水電站齒盤測(cè)頻原理分析及優(yōu)化應(yīng)用

盧舟鑫，常中原，池成虎，羅崇洋

(中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司向家壩電廠，四川 宜賓 644612)

某水電站水輪機(jī)為立軸混流式，金屬蝸殼，俯視順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，其右岸地下電站共有4臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組，由天津ALSTOM公司生產(chǎn)，轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)為42，左岸電站發(fā)電機(jī)組由哈電生產(chǎn)，轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)為40。

該水電站機(jī)組自投運(yùn)后，齒盤測(cè)速系統(tǒng)因自身設(shè)計(jì)及安裝原因，測(cè)速信號(hào)多次在機(jī)組低速旋轉(zhuǎn)或停機(jī)情況下出現(xiàn)短時(shí)或持續(xù)性異常跳變現(xiàn)象，該情況對(duì)機(jī)組的可靠運(yùn)行及正常開停機(jī)造成了嚴(yán)重影響。經(jīng)專業(yè)討論，對(duì)齒盤測(cè)頻源程序進(jìn)行邏輯優(yōu)化，優(yōu)化后的齒盤測(cè)頻裝置在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中頻率測(cè)量穩(wěn)定，可靠性較高。

1 齒盤測(cè)頻原理分析

水輪機(jī)調(diào)速器的工作原理：調(diào)速系統(tǒng)接收來自機(jī)端PT或機(jī)組大軸齒盤測(cè)頻信號(hào)以測(cè)量機(jī)組轉(zhuǎn)速，通過與目標(biāo)值比較后得到的轉(zhuǎn)速差值進(jìn)行PID運(yùn)算，其輸出值以控制導(dǎo)葉接力器進(jìn)而達(dá)到控制機(jī)組轉(zhuǎn)速的目的。由此可見，對(duì)于1臺(tái)調(diào)速系統(tǒng)，測(cè)頻回路為一道瓶頸，如果測(cè)頻回路異常或者測(cè)頻精度無法達(dá)到要求，后續(xù)的控制回路將無法正常工作。

1.1 測(cè)頻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理分析

齒盤測(cè)頻裝置由齒盤、測(cè)速探頭、信號(hào)整形板、高速計(jì)數(shù)器等部分組成，齒盤固定在水輪機(jī)大軸上，齒盤上均勻分布凹凸相間的齒，其齒數(shù)即等于發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子的磁極對(duì)數(shù)。齒盤測(cè)頻結(jié)構(gòu)布置圖如圖1所示。

圖1 齒盤測(cè)頻布置圖

如圖2所示，假定被測(cè)機(jī)組頻率為f1，經(jīng)過放大整形和二分頻后得到圖3所示的f3方波信號(hào)，可見，f3為高電平的時(shí)間與其為低電平時(shí)的時(shí)間是相等的，故f3方波信號(hào)的半周期時(shí)間即為被測(cè)頻率信號(hào)f1的周期。

圖2 齒盤測(cè)頻原理框圖

圖3 齒盤測(cè)頻波形圖

如圖3所示，其中N為高頻時(shí)鐘脈沖信號(hào)，其提供一個(gè)穩(wěn)定的高頻振蕩信號(hào)，N和f3信號(hào)相與得到圖3所示的f4信號(hào)，再對(duì)f4信號(hào)用高頻時(shí)鐘脈沖信號(hào)進(jìn)行記數(shù)為Nr，則Nr在數(shù)值上正比于被測(cè)信號(hào)的周期T。因某些高速計(jì)數(shù)器的內(nèi)部高頻時(shí)鐘脈沖頻率不夠高，直接測(cè)量無法滿足測(cè)頻精度，在實(shí)際工程應(yīng)用中，根據(jù)所選控制器的型號(hào)，可采用四分頻甚至八分頻來提高測(cè)頻的精度，但是與此同時(shí)也會(huì)影響測(cè)頻的即時(shí)性[1]。

某水電站調(diào)速器控制器選用的是貝加萊生產(chǎn)的PCC2005系列，轉(zhuǎn)速裝置選用的是貝加萊生產(chǎn)的PCC2003系列，由于其搭配的高速計(jì)數(shù)模塊DM455的內(nèi)部脈沖頻率高于其他廠家的PLC，因此在處理原始波形信號(hào)時(shí)不需要進(jìn)行分頻處理，即可以滿足測(cè)頻的高精度要求，同時(shí)也保證了測(cè)頻的即時(shí)性。

1.2 測(cè)頻濾波功能原理分析

為了獲取更加準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，需對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，齒盤測(cè)頻濾波一般采用平均值法進(jìn)行頻率計(jì)算。將收到的脈沖數(shù)值分別儲(chǔ)存至一個(gè)長(zhǎng)度為n的數(shù)組R中：

R=[a1,a2,a3,…,an]

其中，an為脈沖數(shù)。

然后求其平均值：

F′=(a1+a2+a3+…+an)/n

其中，F(xiàn)′即為有效脈沖數(shù)，最后再根據(jù)脈沖間隔時(shí)間計(jì)算出頻率F。

1.3 測(cè)頻方法介紹及原理分析

頻率測(cè)量一般采用測(cè)周法或測(cè)頻法，即通過測(cè)量轉(zhuǎn)速傳感器所發(fā)出的脈沖信號(hào)頻率或者周期，來獲得被測(cè)轉(zhuǎn)速值。測(cè)頻法的原理是在固定時(shí)間內(nèi)，對(duì)傳感器發(fā)出的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，顯然，對(duì)于額定頻率為50 Hz的水輪發(fā)電機(jī)組的頻率來說，用這種方法是不合適的，它只適合于測(cè)量處于高頻段的頻率信號(hào)。因此，目前水輪機(jī)齒盤測(cè)頻大多采用測(cè)周法進(jìn)行測(cè)量[2]。

測(cè)周法的基本原理為：在n(n≥1)個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)周期Tn內(nèi)對(duì)具有恒定頻率f0(周期為T0)的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，然后轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)周期Tn再由高速計(jì)數(shù)模塊實(shí)測(cè)的計(jì)數(shù)結(jié)果N1計(jì)算得出：

其中：N1為高速計(jì)數(shù)模塊實(shí)測(cè)的轉(zhuǎn)速脈沖的個(gè)數(shù)；N2為機(jī)頻50 Hz時(shí)其轉(zhuǎn)速脈沖的個(gè)數(shù)。被測(cè)轉(zhuǎn)速值再由Tn值進(jìn)行簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換而得出。

2 故障分析及優(yōu)化方法應(yīng)用

2.1 故障原因分析

基于某大型水電站為例，因齒盤測(cè)頻裝置自身設(shè)計(jì)及安裝原因，測(cè)速信號(hào)多次在機(jī)組低速旋轉(zhuǎn)或停機(jī)狀況下出現(xiàn)短時(shí)或持續(xù)性異常跳變現(xiàn)象。其現(xiàn)象表述如下：

1)某機(jī)組檢修期間，發(fā)現(xiàn)調(diào)速器處于停機(jī)備用態(tài)B套主用時(shí)，B套1號(hào)齒盤測(cè)速探頭采集轉(zhuǎn)速為80～100 Hz，監(jiān)控畫面顯示調(diào)速器轉(zhuǎn)速值為200%。其轉(zhuǎn)速測(cè)量波形如圖4所示；

2)某臺(tái)機(jī)組兩次自動(dòng)開機(jī)過程中PCC轉(zhuǎn)速出現(xiàn)異常跳變，開機(jī)至空載期間轉(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%；

3)某機(jī)組進(jìn)入零轉(zhuǎn)速后，齒盤探頭與大軸齒盤的突出齒形成部分感應(yīng)，導(dǎo)致測(cè)得頻率無規(guī)律跳變，此時(shí)調(diào)速器B套主用且已進(jìn)入停機(jī)備用態(tài)，屏蔽所有頻率故障，調(diào)速器將B套齒盤1測(cè)得的跳變信號(hào)直接送給監(jiān)控系統(tǒng)，未對(duì)所測(cè)信號(hào)進(jìn)行變化速率限制。

圖4 停機(jī)備用態(tài)下機(jī)組轉(zhuǎn)速錄波圖

目前，該水電站調(diào)速器A、B機(jī)分別配置三路轉(zhuǎn)速測(cè)量通道，分別為齒盤1、齒盤2及機(jī)組殘壓測(cè)頻，三路通道均為實(shí)時(shí)測(cè)頻。在機(jī)組開機(jī)過程中，優(yōu)先使用齒盤測(cè)頻，兩路齒盤測(cè)頻互為備用，若雙套齒盤測(cè)頻故障則使用殘壓測(cè)頻。機(jī)組處于空載及負(fù)載態(tài)時(shí)，優(yōu)先使用殘壓測(cè)頻，當(dāng)殘壓測(cè)頻故障時(shí)，立即切換至齒盤測(cè)頻，同樣的，兩路齒盤測(cè)頻互為備用。機(jī)組處于停機(jī)備用狀態(tài)時(shí)，三路測(cè)頻通道均強(qiáng)制置零。

由上述故障現(xiàn)象，經(jīng)研究分析后，判定齒盤測(cè)頻異常故障原因歸結(jié)為兩點(diǎn)：其一為齒盤測(cè)速硬件設(shè)計(jì)原因。因該水電站右岸測(cè)速齒盤加工精度不高進(jìn)而造成傳感器探頭感應(yīng)距離不等而引起測(cè)速存在偏差甚至造成丟齒情況；另外，因右岸測(cè)速探頭測(cè)量范圍較廣，感應(yīng)臨界狀態(tài)范圍偏大，易受感應(yīng)距離及電磁干擾影響，引起測(cè)頻信號(hào)跳變。其二為轉(zhuǎn)速處理邏輯不完善。由于PT信號(hào)在低速下不能穩(wěn)定檢測(cè)，若齒盤信號(hào)在開停機(jī)過程中發(fā)生跳變，將影響調(diào)速器對(duì)轉(zhuǎn)速的判斷及輸出，導(dǎo)致機(jī)組的控制異常。

2.2 程序優(yōu)化方法

1)機(jī)組停機(jī)備用態(tài)下轉(zhuǎn)速異常跳變處理。原程序邏輯設(shè)計(jì)中在機(jī)組停機(jī)后無頻率輸出閉鎖功能，即通過程序優(yōu)化，使得進(jìn)入停機(jī)態(tài)后轉(zhuǎn)速頻率不輸出，只有在非停機(jī)態(tài)下，頻率信號(hào)通道才能正常輸出。

2)齒盤測(cè)速通道故障判斷功能修改?；跈C(jī)組空載轉(zhuǎn)速異常跳變的現(xiàn)象，因頻率采樣通道存在濾波功能，導(dǎo)致加入故障跳變及越限判斷功能模塊時(shí)，控制器不能判斷其跳變故障。為完善其故障判斷功能，現(xiàn)加入三選二表決算法，以提高在三通道都無故障報(bào)警的情況下，進(jìn)而避免因某一通道異常而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速誤動(dòng)的情況。

3)上送監(jiān)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)速信號(hào)爬坡處理。由于PT、齒盤1、齒盤2測(cè)頻信號(hào)只做了跳變檢測(cè)，未做變化速度限制，導(dǎo)致轉(zhuǎn)速發(fā)生小于5Hz(跳變閾值)的跳變時(shí)，跳變后的測(cè)頻信號(hào)仍會(huì)作為控制信號(hào)，其測(cè)得的跳變信號(hào)直接送給監(jiān)控系統(tǒng)參與控制。通過對(duì)PT殘壓測(cè)頻、齒盤1和齒盤2三路測(cè)頻通道的故障判斷處理模塊的出口增加速率限制，直接在測(cè)頻源頭抑制轉(zhuǎn)速跳變。其斜坡處理程序邏輯優(yōu)化如圖5所示。

圖5 頻率信號(hào)斜坡處理程序邏輯

2.3 硬件結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

2.3.1 齒盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于某大型水電站為例，在機(jī)組開機(jī)時(shí)，優(yōu)先使用齒盤測(cè)頻，該齒盤固定在水輪機(jī)大軸上，齒盤上均勻分布著凹凸相間的齒，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 測(cè)速齒盤結(jié)構(gòu)圖

該齒盤由鋼帶組成，環(huán)扣于機(jī)組大軸上，鋼帶上布置著與轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)相等的矩形孔，當(dāng)測(cè)速探頭正對(duì)于非矩形孔時(shí)，探頭燈亮，當(dāng)測(cè)速探頭正對(duì)于矩形孔時(shí)，探頭燈滅。機(jī)組測(cè)頻所用的齒盤探頭其有效測(cè)量距離約為5 mm，但在實(shí)際使用過程中其有效測(cè)量距離僅為3±1 mm左右。一方面由于測(cè)速探頭有效測(cè)量距離的限制，其安裝位置必須十分接近齒帶本體，另一方面則受限于鋼帶本身加工工藝的影響，因鋼帶本身厚度太薄且不同大軸區(qū)域部分鋼帶厚度不一，造成測(cè)速探頭安裝位置距離又無法縮小。因兩方面因素矛盾影響，致使探頭安裝距離偏大，進(jìn)而導(dǎo)致測(cè)量精度不夠，進(jìn)而產(chǎn)生“丟齒”的現(xiàn)象。

基于上述原因，需對(duì)測(cè)速齒盤進(jìn)行結(jié)構(gòu)性改造，將原齒帶結(jié)構(gòu)更換為高精度線切割齒盤，保證齒盤具有有效的高度和寬度進(jìn)而滿足規(guī)程規(guī)范《水電廠自動(dòng)化元件基本技術(shù)條件》(DL/T1107-2009)中關(guān)于對(duì)齒的寬度和高度大于20 mm的要求[3]。

2.3.2 測(cè)速探頭及支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

因原測(cè)速探頭測(cè)量范圍區(qū)間較大，易受附近環(huán)境干擾，進(jìn)而導(dǎo)致探頭測(cè)量值在齒盤臨界位置，測(cè)量信號(hào)會(huì)產(chǎn)生持續(xù)跳變。

基于上述原因，將某水電站齒盤測(cè)速探頭由科瑞DW-AD-511-M12 ，更換為易福門IFB3007-ANKG/M/V4A/US。由機(jī)組后續(xù)運(yùn)行情況來看，更換后的探頭檢測(cè)范圍較為集中，臨界區(qū)域較小，抗干擾能力較強(qiáng)，測(cè)頻信號(hào)較穩(wěn)定。

以某水電站為例，由圖6所示，該齒盤測(cè)速探頭所用的支撐支架由一塊長(zhǎng)方體扁鐵和一塊弧形扁鐵焊接而成，長(zhǎng)方體支撐直接焊接于水導(dǎo)油槽蓋板上，其扁鐵剛度均不強(qiáng)。在機(jī)組振動(dòng)區(qū)間內(nèi)，可以發(fā)現(xiàn)支撐支架會(huì)產(chǎn)生輕微的晃動(dòng)，該晃動(dòng)會(huì)造成測(cè)量精度發(fā)生偏移，進(jìn)而導(dǎo)致頻率跳變[4]。

基于上述原因，支架的結(jié)構(gòu)可采用3點(diǎn)支撐，并在3個(gè)支撐支架再加上一個(gè)三角構(gòu)架，并通過增加鋼支架的剛性強(qiáng)度以保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，進(jìn)而能夠解決振動(dòng)傳導(dǎo)問題，且支架固定在水車室旁鋼筋護(hù)架上，從而避免因機(jī)組本體振動(dòng)而導(dǎo)致的支架擺動(dòng)現(xiàn)象。

3 結(jié) 語

隨著水電機(jī)組單機(jī)容量的逐步增大，相應(yīng)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求更加嚴(yán)格。本文針對(duì)某大型水電站水輪發(fā)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中存在的轉(zhuǎn)速信號(hào)跳變問題，從測(cè)頻原理出發(fā)，經(jīng)故障原因描述、程序優(yōu)化、硬件結(jié)構(gòu)優(yōu)化三個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)討論，通過相應(yīng)改造措施，達(dá)到了預(yù)期的效果，確保了水輪機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，并對(duì)仍存在的問題做了進(jìn)一步探討。希望本文對(duì)水電站調(diào)速器相關(guān)專業(yè)的維護(hù)人員具有一定的借鑒意義。