基于冗余方式的水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的可靠性提升

凌勝軍

(國(guó)投甘肅小三峽發(fā)電有限公司，甘肅 蘭州 730050)

0 引言

水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)主要功能包括：自動(dòng)調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速，使其保持在額定轉(zhuǎn)速允許偏差內(nèi)運(yùn)轉(zhuǎn)，滿足電網(wǎng)對(duì)頻率質(zhì)量的要求；使水輪發(fā)電機(jī)組自動(dòng)或手動(dòng)快速啟動(dòng)，適應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷的增減、正常停機(jī)、緊急停機(jī)的需要；水輪發(fā)電機(jī)組在電力系統(tǒng)中并列運(yùn)行時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)能自動(dòng)承擔(dān)預(yù)定的負(fù)荷分配，使各機(jī)組能實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；滿足轉(zhuǎn)槳式、沖擊式水輪發(fā)電機(jī)雙重協(xié)聯(lián)關(guān)系調(diào)節(jié)的需要；滿足電網(wǎng)對(duì)水電站自動(dòng)增益控制(automatic gain control,AGC)、一次調(diào)頻等調(diào)節(jié)控制要求。調(diào)速系統(tǒng)與水輪發(fā)電機(jī)調(diào)節(jié)品質(zhì)息息相關(guān)，關(guān)系到電網(wǎng)的供電質(zhì)量及電網(wǎng)安全，很多水電站采用“無(wú)人值班(少人值守)”的運(yùn)行方式，提高了對(duì)水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的可靠性要求。冗余配置是進(jìn)行相同的重復(fù)配置或在功能上實(shí)現(xiàn)相同的目的而增加的配置，依靠冗余配置是提高調(diào)速系統(tǒng)可靠性的重要方式。冗余方式下，當(dāng)一套設(shè)備故障時(shí)可切至另一套設(shè)備，不影響系統(tǒng)整體的運(yùn)行。對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的重要設(shè)備、裝置、元件等各類部件設(shè)備進(jìn)行兩套或兩套以上的配置，一套部件故障后切換至另一套運(yùn)行，包括調(diào)速系統(tǒng)電源、電液轉(zhuǎn)換、控制器、頻率信號(hào)、開度反饋信號(hào)、壓力油源。采用冗余方式提高水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的可靠性，部分冗余方式已廣泛應(yīng)用在水電站已[1-7]，調(diào)速系統(tǒng)主配壓閥這種大功率元件的冗余也有少量的應(yīng)用與研究。

1 電源冗余的可靠性

調(diào)速系統(tǒng)的電源消失將造成非常大的影響和損失。根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)電源消失時(shí)，應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)“失電關(guān)閉”、“失電動(dòng)作”、“失電停機(jī)”等功能，即當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)控制電源消失時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)動(dòng)作關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu)。當(dāng)機(jī)組處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)因電源消失關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，會(huì)對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)影響；同時(shí)，水輪發(fā)電機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)關(guān)閉而機(jī)組的出口斷路器處于合閘狀態(tài)，會(huì)造成機(jī)組調(diào)相運(yùn)行。調(diào)相運(yùn)行可能造成發(fā)電機(jī)損壞或電力系統(tǒng)不穩(wěn)定，調(diào)速系統(tǒng)電源消失時(shí)向機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)或保護(hù)設(shè)備發(fā)出信號(hào)作用于分開機(jī)組出口斷路器，也易造成發(fā)電機(jī)過(guò)速的情況。因此，一定容量的水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的電源采用冗余方式。電源由一路交流、一路直流或兩路直流電源組成。水電站的直流電源一般由整流設(shè)備或蓄電池組輸出。整流設(shè)備或蓄電池組同時(shí)由多路提供，交流電源通常也取自不同回路，電站提供給調(diào)速系統(tǒng)的交直流電源較為可靠，較少發(fā)生電源同時(shí)消失的情況。調(diào)速系統(tǒng)電源消失一般是由系統(tǒng)內(nèi)部短路、接地等故障引起的，應(yīng)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)內(nèi)部電源設(shè)備的設(shè)計(jì)、安裝、接線等引起重視。在電源設(shè)計(jì)中，采用接地、濾波、屏蔽、電路、分布式隔離等技術(shù)，以提高調(diào)速系統(tǒng)供電電源的可靠性。

正常情況下，由一路交流和一路直流組成的兩套電源整流器中的高頻整流模塊并列運(yùn)行。當(dāng)其中任一路發(fā)生事故，或某一路電源故障、檢修退出運(yùn)行時(shí)。另一組整流器可單獨(dú)運(yùn)行。通過(guò)冗余方式配置調(diào)速系統(tǒng)的電源，互為熱備用、無(wú)擾切換，任一路電源消失均不會(huì)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)產(chǎn)生影響，提高電源的可靠性。

調(diào)速系統(tǒng)交直流冗余電源供電原理如圖1所示。

圖1 調(diào)速系統(tǒng)交直流冗余電源供電原理圖Fig.1 Schematic diagram of AC/DC redundant power supply for governing system

2 電液轉(zhuǎn)換冗余的可靠性

電液轉(zhuǎn)換是將輸出的綜合電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換成具有一定操作力和位移量的機(jī)械位移信號(hào)或一定壓力的流量信號(hào)。機(jī)械位移信號(hào)或流量信號(hào)最終作用于接力器、導(dǎo)葉、槳葉，應(yīng)用較多的電液轉(zhuǎn)換有伺服比例閥、步進(jìn)電機(jī)、數(shù)字閥等，各有其優(yōu)缺點(diǎn)。以伺服比例閥的電液轉(zhuǎn)換冗余方式為例。伺服比例閥是將輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為流量輸出信號(hào)的電磁閥，其結(jié)合了伺服閥和比例閥的優(yōu)點(diǎn)，既有伺服閥的高精度和高響應(yīng)性，又有比例閥的電磁操作力大、抗油污能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。伺服比例閥也存在控制器模擬電路產(chǎn)生的溫飄和零飄，使得控制系統(tǒng)易受溫度變化的影響；本身的非線性因素如死區(qū)、滯環(huán)等難以實(shí)現(xiàn)徹底補(bǔ)償；但其整體性能仍然較為優(yōu)良，在各種類型的水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。

伺服比例閥1和伺服比例閥2并列運(yùn)行，壓力油同時(shí)輸入這兩個(gè)伺服比例閥，兩個(gè)伺服比例閥的輸出至冗余伺服比例閥切換閥。冗余方式中，一套伺服比例閥為主用，另一套伺服比例閥為備用。主用具備實(shí)際輸出功能，備用不進(jìn)行實(shí)際輸出。通過(guò)檢測(cè)主用一套的伺服比例閥電液轉(zhuǎn)換控制輸入與導(dǎo)葉接力器位移、主配壓閥位移的變化、大小及方向，來(lái)判斷這套伺服比例電液轉(zhuǎn)換是否正常。當(dāng)檢測(cè)到當(dāng)前主用的伺服比例電液轉(zhuǎn)換故障時(shí)，將另一套備用伺服比例電液轉(zhuǎn)換器切為主用，切換時(shí)接力器的位移≤1%；同時(shí)冗余伺服比例閥切換閥動(dòng)作，油路也切換至備用的伺服比例閥電液轉(zhuǎn)換。電液轉(zhuǎn)換是調(diào)速系統(tǒng)的重要部件，也是故障率較高的部件。通過(guò)伺服比例閥或其他電液轉(zhuǎn)換元件的冗余方式，可提高調(diào)速系統(tǒng)電液轉(zhuǎn)換的可靠性。

伺服比例閥電液轉(zhuǎn)換冗余結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 伺服比例閥電液轉(zhuǎn)換冗余結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Redundancy structure diagram of electro-hydraulic converter for proportional servo valve

3 控制器冗余的可靠性

水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)控制器是調(diào)速系統(tǒng)的核心部件，完成調(diào)速系統(tǒng)的信號(hào)采集、數(shù)據(jù)運(yùn)算、控制值輸出及其他附加功能。可編程邏輯控制器(programmable logic controller,PLC)、可編程計(jì)算機(jī)控制器(programmable computer controller,PCC)因性能優(yōu)秀、可靠性高等特點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用，尤其是PCC具有較強(qiáng)的測(cè)頻精度、多任務(wù)功能。

控制器的冗余配置為熱備方式，正常時(shí)一臺(tái)控制器為主用控制器，另一臺(tái)為備用控制器。只有主用控制器具有控制權(quán)。主用控制器進(jìn)行實(shí)際控制輸出，每臺(tái)控制器對(duì)自己的模塊和元件進(jìn)行檢測(cè)，兩臺(tái)控制器通過(guò)通信或電路進(jìn)行主用、備用的切換并實(shí)時(shí)檢測(cè)對(duì)方的狀態(tài)。當(dāng)備用控制器檢測(cè)到主用控制器或元件故障時(shí)，備用控制器切為主用，即擁有控制權(quán)，冗余控制器切換引起接力器的變化應(yīng)≤1%。這樣，通過(guò)控制器的冗余配置，可大幅提高調(diào)速系統(tǒng)的可靠性。

4 信號(hào)冗余的可靠性

水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)接入信號(hào)眾多，包括水頭、機(jī)組斷路器、導(dǎo)葉與槳葉的開度信號(hào)、頻率信號(hào)等，其中頻率和開度信號(hào)更為重要。調(diào)速系統(tǒng)主要以頻率和開度信號(hào)實(shí)現(xiàn)和判斷開機(jī)、停機(jī)、調(diào)節(jié)等功能，對(duì)頻率和開度信號(hào)的可靠性提出了更高的要求。

4.1 頻率信號(hào)冗余可靠性

新機(jī)組首次啟動(dòng)、大修后的首次開機(jī)或長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)的機(jī)組開機(jī)這幾種情況，TV測(cè)頻可能不可靠，就需要使用齒盤測(cè)頻。當(dāng)機(jī)組與電網(wǎng)失步，齒盤測(cè)頻也比較可靠；齒盤測(cè)頻不受檢修、停機(jī)的影響，但要求有較好的制造、安裝精度及傳感器的準(zhǔn)確性?；谡{(diào)速系統(tǒng)測(cè)頻的重要性[8-17]，為提高測(cè)頻的可靠性，通常采用冗余測(cè)頻的方式，即一路TV測(cè)頻、一路齒盤測(cè)頻或者二路TV測(cè)頻、二路齒盤測(cè)頻。TV測(cè)頻方式簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟，正常情況下可作為主用測(cè)頻方式。齒盤測(cè)頻不受殘壓的限制，也具有較高的可靠性，具備零轉(zhuǎn)速檢測(cè)功能，可作為備用測(cè)頻方式。實(shí)際應(yīng)用中，在新機(jī)組啟動(dòng)、大修開機(jī)、長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)這幾種情況下，采用齒盤測(cè)頻方式，其他的使用情況采用TV測(cè)頻。機(jī)組正常開機(jī)時(shí)，在勵(lì)磁投入前采用齒盤測(cè)頻方式，勵(lì)磁投入后殘壓較高，測(cè)頻較準(zhǔn)確時(shí)采用TV測(cè)頻方式，通過(guò)冗余測(cè)頻的方式提高調(diào)速系統(tǒng)測(cè)頻的可靠性。

4.2 開度信號(hào)冗余可靠性

開度信號(hào)即水輪發(fā)電機(jī)導(dǎo)葉[18-22]、槳葉接力器的位移量，是調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)作執(zhí)行情況的依據(jù)，也是調(diào)速系統(tǒng)控制調(diào)節(jié)的體現(xiàn)和反饋，在調(diào)速系統(tǒng)的故障中占有較高的比例。為提高開度信號(hào)的可靠性，在大中型水電站較多采用冗余方式的開度信號(hào)，調(diào)速系統(tǒng)開度信號(hào)冗余中導(dǎo)葉、槳葉分別配置兩個(gè)或兩個(gè)以上性能參數(shù)完全相同的傳感器，安裝位置、安裝方式也應(yīng)一致，保證傳感器輸出的一致性。實(shí)際應(yīng)用中，將一個(gè)開度傳感器作為主用，另一個(gè)作為備用，并以主用作為導(dǎo)葉、槳葉位移的判斷依據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到主用傳感器故障時(shí)，將備用傳感器作為主用，或者將兩個(gè)及兩個(gè)以上的傳感器綜合計(jì)算作為導(dǎo)葉、槳葉位移的判斷依據(jù)。當(dāng)檢測(cè)到某一個(gè)傳感器故障，則不再將此故障傳感器作為開度綜合計(jì)算的判斷依據(jù)。這樣，通過(guò)冗余配置傳感器的方式，可提高開度信號(hào)的可靠性。

5 壓力油源冗余的可靠性

壓力油源向調(diào)速系統(tǒng)提供穩(wěn)定的操作介質(zhì)?？紤]到調(diào)速系統(tǒng)在水輪發(fā)電機(jī)中的重要性，也會(huì)對(duì)壓力油源作冗余方式設(shè)計(jì)。當(dāng)系統(tǒng)的壓力油源消失，水輪發(fā)電機(jī)即處于失控的情況，尤其是壓力油源快速消失時(shí)，對(duì)機(jī)組是極為危險(xiǎn)的。因此，應(yīng)保證調(diào)速系統(tǒng)正常一路油源消失時(shí)能夠有穩(wěn)定、可靠的冗余備用油源或事故油源接入調(diào)速系統(tǒng)，保證機(jī)組的正常停機(jī)或短時(shí)間的調(diào)節(jié)運(yùn)行。壓力油源的冗余一般只是功能上實(shí)現(xiàn)的冗余，冗余油源的容量、配置與正常的壓力油源不同。冗余油源根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)容量、所在電網(wǎng)的重要性等不同而配置，大容量的一臺(tái)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)配置一套冗余油源； 部分機(jī)組由兩臺(tái)機(jī)組配置一套冗余油源，即兩臺(tái)機(jī)組合用的冗余油源；也有全廠所有機(jī)組配置一套冗余油源。壓力油源正常時(shí)作為調(diào)速系統(tǒng)的操作介質(zhì)，冗余油源在正常壓力油源消失時(shí)作為操作介質(zhì)，當(dāng)檢測(cè)到正常一路的油源壓力較低時(shí)立即投入冗余的壓力油源，并將原正常的壓力油源從調(diào)速系統(tǒng)切除，通過(guò)冗余油源提供調(diào)速系統(tǒng)操作介質(zhì)的可靠性。

6 主配壓閥冗余的可靠性

主配壓閥作為最后一級(jí)流量放大，由液壓或行程來(lái)控制。閥芯上下二腔為主控制腔，分別與主接力器開啟腔和關(guān)閉腔相連接，直接作用于接力器，帶動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)導(dǎo)葉和槳葉的開啟或關(guān)閉。閥芯中間腔為主配壓閥操作油輸入腔，與壓油裝置出口管路相連接。作為大功率元件，主配壓閥可靠性較高，一般不太容易卡阻，冗余也較為困難，為保證機(jī)組安全，可通過(guò)事故配壓閥或機(jī)組快速閘門實(shí)現(xiàn)可靠停機(jī)。一般使用中經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間主配壓閥有磨損的情況，可考慮整體更換。

7 結(jié)論

冗余即重復(fù)配置系統(tǒng)的一些部件、設(shè)備。當(dāng)這些部件或設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，冗余方式配置的設(shè)備能夠介入并承擔(dān)工作，減少故障時(shí)間。根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的重要性和調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的故障情況，在供電電源、控制器、電液轉(zhuǎn)換、測(cè)頻信號(hào)、開度信號(hào)方面有必要采用冗余配置的方式。壓力油源可根據(jù)機(jī)組容量、重要性作冗余配置，在巨型水電站還應(yīng)采用更多的冗余方式，如電源、電液轉(zhuǎn)換、開度信號(hào)等使用兩個(gè)及兩個(gè)以上的冗余方式，或?qū)ζ渌{(diào)速系統(tǒng)的設(shè)備采用冗余方式，以提高調(diào)速系統(tǒng)的可靠性，以及水輪發(fā)電機(jī)組的可靠性。