大型水電站齒盤測(cè)頻原理分析及優(yōu)化

梁 毅

(雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

0 引 言

調(diào)速系統(tǒng)在水輪發(fā)電機(jī)組中擔(dān)任著調(diào)功調(diào)頻的重要任務(wù)，其性能的好壞直接影響發(fā)電的質(zhì)量與品質(zhì)。齒盤測(cè)頻信號(hào)是調(diào)速系統(tǒng)重要的外部控制信號(hào)，也是調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)結(jié)果的最終反映。如果頻率采樣故障，調(diào)速系統(tǒng)無(wú)法監(jiān)視到機(jī)組頻率，很有可能造成機(jī)組頻率失控，威脅機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此保證頻率信號(hào)測(cè)量的可靠性至關(guān)重要[1]。

1 概 述

某大型水電站位于四川省涼山彝族自治州西昌市、鹽源縣的交界處，總裝機(jī)容量4×600 MW，其水輪機(jī)控制系統(tǒng)采用南京南瑞集團(tuán)公司生產(chǎn)的SAFR2000H型微機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，微機(jī)調(diào)節(jié)器采用奧地利B&R公司的PCC2005型控制器[2]，CPU采用CP340型模塊；正常運(yùn)行A套調(diào)節(jié)器(PCC)為主用，B套為熱備，當(dāng)A套故障時(shí)能進(jìn)行無(wú)擾切換。機(jī)組測(cè)頻方式除了發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器采集的兩路殘壓測(cè)頻外，還有四路是安裝于發(fā)電機(jī)大軸上非接觸式接近開(kāi)關(guān)的齒盤測(cè)頻[3]。

水電站機(jī)組頻率測(cè)量是電站控制系統(tǒng)重要的、不可或缺的基本參量，頻率測(cè)量的精準(zhǔn)與否直接影響到機(jī)組控制流程的正確執(zhí)行及調(diào)速器的調(diào)節(jié)性能。而頻率測(cè)量除需要依靠性能穩(wěn)定、工作可靠、精度滿足要求的傳感器外，齒盤探頭的安裝、回路接線也是重要的一個(gè)環(huán)節(jié)；只有嚴(yán)格遵從相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求，結(jié)合電站設(shè)備的實(shí)際狀況，設(shè)計(jì)、制造、安裝符合要求的齒盤測(cè)頻回路才能保證調(diào)速器系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，滿足電站長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行的需要。

2 齒盤測(cè)頻原理分析

水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)接收來(lái)自機(jī)端PT或機(jī)組大軸的齒盤測(cè)頻信號(hào)以測(cè)量機(jī)組轉(zhuǎn)速，通過(guò)與目標(biāo)值比較后得到的轉(zhuǎn)速差值進(jìn)行PID運(yùn)算，其輸出值用以控制導(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(jiàn)，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?；蛘邷y(cè)頻精度無(wú)法達(dá)到要求，后續(xù)的控制回路將無(wú)法正常工作，詳見(jiàn)圖1。

圖1 齒盤測(cè)頻原理圖

圖1中，A和B是安裝在水輪機(jī)測(cè)速齒盤圓周上的2個(gè)探頭，當(dāng)齒盤的齒經(jīng)過(guò)探頭A和B時(shí)都會(huì)產(chǎn)生脈沖，2個(gè)脈沖分別經(jīng)過(guò)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器Sa和Sb整形后去觸發(fā)或復(fù)位RS觸發(fā)器，形成方波。按照?qǐng)D中規(guī)定的水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，RS觸發(fā)器Ta產(chǎn)生的方波寬度正比于磁盤上的1個(gè)齒旋轉(zhuǎn)過(guò)A和B探頭的時(shí)間。經(jīng)過(guò)四路信號(hào)轉(zhuǎn)換器濾波、整形、隔離后送PCC數(shù)字模件，兩路齒盤測(cè)頻信號(hào)經(jīng)濾波，本身形成的就是方波脈沖信號(hào)，隔離后分別送PCC高速數(shù)字模塊處理、計(jì)數(shù)。其輸出TPUc10的寬度與磁盤的加工精度無(wú)關(guān)，保證了測(cè)量精度。

電站齒盤探頭選用的是電感式傳感器，外部測(cè)頻信號(hào)輸入到四路信號(hào)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過(guò)處理后輸出可以讓PCC及PLC用于檢測(cè)的信號(hào)，一路殘壓測(cè)頻信號(hào)和兩路齒盤測(cè)頻信號(hào)送給1套PCC控制器的測(cè)頻模塊，兩套PCC相互冗余。測(cè)頻信號(hào)采用“三選二”并聯(lián)冗余運(yùn)行方式，優(yōu)先級(jí)為：殘壓>齒盤1>齒盤2，詳見(jiàn)圖2。但在發(fā)電機(jī)低轉(zhuǎn)速階段，機(jī)端殘壓信號(hào)較弱，信號(hào)易受干擾失真，時(shí)常采集不到殘壓信號(hào)，進(jìn)而無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量機(jī)組頻率，這種狀況下是以齒盤測(cè)頻為主用。

圖2 外部測(cè)頻信號(hào)輸入和信號(hào)輸出配線圖

控制邏輯：齒盤1為主用，殘壓測(cè)頻正常，測(cè)值與兩套齒盤測(cè)頻的差值均小于0.5 Hz(無(wú)頻率偏差報(bào)警)，采用殘壓測(cè)頻；殘壓測(cè)頻異?；蝾l率偏差報(bào)警，優(yōu)先采用齒盤1測(cè)頻，若齒盤1測(cè)頻故障則采用齒盤2測(cè)頻。

3 存在的問(wèn)題與優(yōu)化

該水電站機(jī)組自投運(yùn)后，齒盤測(cè)頻回路因自身設(shè)計(jì)及安裝原因，出現(xiàn)過(guò)齒盤測(cè)速值波動(dòng)較大、四路信號(hào)轉(zhuǎn)換器故障及測(cè)速探頭安裝支架松動(dòng)等缺陷，影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)分析研究，對(duì)齒盤測(cè)頻回路進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)后續(xù)技術(shù)改造及機(jī)組檢修維護(hù)具有一定借鑒意義[4]。

3.1 測(cè)速探頭優(yōu)化

該電站測(cè)速探頭測(cè)量范圍區(qū)間較小，有效距離約為5 mm，但在實(shí)際使用過(guò)程中有效測(cè)量距離僅為3±1 mm 左右。探頭安裝位置必須十分接近齒帶本體，否則在機(jī)組開(kāi)機(jī)及停機(jī)過(guò)程中頻率快速上升及快速下降造成的振動(dòng)容易造成測(cè)頻不準(zhǔn)確，嚴(yán)重會(huì)損壞齒盤探頭，造成事故停機(jī)[5]。同時(shí)，有效測(cè)量距離太小也對(duì)測(cè)速探頭的檢修維護(hù)工作提出了很高的要求。

基于上述原因，將齒盤探頭由P+F公司NJ5—18GM50—E替換為NJ8—18GM50—E，可靠動(dòng)作距離由5 mm提升為8 mm，其他重要參數(shù)均沒(méi)有變化。

更換后的探頭抗干擾能力增強(qiáng)，測(cè)頻信號(hào)更穩(wěn)定；而且傳感器的接線方式采用的是航空插頭端子，相較傳統(tǒng)手工焊接方式接線，大幅提升了現(xiàn)場(chǎng)檢修維護(hù)工作效率，詳見(jiàn)圖3、表1。

表1 兩種型號(hào)接近開(kāi)關(guān)參數(shù)對(duì)比

圖3 齒盤安裝位置示意圖

3.2 支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

電站為齒盤測(cè)速探頭所用的支撐支架由2塊角鋼焊接而成，支架支撐直接焊接于下導(dǎo)油槽蓋板上，4個(gè)探頭均勻分布在機(jī)組大軸上。在機(jī)組振動(dòng)區(qū)間內(nèi)，支撐支架會(huì)產(chǎn)生輕微的晃動(dòng)，在機(jī)組開(kāi)機(jī)及停機(jī)過(guò)程中頻率快速上升及快速下降過(guò)程中尤為明顯；該晃動(dòng)會(huì)造成測(cè)量精度發(fā)生偏移，進(jìn)而產(chǎn)生“丟齒”的現(xiàn)象。

基于上述原因，支架前端可制作成以大軸中心為圓心的弧形，將4個(gè)探頭集中在1塊支架上，便于檢修維護(hù)。支架的結(jié)構(gòu)可采用3點(diǎn)支撐，并在3個(gè)支撐支架上再加上1個(gè)三角構(gòu)架，然后通過(guò)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(wèn)題[6]。

另外，支架固定在水車室旁鋼筋護(hù)架上，可避免因機(jī)組本體振動(dòng)而導(dǎo)致的支架擺動(dòng)現(xiàn)象和頻率跳變，詳見(jiàn)圖4。

圖4 優(yōu)化后的齒盤測(cè)頻支架

3.3 測(cè)頻回路優(yōu)化

目前，電站外部測(cè)頻信號(hào)全部輸入到四路信號(hào)轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過(guò)處理后輸出可以讓PCC測(cè)頻模塊檢測(cè)的信號(hào)，一路殘壓測(cè)頻信號(hào)和兩路齒盤測(cè)頻信號(hào)送給1套PCC控制器的測(cè)頻模塊。一旦四路信號(hào)轉(zhuǎn)換器故障，將會(huì)導(dǎo)致一路機(jī)頻信號(hào)、一路網(wǎng)頻信號(hào)、兩路齒盤信號(hào)完全失去作用，影響機(jī)組安全運(yùn)行。

基于上述原因，采用冗余的四路信號(hào)模塊來(lái)優(yōu)化測(cè)頻回路，將機(jī)頻信號(hào)與網(wǎng)頻信號(hào)接到1個(gè)四路信號(hào)轉(zhuǎn)器上。這樣即使單個(gè)四路信號(hào)轉(zhuǎn)換器故障，不影響該套PCC的運(yùn)行，同時(shí)也增加了系統(tǒng)的容錯(cuò)，對(duì)后續(xù)系統(tǒng)升級(jí)改造也提供了可行的方法，詳見(jiàn)圖5。

圖5 優(yōu)化后的測(cè)頻回路

4 結(jié) 語(yǔ)

水電站機(jī)組齒盤測(cè)頻信號(hào)是電站控制系統(tǒng)重要的、不可或缺的參數(shù)，齒盤測(cè)頻信號(hào)的精準(zhǔn)與否直接影響到機(jī)組控制流程的正確執(zhí)行及調(diào)速器的調(diào)節(jié)性能。

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(guò)程中齒盤測(cè)頻存在的一些問(wèn)題，從測(cè)頻原理出發(fā)，對(duì)存在的問(wèn)題進(jìn)行了充分的討論及優(yōu)化。通過(guò)相應(yīng)的改造處理，達(dá)到了預(yù)期的效果，保障了水輪機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。