淺談某水電站調(diào)速系統(tǒng)優(yōu)化改造

陳玉春，李其源

（1.黑龍江省龍保水電檢修安裝有限公司，黑龍江 牡丹江 157000；2.國能大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川 雅安 625304 ）

1 引言

水電作為我國能源產(chǎn)業(yè)的重要組成部分[1]，不僅承擔(dān)著發(fā)輸電量的職責(zé)，還對我國電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的作用[2-3]。水電站作為重要的電力基礎(chǔ)設(shè)施，保障設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行以及供電的可靠性是其天然的使命，故而水電站對其控制系統(tǒng)均有較高的要求。水輪機(jī)調(diào)速器作為直接控制水電站電能質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)，其基本任務(wù)是通過調(diào)節(jié)發(fā)電過程中水輪機(jī)消耗水能與發(fā)電機(jī)輸出電能的平衡，實(shí)現(xiàn)對機(jī)組輸出電能頻率的精準(zhǔn)調(diào)控，即通過一次調(diào)頻保障電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定[4]。

隨著近代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，電力系統(tǒng)對于電能質(zhì)量的需求越來越高，老舊設(shè)備難以滿足電站、電網(wǎng)對于安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。如何通過提升設(shè)備的自動(dòng)化、信息化、智能化程度，使其滿足當(dāng)前電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求，是當(dāng)前在運(yùn)電站所需面對的一道難題。故而，本文以某電站調(diào)速系統(tǒng)升級改造項(xiàng)目為例，對其改造過程以及改造前后系統(tǒng)性能進(jìn)行探討，以期總結(jié)經(jīng)驗(yàn)提供參考。

2 調(diào)速系統(tǒng)現(xiàn)狀

2.1 水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)基本作用

水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)作為水電機(jī)組的重要組成部分，其基本作用如下：

（1）通過自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)組的轉(zhuǎn)速，使其穩(wěn)定運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速允許偏差范圍內(nèi)，以滿足電網(wǎng)對于發(fā)輸電能的頻率質(zhì)量要求。

（2）通過手動(dòng)、自動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)機(jī)組正?；蚴鹿是闆r下的啟停。

（3）在并網(wǎng)情況下，結(jié)合電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)情況，自動(dòng)承擔(dān)系統(tǒng)分配的負(fù)荷，保持機(jī)組處于經(jīng)濟(jì)運(yùn)行狀態(tài)。

（4）滿足不同類型機(jī)組導(dǎo)葉、槳葉的協(xié)聯(lián)關(guān)系。

2.2 調(diào)速系統(tǒng)改造前存在問題

2.2.1 硬件部分問題

（1）主配壓閥

由于導(dǎo)葉、槳葉安裝工藝不規(guī)范及透平油雜質(zhì)的影響，主配磨損嚴(yán)重，漏油量較大，控制油壓下降快，造成調(diào)速器油壓系統(tǒng)油泵頻繁啟停、調(diào)速系統(tǒng)溫升較大等事故隱患，將進(jìn)一步引起調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械密封加速老化、機(jī)組運(yùn)行工況不穩(wěn)定等故障。

（2）可編程邏輯控制器

調(diào)速系統(tǒng)具有3套可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），其中 A、B 套采用施耐德PLC，C套采用西門子PLC，顯示屏為日本光洋觸摸屏。由于PLC系統(tǒng)版本較低，且A、B套與C套品牌不同，實(shí)際運(yùn)行過程中存在程序通用性差、通信維護(hù)困難、程序運(yùn)行故障等情況，常導(dǎo)致觸摸屏死機(jī)，甚至出現(xiàn)過觸摸屏死機(jī)導(dǎo)致槳葉主配抽動(dòng)的情況。

（3）控制回路

控制回路作為機(jī)組接收動(dòng)作指令的關(guān)鍵路徑具有重要的意義，其動(dòng)作的可靠性是機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，改造前機(jī)組控制回路如下：

1）調(diào)速器導(dǎo)葉、槳葉均采用數(shù)字閥進(jìn)行控制，通過比例閥控制板將PLC控制信號放大后送至機(jī)柜導(dǎo)葉、槳葉數(shù)字閥從而實(shí)現(xiàn)對導(dǎo)葉、槳葉的控制。

2）PLC僅具備一個(gè)開關(guān)量控制輸出DO模塊和一個(gè)模擬量控制輸出AO模塊，即最多輸出16個(gè)開關(guān)量控制信號和4個(gè)模擬量控制信號。進(jìn)行調(diào)速器試驗(yàn)時(shí)，需要在電柜中串接或并接傳感器信號，存在接線錯(cuò)誤導(dǎo)致設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

3）調(diào)速器開機(jī)令、增減有功功率等控制信號由調(diào)速器遠(yuǎn)方控制方式閉鎖，主要通過監(jiān)控系統(tǒng)接收調(diào)速器信號的遠(yuǎn)方公共端實(shí)現(xiàn)閉鎖。

4）調(diào)速器緊急停機(jī)令、急停復(fù)歸令由監(jiān)控系統(tǒng)開出經(jīng)調(diào)速器電柜端子直接下發(fā)至調(diào)速器機(jī)柜急停電磁閥。

2.2.2 軟件部分問題

（1）導(dǎo)葉、槳葉測量功能

調(diào)速系統(tǒng)現(xiàn)有的3個(gè)導(dǎo)葉/槳葉開度傳感器分別單獨(dú)送至A、B、C套PLC，然后通過A、B、C套之間的通信實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉/槳葉開度的故障判斷。若A、B、C套PLC之間通信異常，則難以正確判斷導(dǎo)葉/槳葉開度異常狀況。

（2）頻率測量功能

調(diào)速系統(tǒng)現(xiàn)有3個(gè)齒盤測頻信號分別送至A、B、C套PLC，而殘壓測頻信號則來自同一機(jī)端PT，即殘壓測頻信號均采自發(fā)電機(jī)1YH處電壓信號。若機(jī)端1YH二次空開跳閘或故障，將造成調(diào)速器A、B、C套PLC殘壓測頻信號消失。

（3）甩負(fù)荷判斷功能

調(diào)速系統(tǒng)對于機(jī)組甩負(fù)荷判斷的唯一依據(jù)是機(jī)組出口開關(guān)合閘信號消失，若機(jī)組出口開關(guān)合閘信號抖動(dòng)，調(diào)速系統(tǒng)易將其判斷為甩負(fù)荷狀態(tài)，從而造成機(jī)組甩負(fù)荷或溜負(fù)荷事故。

（4）調(diào)速器停機(jī)流程

調(diào)速器現(xiàn)有停機(jī)程序要求調(diào)速器在接收到停機(jī)令后，以每100 ms減少2%導(dǎo)葉開度給定的速度關(guān)導(dǎo)葉，故調(diào)速器開度給定從機(jī)組空載開度（隨水頭變化，約14%）減至全關(guān)狀態(tài)，僅不到1 s的時(shí)間，導(dǎo)葉實(shí)際開度從空載開度至全關(guān)用時(shí)約5 s。而調(diào)速器導(dǎo)葉關(guān)閉速度過快，易導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪室真空度過大，從而造成機(jī)組抬機(jī)，甚至造成水輪發(fā)電機(jī)的損壞。

3 調(diào)速系統(tǒng)改造方案

3.1 硬件部分

（1）主配壓閥

通過將現(xiàn)有主配壓閥更換為同型號的導(dǎo)葉/槳葉主配壓閥，強(qiáng)化安裝工藝，確保主配處于中心位置，避免運(yùn)行中的扭力和磨損，從而減少主配漏油量。

（2）可編程邏輯控制器

將調(diào)速系統(tǒng)A、B、C套PLC均更換為施耐德最新型號，在3套PLC之間實(shí)現(xiàn)相互通信，形成冗余控制系統(tǒng)。增加交換機(jī)集成通信，設(shè)置通信管理機(jī)以加強(qiáng)與監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信，提高了與監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信質(zhì)量。

圖1 設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)（以太網(wǎng)）

（3）控制回路

針對控制回路現(xiàn)狀進(jìn)行優(yōu)化改造，從而提升其動(dòng)作的可靠性，防止設(shè)備誤動(dòng)，具體方案如下：

1）調(diào)速器導(dǎo)葉、槳葉均采用比例閥進(jìn)行控制，使其由PLC輸出的模擬量控制信號AO直接進(jìn)行控制，減少了中間環(huán)節(jié)，提高了控制的可靠性。

2）將PLC開關(guān)量控制輸出DO模塊由16個(gè)開關(guān)量控制信號增加至32個(gè)開關(guān)量控制信號，并將模擬量控制輸出AO模塊由1個(gè)模塊增加至4個(gè)模塊，最大可同時(shí)輸出16個(gè)模擬量控制信號，大大增加了輸出回路數(shù)量。

3）對調(diào)速器開機(jī)令、開導(dǎo)葉令、關(guān)導(dǎo)葉令等控制信號的閉鎖方式進(jìn)行優(yōu)化，調(diào)速器電柜“遠(yuǎn)方”把手及監(jiān)控系統(tǒng)接收調(diào)速器信號的遠(yuǎn)方公共端均可閉鎖，從而保障調(diào)速器安全措施的可靠性。

4）令調(diào)速器緊急停機(jī)令、急停復(fù)歸令由監(jiān)控系統(tǒng)開出后需經(jīng)過調(diào)速器電柜急停閥動(dòng)作繼電器接點(diǎn)，再實(shí)現(xiàn)對調(diào)速器機(jī)柜急停電磁閥的動(dòng)作或復(fù)歸。且當(dāng)急停閥動(dòng)作后，急停閥動(dòng)作繼電器接點(diǎn)方可接通監(jiān)控系統(tǒng)復(fù)歸令的控制回路，此時(shí)才能對急停閥進(jìn)行復(fù)歸。

3.2 軟件部分

（1）導(dǎo)葉、槳葉測量功能

為避免3套PLC之間通信異常導(dǎo)致的導(dǎo)葉/槳葉開度判斷困難問題，通過增加導(dǎo)葉/槳葉開度三選二功能來保證運(yùn)行穩(wěn)定。調(diào)速器A、B套PLC分別接入A、B套獨(dú)立的導(dǎo)葉/槳葉傳感器信號作為各PLC的第一路導(dǎo)葉/槳葉反饋信號；調(diào)速器A套和B套控制器獨(dú)立采集的導(dǎo)葉/槳葉信號通過雙機(jī)通信互相讀取為A、B套第二路導(dǎo)葉/槳葉反饋信號；第三套傳感器通過信號隔離器一分為三，作為A、B套的第三路反饋信號，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 導(dǎo)葉信號接入結(jié)構(gòu)示意圖

導(dǎo)葉/槳葉三選二功能反饋邏輯判斷如下：優(yōu)先第一路導(dǎo)葉/槳葉反饋信號Y1為主用，其次是第二路導(dǎo)葉/槳葉反饋信號Y2為主用；第三路導(dǎo)葉/槳葉反饋信號Y3用于其它兩路反饋比較及作為C套反饋使用，A、B兩套PLC將這3路導(dǎo)葉/槳葉信號作為三冗余信息進(jìn)行三選二程序邏輯判斷處理，門限值為ε1，△Y1、△Y2、△Y3分別為3路信號的兩兩差值。圖3為A套PLC判斷流程。

圖3 邏輯示意圖

（2）頻率測量功能

增加測頻三選二功能：A套和B套PLC各接入兩路獨(dú)立殘壓和一路齒盤測頻信號，A套和B套兩路殘壓和一路齒盤測頻整形器分別獨(dú)立，這樣A套和B套PLC可以采集獨(dú)立的3套測頻信號進(jìn)行三選二邏輯判斷。

機(jī)組在空載工況下：3路測頻信號以本機(jī)1號殘壓測頻F1為主用；當(dāng)F1故障，采用本機(jī)2號殘壓測頻F2為主用；當(dāng)殘壓測頻F1、F2都故障，采用齒盤測頻F3為主用；3路測頻信號均故障，則調(diào)速器此時(shí)自動(dòng)停機(jī)或返回最小空載開度值。

機(jī)組在負(fù)載工況下：3路測頻信號都正常的情況下，以三取中間值為邏輯判斷；當(dāng)?shù)谝宦窔垑汗收蠒r(shí)，以第二路殘壓測頻為主用；當(dāng)齒盤測頻故障時(shí)，以兩路殘壓測頻中的較小值為主用；當(dāng)有兩路測頻故障時(shí)，本機(jī)退出主用權(quán)（圖5）。

圖4 測頻信號接入結(jié)構(gòu)

圖5 負(fù)載工況下測頻信號邏輯

（3）甩負(fù)荷判斷功能

將調(diào)速器判斷機(jī)組甩負(fù)荷判斷邏輯改為：機(jī)組出口斷路器合閘信號消失+機(jī)組頻率大于 50.1 Hz。即：從機(jī)組甩負(fù)荷實(shí)際情況進(jìn)行考慮，機(jī)組甩負(fù)荷后，機(jī)組頻率必定會(huì)升高，兩個(gè)判據(jù)同時(shí)滿足則必定為機(jī)組甩負(fù)荷。

（4）調(diào)速器停機(jī)流程

為避免停機(jī)過程中的抬機(jī)現(xiàn)象，修改調(diào)速器停機(jī)程序?yàn)樵诮邮盏酵C(jī)令后，以每3 s減少2%導(dǎo)葉開度的速度關(guān)閉導(dǎo)葉，從而延長調(diào)速器關(guān)機(jī)時(shí)間，進(jìn)而減小轉(zhuǎn)輪室的真空，避免發(fā)生抬機(jī)現(xiàn)象。

（5）部分邏輯優(yōu)化

除上述對于現(xiàn)存問題的改造外，還對其余尚存完善空間的邏輯進(jìn)行優(yōu)化，具體如下：

1）一次調(diào)頻功能：將原機(jī)組一次調(diào)頻功能全部由調(diào)速器控制程序?qū)崿F(xiàn)改為由監(jiān)控系統(tǒng)AGC程序和調(diào)速器程序共同完成，即監(jiān)控系統(tǒng)和調(diào)速器系統(tǒng)均有一次調(diào)頻程序段，互相配合調(diào)整，共同完成機(jī)組一次調(diào)頻功能。

2）調(diào)速器過負(fù)荷關(guān)導(dǎo)葉邏輯：調(diào)速器負(fù)荷超過103%Pn時(shí)，導(dǎo)葉開度向下關(guān)5%，當(dāng)機(jī)組有功功率降低5%Pn后，過負(fù)荷報(bào)警復(fù)歸。機(jī)組過負(fù)荷動(dòng)作至過負(fù)荷報(bào)警復(fù)位前，調(diào)速器只允許自動(dòng)執(zhí)行一次減導(dǎo)葉開度操作，避免過負(fù)荷連續(xù)關(guān)導(dǎo)葉造成溜負(fù)荷。

3）調(diào)速器溜負(fù)荷程序：調(diào)速器負(fù)載狀態(tài)下，將調(diào)速器最小空載開度定值由 12%調(diào)整為13%。即發(fā)電機(jī)未解列的情況下，調(diào)速器判斷故障后，將導(dǎo)葉壓至最小空載開度13%，既減少負(fù)荷過大對發(fā)電機(jī)造成的傷害，又避免調(diào)速器有功進(jìn)相運(yùn)行造成逆功率保護(hù)動(dòng)作跳機(jī)。

4 調(diào)速系統(tǒng)改造效果

調(diào)速系統(tǒng)自改造完成后，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，相關(guān)性能均有所提升，證明了本次改造的有效性。

4.1 主配壓閥

主配壓閥經(jīng)過更換后有效降低漏油量，減少調(diào)速器油壓系統(tǒng)油泵啟停頻率以及調(diào)速系統(tǒng)溫升，導(dǎo)葉/槳葉主配回油量如表1所示。

表1 導(dǎo)葉/槳葉主配回油量

4.2 甩負(fù)荷判斷功能

改造后，調(diào)速器進(jìn)入甩負(fù)荷程序相較改造前會(huì)慢0.1 Hz的上升時(shí)間，但通過雙判據(jù)有效減少了機(jī)組調(diào)速器甩負(fù)荷誤判的可能性。圖6為機(jī)組分別甩25%、50%、75%、100%負(fù)荷時(shí)的變化曲線圖，其中曲線1為頻率變化曲線，曲線2為導(dǎo)葉開度變化曲線，曲線3為機(jī)組出口斷路器開關(guān)量變化曲線。

圖6 機(jī)組甩負(fù)荷變化曲線

4.3 調(diào)速器停機(jī)流程

對調(diào)速器程序進(jìn)行修改后，實(shí)現(xiàn)了對調(diào)速器關(guān)機(jī)時(shí)間的延長，且使得導(dǎo)葉開度變化曲線逐漸平滑，圖7為改造前導(dǎo)葉開度變化曲線，其中曲線1為調(diào)速器導(dǎo)葉開度給定，曲線2為調(diào)速器導(dǎo)葉實(shí)際開度；圖8為改造后導(dǎo)葉開度變化曲線。

圖7 改造前導(dǎo)葉開度變化曲線

圖8 改造后導(dǎo)葉開度變化曲線

5 結(jié)語

水輪機(jī)調(diào)速器是水電站重要的控制設(shè)備之一，其運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性是電網(wǎng)安全可靠運(yùn)行的重要保障，故而提升設(shè)備的自動(dòng)化、信息化、智能化水平是未來滿足電網(wǎng)對于安全穩(wěn)定運(yùn)行要求的必經(jīng)之路。