密至每20 MW一個(gè)負(fù)荷點(diǎn)，見(jiàn)表3所示。

表2 120 m水頭下導(dǎo)葉開(kāi)度先導(dǎo)曲線與實(shí)際值對(duì)比Tab.2 Comparison of the gate opening of the guide curve and the actual value under the head of 120 meters

表3 優(yōu)化后先導(dǎo)曲線Tab.3 Optimized guide curve

修改后的先導(dǎo)曲線如圖8所示。在采用新收集的數(shù)據(jù)替代了原程序中的先導(dǎo)曲線后，機(jī)組調(diào)整負(fù)荷時(shí)的超調(diào)量基本被限制在10 MW以內(nèi)，調(diào)節(jié)性能得到了較大的改善。

圖8 修改后的導(dǎo)葉開(kāi)度先導(dǎo)曲線Fig.8 Modified guide gate opening curve

5 結(jié) 語(yǔ)

小浪底水電站水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在改造及優(yōu)化過(guò)程中，技術(shù)人員因地制宜，經(jīng)過(guò)詳細(xì)分析研究，采用改變開(kāi)停機(jī)回路節(jié)點(diǎn)連接方式、將比例閥輸入信號(hào)進(jìn)行冗余配置及優(yōu)化功率調(diào)節(jié)模式下調(diào)節(jié)參數(shù)等方法，解決了開(kāi)停機(jī)閥換型后匹配、比例閥誤開(kāi)啟及調(diào)節(jié)品質(zhì)下降等一些問(wèn)題。改造后的調(diào)速系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定性及安全性均達(dá)到了較高的水平，缺陷率明顯降低；在經(jīng)過(guò)優(yōu)化負(fù)荷先導(dǎo)曲線等措施后其動(dòng)態(tài)及靜態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)也有了較大的提升，負(fù)荷超調(diào)量較優(yōu)化前有明顯改善。

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