大峽水電站機(jī)組增容改造后調(diào)速器失電關(guān)機(jī)功能的實(shí)現(xiàn)

引言

大峽水電站位于甘肅省白銀市和榆中縣交界處的水川鄉(xiāng)境內(nèi)黃河干流上,為日調(diào)節(jié)水庫(kù),以發(fā)電為主,兼顧灌溉等綜合利用效益。大峽水電站共4臺(tái)機(jī)組,單機(jī)容量為75MW,于1998年正式并網(wǎng)發(fā)電,保證出力154.1MW,多年平均發(fā)電量14.92億kw·h,電站以220kV一級(jí)電壓出線(xiàn),接入甘肅電力系統(tǒng),在電力系統(tǒng)中擔(dān)任基荷和調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù),是甘肅電網(wǎng)的骨干電廠(chǎng)之一。

1機(jī)組增容改造前調(diào)速器概況

大峽水電站水輪機(jī)調(diào)速器采用了sAFR-2000H型32位雙微機(jī)雙通道冗余控制結(jié)構(gòu)電氣柜和ZF1/D型調(diào)速器液壓控制柜,主要由液晶平板工控機(jī)、各數(shù)字/模擬模件、A/B套系統(tǒng)插箱、主配壓閥、電液伺服比例閥、容錯(cuò)及手動(dòng)控制閥、緊急停機(jī)閥、油路切換閥、節(jié)流閥及液壓管路等主要部分組成,主要實(shí)現(xiàn)以下調(diào)節(jié)控制功能:（1）執(zhí)行機(jī)構(gòu)在接收到操作指令后動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)機(jī)組的開(kāi)/停機(jī)、緊急停機(jī)等命令:2)檢測(cè)并診斷各元器件和模塊的運(yùn)行情況,實(shí)現(xiàn)故障自診斷功能并進(jìn)行容錯(cuò)控制的切換:3)在不同工況下機(jī)組根據(jù)負(fù)荷自行調(diào)整有功功率,使機(jī)組轉(zhuǎn)速控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi),或按某一預(yù)定的規(guī)律變化:4)根據(jù)當(dāng)前水頭實(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)過(guò)程的最優(yōu)控制和負(fù)荷限制,實(shí)現(xiàn)協(xié)聯(lián)工況運(yùn)行:5)自動(dòng)調(diào)整與分配負(fù)荷,機(jī)組并網(wǎng)后,按照永態(tài)轉(zhuǎn)差值系數(shù)的大小,根據(jù)機(jī)組頻率與給定頻率的差值自動(dòng)調(diào)整水輪發(fā)電機(jī)組的出力,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的一次調(diào)頻等。

2機(jī)組增容改造后調(diào)速器存在的問(wèn)題及分析

大峽水電站調(diào)速器目前采用的是以失電自復(fù)中型主配壓閥為核心的電液控制系統(tǒng),在機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行過(guò)程中,如出現(xiàn)控制系統(tǒng)電源消失的事故情況,導(dǎo)葉開(kāi)度維持不變,機(jī)組繼續(xù)運(yùn)行,使得機(jī)組有效避免了甩負(fù)荷現(xiàn)象,減小了系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)。但控制電源消失調(diào)速器還是存在一定的失控風(fēng)險(xiǎn),容易導(dǎo)致機(jī)組飛逸等事故的發(fā)生。同時(shí),《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》(國(guó)能安全(2014)161號(hào))中明確提出:"大中型水電站應(yīng)采用‘失電動(dòng)作'規(guī)則,在水輪發(fā)電機(jī)組的保護(hù)和控制回路電壓消失時(shí),使相關(guān)保護(hù)和控制裝置能夠自動(dòng)動(dòng)作關(guān)閉機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)。"本電站目前采用的失電自復(fù)中型控制系統(tǒng)不能滿(mǎn)足這一要求。

3方案實(shí)施

針對(duì)以上存在的問(wèn)題,大峽水電站以機(jī)組增容改造為契機(jī),對(duì)調(diào)速器系統(tǒng)進(jìn)行了重新分析與設(shè)計(jì),將調(diào)速器控制機(jī)構(gòu)由原來(lái)的失電自復(fù)中型改為失電自關(guān)閉型,并對(duì)其保護(hù)和控制回路進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。

3.1主配壓閥更換

為滿(mǎn)足失電關(guān)機(jī)的功能,大峽水電站調(diào)速器導(dǎo)葉主配壓閥和獎(jiǎng)葉主配壓閥均更換為MDV1150(DN150)失電自關(guān)閉型,結(jié)構(gòu)如圖1所示,電液轉(zhuǎn)換單元采用高性能的伺服比例閥組成的雙冗余控制系統(tǒng),并配置有電手動(dòng)綜合控制模件、緊急停機(jī)電磁閥等結(jié)構(gòu),能夠滿(mǎn)足失電關(guān)閉功能的要求。此系列主配壓閥在主配行程位移傳感器上實(shí)現(xiàn)了冗余配置,最大程度地保證了電站安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

失電自關(guān)閉型主配壓閥主要組成部分包括活塞、閥體、閥套、主閥芯、上端蓋和下端蓋等,主閥芯上、下部分別為恒壓腔(H）和控制腔(C）。當(dāng)恒壓腔通入恒壓油(或接通回油）時(shí),控制腔接通回油(或通入壓力油）,因各活塞桿作用面積不同,其受力也不相同,以此來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)閥芯位置的控制。此功能由比例伺服閥完成。

恒壓腔活塞上部設(shè)置有定位塊,定位塊的上端為關(guān)機(jī)時(shí)間調(diào)節(jié)螺母,下端為開(kāi)機(jī)時(shí)間調(diào)節(jié)螺母,通過(guò)調(diào)節(jié)螺母與定位塊的直線(xiàn)距離來(lái)限制主閥芯動(dòng)作的極限位置,調(diào)節(jié)油口開(kāi)口面積的大小,從而達(dá)到調(diào)整調(diào)速器開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間的目的。

其動(dòng)作原理為當(dāng)調(diào)速器液壓控制柜控制電源消失時(shí),比例伺服閥切換至"失電保護(hù)"位,導(dǎo)葉主配壓閥控制腔(C）接通回油,此時(shí),閥芯在恒壓腔(H）壓力油的作用下向下運(yùn)動(dòng),使得接力器關(guān)機(jī)。

3.2伺服比例閥更換

伺服比例閥能夠把輸入的電氣控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)流量控制信號(hào)并輸出,為滿(mǎn)足相關(guān)要求,大峽水電站選用型號(hào)為0811404603的伺服比例閥組成的雙冗余控制系統(tǒng),其閥位機(jī)能圖如圖2所示。該伺服閥閥芯裝備了位置控制傳感器反饋,可將反饋信號(hào)引入電路形成閉環(huán)控制,因此控制精度很高(行程控制精度達(dá)1%）,閥的滯環(huán)和不重復(fù)性均很小。在調(diào)速器機(jī)械液壓柜斷電的情況下,即供電電壓小于DC18V時(shí),伺服比例閥切換至"失電保護(hù)"位,導(dǎo)葉主配壓閥控制腔(C）接通回油,此時(shí),閥芯在恒壓腔(H）壓力油的作用下向下運(yùn)動(dòng),使得接力器關(guān)機(jī),實(shí)現(xiàn)失電關(guān)機(jī)的功能。

圖2伺服比例閥閥位機(jī)能圖

3.3電源系統(tǒng)改進(jìn)

大峽水電站對(duì)調(diào)速器機(jī)械液壓柜的電源系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn),如圖3所示。

其電源系統(tǒng)主要采用一路AC220V輸入,兩路DC220V輸入,交流經(jīng)過(guò)變壓器隔離,再通過(guò)兩個(gè)雙路供電模塊和兩路直流并聯(lián),送到兩個(gè)開(kāi)關(guān)電源,最后兩路DC24V輸出通過(guò)兩個(gè)二極管并聯(lián)為整個(gè)系統(tǒng)供電,并實(shí)現(xiàn)電源冗余,單個(gè)電源容量已達(dá)250w,足夠滿(mǎn)足系統(tǒng)用電容量。此外,增加了相應(yīng)的電源監(jiān)視繼電器,包括:K1—AC220V輸入電源監(jiān)視,K2—DC220VI路輸入電源監(jiān)視,K3—DC220VⅡ路輸入電源監(jiān)視,24V電源監(jiān)視接點(diǎn)則從兩個(gè)開(kāi)關(guān)電源引出。在電源監(jiān)視繼電器K1、K2、K3中各取一個(gè)常閉接點(diǎn)并串聯(lián)(圖4）,送出"失電關(guān)機(jī)"故障信號(hào)至監(jiān)控系統(tǒng)。

3.4LCU側(cè)控制邏輯改進(jìn)

機(jī)組處于并網(wǎng)態(tài)時(shí),調(diào)速器因電源消失關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu),而機(jī)組的出口斷路器并未及時(shí)分開(kāi),仍處于合閘狀態(tài),造成機(jī)組調(diào)相運(yùn)行,從而損壞發(fā)電機(jī)或造成電力系統(tǒng)不穩(wěn)定。調(diào)速器電源消失時(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(kāi)機(jī)組出口斷路器,也易造成發(fā)電機(jī)出現(xiàn)過(guò)速的情況。

針對(duì)調(diào)速器失電停機(jī)即關(guān)閉導(dǎo)葉引起機(jī)組調(diào)相運(yùn)行或機(jī)組過(guò)速的問(wèn)題,大峽水電站對(duì)其進(jìn)行了以下改進(jìn):

(1）如圖5所示,調(diào)速器失電停機(jī)信號(hào)引入機(jī)組LCU水機(jī)保護(hù)回路,加裝一個(gè)中間繼電器1KZ13,當(dāng)調(diào)速器電源消失的信號(hào)動(dòng)作時(shí)啟動(dòng)機(jī)組LCU的水機(jī)保護(hù)回路。

(2）同時(shí),為了防止機(jī)組在帶較高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)電源消失動(dòng)作啟動(dòng)水機(jī)保護(hù)導(dǎo)致機(jī)組過(guò)速,如圖6所示,在失電關(guān)機(jī)的水機(jī)保護(hù)回路中加入導(dǎo)葉開(kāi)度的位置信號(hào)"導(dǎo)葉空載位以下",并將"失電關(guān)機(jī)"信號(hào)串聯(lián)"導(dǎo)葉空載位以下"接入事故停機(jī)擴(kuò)展回路,使得在機(jī)組運(yùn)行時(shí)調(diào)速器失電停機(jī)將不再引起機(jī)組調(diào)相或過(guò)速的情況,保證了水輪發(fā)電機(jī)組在調(diào)速器失電情況下正常停機(jī)。

(3）由水機(jī)保護(hù)回路將調(diào)速器"失電關(guān)機(jī)"信號(hào)接入監(jiān)控系統(tǒng),以便準(zhǔn)確監(jiān)視、掌握調(diào)速設(shè)備的運(yùn)行狀況,如圖7所示。

4改造后實(shí)驗(yàn)效果

在改造結(jié)束滿(mǎn)足試驗(yàn)條件后,對(duì)調(diào)速器逐一進(jìn)行了無(wú)水狀態(tài)下緊急停機(jī)、靜態(tài)下失電關(guān)回導(dǎo)葉、動(dòng)態(tài)下失電關(guān)回導(dǎo)葉等試驗(yàn)項(xiàng)目,試驗(yàn)結(jié)果均達(dá)到預(yù)期效果。

4.1緊急停機(jī)試驗(yàn)

在無(wú)水試驗(yàn)條件下,調(diào)速器控制系統(tǒng)、水機(jī)保護(hù)回路、監(jiān)控系統(tǒng)均正常帶電運(yùn)行,將調(diào)速器控制狀態(tài)切為電手動(dòng)狀態(tài),將導(dǎo)葉開(kāi)度開(kāi)至20%,分別投入機(jī)械液壓柜緊急停機(jī)按鈕和LCU柜緊急停機(jī)按鈕,導(dǎo)葉關(guān)回,水機(jī)保護(hù)回路緊急停機(jī)流程正常啟動(dòng),監(jiān)控系統(tǒng)事件正常報(bào)出。

4.2靜態(tài)下失電關(guān)機(jī)試驗(yàn)

在無(wú)水試驗(yàn)條件下,調(diào)速器控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、水機(jī)保護(hù)回路均正常帶電運(yùn)行,調(diào)速器控制狀態(tài)切為電手動(dòng)狀態(tài),將導(dǎo)葉開(kāi)至20%開(kāi)度,斷開(kāi)機(jī)械液壓柜AC220V電源開(kāi)關(guān)Q1,合上DC220VI路電源開(kāi)關(guān)Q2、DC220VⅡ路電源開(kāi)關(guān)Q3,導(dǎo)葉不關(guān)回,監(jiān)控系統(tǒng)"失電關(guān)機(jī)"故障信號(hào)報(bào)出:拉開(kāi)DC220VI路電源開(kāi)關(guān)Q2,合上AC220V電源開(kāi)關(guān)Q1、DC220VⅡ路電源開(kāi)關(guān)Q3,導(dǎo)葉不關(guān)回,監(jiān)控系統(tǒng)"失電關(guān)機(jī)"故障信號(hào)報(bào)出:拉開(kāi)DC220VⅡ路電源開(kāi)關(guān)Q3,合上AC220V電源開(kāi)關(guān)Q1、DC220VI路電源開(kāi)關(guān)Q2,導(dǎo)葉不關(guān)回,監(jiān)控系統(tǒng)"失電關(guān)機(jī)"故障信號(hào)報(bào)出:同時(shí)拉開(kāi)AC220V電源開(kāi)關(guān)Q1、DC220VI路電源開(kāi)關(guān)Q2、DC220VⅡ路電源開(kāi)關(guān)Q3時(shí),導(dǎo)葉關(guān)回,水機(jī)保護(hù)回路緊急停機(jī)流程正常啟動(dòng),監(jiān)控系統(tǒng)事件正常報(bào)出。

4.3動(dòng)態(tài)下失電關(guān)機(jī)試驗(yàn)

在充水試驗(yàn)條件下,機(jī)組各系統(tǒng)均正常帶電運(yùn)行,將調(diào)速器狀態(tài)切為自動(dòng)態(tài),機(jī)組開(kāi)機(jī)至空載態(tài)并運(yùn)行正常,同時(shí)拉開(kāi)AC220V電源開(kāi)關(guān)Q1、DC220VI路電源開(kāi)關(guān)Q2、DC220VI路電源開(kāi)關(guān)Q3時(shí),導(dǎo)葉關(guān)回,水機(jī)保護(hù)回路緊急停機(jī)流程正常啟動(dòng),監(jiān)控系統(tǒng)事件正常報(bào)出。

5結(jié)語(yǔ)

大峽水電站調(diào)速器失電關(guān)機(jī)功能的實(shí)現(xiàn),不僅滿(mǎn)足了國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,而且很大程度上保證了在全廠(chǎng)失電等意外事故發(fā)生時(shí),機(jī)組能夠安全可靠地停機(jī):冗余電源系統(tǒng)、雙伺服比例閥的選取具備一定的容錯(cuò)能力,大大降低了誤停機(jī)的概率,同時(shí)也減小了對(duì)電網(wǎng)系統(tǒng)造成的影響。