抽水蓄能電站調(diào)速器系統(tǒng)重點(diǎn)問(wèn)題分析

陳 新，陳啟宏，梁 力

(江蘇國(guó)信溧陽(yáng)抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇溧陽(yáng) 213334)

0 引言

溧陽(yáng)抽水蓄能電站裝有6臺(tái)單機(jī)容量為250 MW的混流可逆式水泵水輪機(jī)-發(fā)電電動(dòng)機(jī)機(jī)組。溧陽(yáng)抽水蓄能電站調(diào)速器系統(tǒng)目前存在的典型問(wèn)題主要有兩個(gè)。第一，導(dǎo)葉位移傳感器的滑環(huán)拉桿部分，與接力器活塞桿上的固定支架孔高度不一致。連接桿較短，導(dǎo)致傳感器滑環(huán)接頭在機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生震動(dòng)時(shí)受力，存在接頭斷裂的風(fēng)險(xiǎn)?；h(huán)接頭曾在機(jī)組啟機(jī)時(shí)發(fā)生斷裂，導(dǎo)致導(dǎo)葉位移反饋失效，致使機(jī)組過(guò)速。第二，調(diào)速器系統(tǒng)在發(fā)電過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)因水頭測(cè)值不準(zhǔn)確，致導(dǎo)葉開(kāi)度達(dá)到水頭對(duì)應(yīng)開(kāi)限值，但未達(dá)空載開(kāi)度值，造成同期過(guò)程中機(jī)組轉(zhuǎn)速升不到額定轉(zhuǎn)速，開(kāi)機(jī)并網(wǎng)失敗。

1 問(wèn)題簡(jiǎn)述

1.1 導(dǎo)葉位移傳感器概述及缺陷分析

導(dǎo)葉位移傳感器安裝于調(diào)速器導(dǎo)葉接力器上，作為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量元件實(shí)時(shí)反饋接力器行程至SPC中，用以控制導(dǎo)葉開(kāi)度，調(diào)整機(jī)組出力?，F(xiàn)場(chǎng)共有兩種導(dǎo)葉位移傳感器：品牌型號(hào)為MTS RPS0450MD601A01的調(diào)速器用傳感器和品牌型號(hào)為西安江河X(jué)AJH-MSL的監(jiān)控用傳感器。兩種導(dǎo)葉位移傳感器分別安裝于控制環(huán)兩接力器上，將接力器行程分別送到調(diào)速器電氣柜和LCU柜中。調(diào)速器用導(dǎo)葉位移傳感器為雙通道冗余設(shè)計(jì)，當(dāng)主用通道出現(xiàn)斷線(xiàn)等開(kāi)度信號(hào)丟失時(shí)可自動(dòng)無(wú)擾切換至備用通道。導(dǎo)葉位移傳感器通過(guò)滑環(huán)磁鐵在軌道上的移動(dòng)距離，測(cè)量接力器行程。經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用或震動(dòng)較大時(shí)，滑環(huán)磁鐵有可能出現(xiàn)破裂并與接力器支架分離，無(wú)法反饋接力器行程。此時(shí)，滑環(huán)磁鐵仍停留于軌道上，主要通道未出現(xiàn)斷線(xiàn)故無(wú)法自動(dòng)切換到備用通道上。由于開(kāi)度無(wú)變化，SPC將持續(xù)增加或減小導(dǎo)葉開(kāi)度，造成機(jī)組過(guò)速或因出力驟降而與電網(wǎng)解列。企業(yè)曾因該缺陷發(fā)生兩次機(jī)組過(guò)速事故，短時(shí)間內(nèi)最大轉(zhuǎn)速超過(guò)130%Ne，觸發(fā)機(jī)組電氣過(guò)速保護(hù)和機(jī)械過(guò)速保護(hù)動(dòng)作。

1.2 水頭傳感器工作原理及缺陷分析

我廠使用的是賽爾瑟斯V10型智能水頭傳感器，這是一種以微處理器為基礎(chǔ)的為過(guò)程控制設(shè)計(jì)的兩線(xiàn)制智能型水頭傳感器。V10型智能水頭傳感器適用于不同測(cè)量范圍及各種復(fù)雜的工況環(huán)境，輸入輸出信號(hào)具有超強(qiáng)的抗電磁、抗射頻干擾能力。V10是一種帶微處理器的多傳感現(xiàn)場(chǎng)通信裝置，雙向通信時(shí)，按照HART協(xié)議將移頻鍵控信號(hào)(SFK)加載到4～20 mA輸出信號(hào)上。根據(jù)相應(yīng)的通信協(xié)議，管理軟件V10F-EA允許用PC機(jī)對(duì)變送器進(jìn)行組態(tài)、掃描和測(cè)試，也可用手操器與設(shè)備通信，也可以使用儀表本身的液晶按鍵進(jìn)行調(diào)整。

該水頭傳感器從流道中取源，流道水源壓力通過(guò)兩側(cè)或一側(cè)的隔離膜片、灌充液傳至中心室的中心測(cè)量膜片。中心膜片是一個(gè)張緊的彈性元件，它對(duì)于作用在其上的兩側(cè)壓力差產(chǎn)生相應(yīng)變形位移，其位移與差壓成正比，位移約0.1 mm，這種位移轉(zhuǎn)變?cè)陔娙輼O板上形成差動(dòng)電容，由電子線(xiàn)路把差動(dòng)電容轉(zhuǎn)換成二線(xiàn)制的4～20 mA DC信號(hào)輸出。并將該信號(hào)送達(dá)至調(diào)速器的電氣柜中，計(jì)算出相應(yīng)的水頭值。

該過(guò)程主要應(yīng)用液體核定流能量方程：總水頭H=z+p/r+u×u/2g，設(shè)壓差為P，全部轉(zhuǎn)化為動(dòng)能水頭，則p/r=u×u/2g，所以u(píng)×u=2gp/r，式中：u為流速；u×u為流速的平方；g為重力加速度；r為液體的容重。理想狀態(tài)下，流速與管徑無(wú)關(guān)，流量等于流速乘管截面積。

關(guān)于水頭傳感器缺陷，分析如下[1]：機(jī)組并網(wǎng)后，導(dǎo)葉異常擺動(dòng)、關(guān)閉(或?qū)~持續(xù)保持空載開(kāi)度)或打開(kāi)較慢，可能會(huì)造成短時(shí)逆功率。在此過(guò)程中水頭傳感器的測(cè)量值直接影響了導(dǎo)葉的開(kāi)度，水頭傳感器測(cè)值異?？赡苁侵苯佑绊懸蛩?。在此過(guò)程中，電網(wǎng)頻率偏高，同期機(jī)組頻率低，導(dǎo)葉開(kāi)度無(wú)法維持機(jī)組額定轉(zhuǎn)速，機(jī)組需要吸收部分有功來(lái)維持50 Hz的頻率[2]。發(fā)電機(jī)運(yùn)行維持額定轉(zhuǎn)速，會(huì)向系統(tǒng)吸收功率。同期瞬間導(dǎo)葉開(kāi)度小于設(shè)定開(kāi)度，導(dǎo)致機(jī)組吸收負(fù)荷，可能出現(xiàn)逆功率現(xiàn)象。同期并網(wǎng)時(shí)間較短，轉(zhuǎn)速慣性上升后，導(dǎo)葉開(kāi)度回調(diào)過(guò)快，導(dǎo)致機(jī)組吸收負(fù)荷保持額定轉(zhuǎn)速。發(fā)電機(jī)失磁引發(fā)振蕩，造成功率變化，可能吸收有功出現(xiàn)逆功率現(xiàn)象。

2 處理方案

2.1 導(dǎo)葉位移傳感器及信號(hào)改造

針對(duì)企業(yè)導(dǎo)葉位移傳感器存在的缺陷，通過(guò)分析、討論，制定出導(dǎo)葉位移傳感器機(jī)械改造方案并已在全部6臺(tái)機(jī)組上實(shí)施改造。改動(dòng)內(nèi)容如下：將接力器活塞桿固定支架原有突出部分切除并重新焊接鋼板。在與兩傳感器軌道齊平處上方約1 cm處開(kāi)兩孔徑為5 mm的圓孔。將拉桿球頭的一端用螺母固定到支架上，另一端連接到一約16 cm長(zhǎng)的延長(zhǎng)桿上，再將延長(zhǎng)桿的另一端接到滑環(huán)磁鐵上。該改造實(shí)質(zhì)上是增加了滑環(huán)到固定支架的距離，改善了滑環(huán)及其球頭的受力情況，增加了滑環(huán)在震動(dòng)時(shí)的可擺動(dòng)幅度，最大程度降低了接頭斷裂的風(fēng)險(xiǎn)，保證機(jī)組可靠運(yùn)行。同時(shí)，在改造完成后，為避免電氣控制精度因機(jī)械改造發(fā)生變化，將導(dǎo)葉全開(kāi)、全關(guān)行程重新進(jìn)行電氣標(biāo)定，并進(jìn)行了調(diào)速器靜特性試驗(yàn)，驗(yàn)證導(dǎo)葉控制精度的準(zhǔn)確性均達(dá)到調(diào)節(jié)要求，滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《水輪機(jī)調(diào)速器與油壓裝置技術(shù)條件》要求：靜態(tài)特性曲線(xiàn)應(yīng)近似為直線(xiàn)，其最大非線(xiàn)性度不超過(guò)5%；大型電調(diào)的接力器轉(zhuǎn)速死區(qū)不超過(guò)0.05%[3]。6臺(tái)機(jī)組改造后均安全穩(wěn)定運(yùn)行，僅在2號(hào)機(jī)改造時(shí)由于誤用過(guò)期的螺紋鎖固膠，導(dǎo)致安裝完成后延長(zhǎng)桿脫落；涂抹合格鎖固膠并重新緊固后使用正常。在對(duì)導(dǎo)葉位移傳感器的日常檢查中也未發(fā)現(xiàn)異常，機(jī)械改造后導(dǎo)葉位移傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠，同時(shí)縮小了滑環(huán)虛位，確保了導(dǎo)葉開(kāi)度調(diào)節(jié)的可靠性。

為了進(jìn)一步提高機(jī)組運(yùn)行的安全性，除機(jī)械結(jié)構(gòu)方面的改造外，還計(jì)劃對(duì)導(dǎo)葉位移傳感器電氣信號(hào)線(xiàn)路作改造。目前由于調(diào)速器控制軟件的限制，在主用導(dǎo)葉位移傳感器出現(xiàn)斷裂等反饋信號(hào)異常時(shí)，調(diào)速器控制系統(tǒng)不會(huì)自動(dòng)切換到備用通道，僅在主用通道斷電時(shí)才會(huì)自動(dòng)切換。為改進(jìn)主備用通道的切換機(jī)制，計(jì)劃引入監(jiān)控用導(dǎo)葉開(kāi)度傳感器反饋值作為參考，新增PLC等設(shè)備對(duì)各開(kāi)度信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，在異常時(shí)通過(guò)控制繼電器進(jìn)而斷開(kāi)主用通道的電源，實(shí)現(xiàn)備用通道無(wú)擾切換。

電氣改造針對(duì)的導(dǎo)葉位移傳感器反饋異常情況主要有以下幾類(lèi)(監(jiān)控傳感器與任一主、備用傳感器同時(shí)發(fā)生異常的概率較小，已排除)：

(1) 主用傳感器異常、備用傳感器正常、監(jiān)控傳感器正常。

(2) 主用傳感器正常、備用傳感器異常、監(jiān)控傳感器正常。

目前，主用和備用導(dǎo)葉位移傳感器開(kāi)度信號(hào)直接送入調(diào)速器電氣柜內(nèi)主用SPC和備用SPC中。監(jiān)控用導(dǎo)葉位移傳感器開(kāi)度信號(hào)直接送入機(jī)組LCU A4柜中。計(jì)劃在調(diào)速器電氣柜中增加2塊模擬量隔離器，將主用和備用位移傳感器信號(hào)分送到A4柜的PLC中；在LCU A4中增加1塊模擬量隔離器，將監(jiān)控用導(dǎo)葉位移傳感器開(kāi)度信號(hào)分送到A4柜的PLC模塊中；新增一繼電器控制主用導(dǎo)葉位移傳感器電源通斷(SPCN:1)。

PLC輔助冗余切換程序中有以下邏輯：

(1) 在監(jiān)控傳感器與備用傳感器開(kāi)度一致的情況下，當(dāng)主用傳感器另外兩個(gè)開(kāi)度不一致時(shí)，斷開(kāi)主用傳感器電源，系統(tǒng)自動(dòng)切換使用備用傳感器。

(2) 在監(jiān)控傳感器與主用傳感器開(kāi)度一致的情況下，當(dāng)備用傳感器另外兩個(gè)開(kāi)度不一致時(shí)，監(jiān)控送出報(bào)警。

邏輯一主要在主用傳感器出現(xiàn)損壞或脫落時(shí)作用斷開(kāi)主用傳感器電源，此時(shí)UPC將導(dǎo)葉反饋?zhàn)詣?dòng)切換至備用通道。邏輯二主要在備用傳感器出現(xiàn)損壞或脫落時(shí)作用送出報(bào)警到監(jiān)控，提醒運(yùn)行人員該反饋裝置備用通道不可用，反饋裝置冗余失效；達(dá)到及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷、消除缺陷，提高機(jī)組可靠性的目的。

冗余切換程序只提供斷電和報(bào)警功能，促使UPC取用正常傳感器通道，將導(dǎo)葉反饋裝置的主備用可靠性最大化。

2.2 水頭傳感器

針對(duì)水頭傳感器存在的缺陷，現(xiàn)提出以下兩套改造方案。目前，兩套方案還未在企業(yè)實(shí)施，第二套方案正在審核和完善中，待后續(xù)機(jī)組檢修時(shí)實(shí)施。

(1) 將現(xiàn)有的上下游壓差管轉(zhuǎn)分成三組接頭，通過(guò)水利測(cè)量柜改造，增設(shè)兩個(gè)其他型號(hào)的壓差傳感器，將模擬量信號(hào)送至監(jiān)控柜內(nèi)，由監(jiān)控PLC進(jìn)行比較計(jì)算，在計(jì)算水頭的時(shí)候取平均數(shù)，同時(shí)進(jìn)行比較。如果單只水頭數(shù)值較其他傳感器出現(xiàn)10%的偏差，將判定該傳感器故障并輸出報(bào)警信號(hào)，取另外兩只正常讀數(shù)的水頭傳感器數(shù)值作為平均數(shù)。通過(guò)三只水頭傳感器同時(shí)測(cè)量能避免單只水頭漂移影響到水頭測(cè)量值的準(zhǔn)確性，從而提升水頭測(cè)量的準(zhǔn)確性，提升機(jī)組可靠性。

(2) 增設(shè)SWJ-3型水位監(jiān)測(cè)裝置分別接受上游、下游兩路液位傳感器送來(lái)的模擬信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送CPU處理計(jì)算，通過(guò)液晶屏直觀顯示上游水位、下游水位和水頭值，并輸出三路模擬量分別對(duì)應(yīng)上游水位、下游水位和水頭。每組監(jiān)測(cè)量有六對(duì)繼電器報(bào)警、RS485通訊、4～20 mA輸出。通過(guò)該裝置將水頭測(cè)值送入調(diào)速器電氣柜，調(diào)速器電氣柜可以將該測(cè)值與水頭傳感器的測(cè)值進(jìn)行比較，如果測(cè)值大于設(shè)定閾值，系統(tǒng)可以判定水頭傳感器測(cè)量存在誤差，取信SWJ-3水位監(jiān)測(cè)裝置水頭測(cè)值。

3 結(jié)論

調(diào)速器系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)承擔(dān)著機(jī)組啟停和隨時(shí)調(diào)節(jié)的任務(wù)，對(duì)調(diào)速器系統(tǒng)的速動(dòng)性、可靠性有著較高的要求。目前我廠調(diào)速器系統(tǒng)運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定，但仍存在部分可控缺陷；對(duì)調(diào)速器系統(tǒng)的導(dǎo)葉開(kāi)度反饋裝置、水頭測(cè)量裝置、事故配壓閥等設(shè)備的改進(jìn)對(duì)提高機(jī)組可靠性有著重要意義。上述的導(dǎo)葉開(kāi)度反饋裝置改造方案，具有改造成本低、冗余可靠性高、主備用切換快等特點(diǎn)；利用部分現(xiàn)有的元件，通過(guò)新增信號(hào)回路和程序邏輯，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉開(kāi)度反饋裝置的輔助冗余切換功能。上述的水頭傳感器改造方案減少了水頭傳感器的測(cè)值出現(xiàn)誤差的幾率，避免出現(xiàn)逆功率等缺陷，提高該測(cè)值的可靠性。該方案采用多個(gè)取源減小誤差，或者通過(guò)其他可靠的自動(dòng)化設(shè)備，進(jìn)行佐證判斷，從而成功對(duì)真實(shí)值實(shí)施采信，以保證機(jī)組的穩(wěn)定可靠運(yùn)行。上述兩個(gè)方案能在較大程度上解決調(diào)速器系統(tǒng)遇到的問(wèn)題，提升機(jī)組的運(yùn)行可靠性，助力工程創(chuàng)優(yōu)和提高啟機(jī)成功率。