軸流轉槳式水輪機協聯關系破壞原因淺析

李建清，栗建峰，陳玉林，敬海波

(國電大渡河公司龔嘴水力發電總廠，四川樂山 614900)

1 引言

對水電廠而言，根據水頭及流量情況普遍采用混流式機組，軸流轉槳式水輪機因控制過程相對較復雜而采用較少。隨著電力系統的擴大和自動化程度的提高，特別是四川電網與華中電網聯網后，對調速器的控制和調節提出了更高的要求。龔嘴水力發電總廠管轄的龔嘴和銅街子兩座水電站的水輪機調速器改造后均采用PLC控制，龔站水輪機采用混流式機組，運行情況穩定;但銅街子水電站采用的是軸流轉槳式機組，在調速器改造投運初期經常出現協聯關系破壞現象，導致機組蝸殼內水流紊亂，引起頂蓋真空破壞閥動作，頂蓋水位快速上漲，機組振動和擺度加劇，軸瓦溫度升高，發電機定子定位螺栓松動，機架彈性支撐剪斷。

2 改造后調速器協聯控制邏輯存在的問題及分析

2.1 協聯關系設定為“槳葉開度給定值跟蹤導葉開度給定值”不合理

軸流轉槳式水輪機組的槳葉動作速度較導葉慢，為了提高槳葉的動作速度，調速器協聯關系設定為槳葉開度給定值跟蹤導葉開度給定值，未跟蹤導葉實際開度值。在調速器投運初期，銅街子水電站一臺機組有功負荷在由20 MW調整到80 MW過程中發生協聯破壞，有功負荷快速飆升，導致過負荷保護動作。當時調速器工控機錄波圖形見圖1。

圖1 調速器工控機錄波圖

調速器協聯關系設定為導葉開度給定值大于28%后槳葉開度從零開啟。錄波圖顯示，在本次負荷調節過程中，35 s左右槳葉向開啟方向移動，說明導葉開度給定值在此之前已經發生變化;從35 s開始到80 s時間內，導葉開度開啟速度相當緩慢。由于槳葉開度給定值跟蹤導葉開度給定值，同時機組現地控制單元LCU與調速器之間共同構成功率閉環調節，當機組功率增加較緩慢時，LCU的增負荷脈沖不斷發送給調速器，使調速器導葉和槳葉開度給定值非常大，槳葉實際全開，導致槳葉與導葉實際開度之間的協聯關系完全破壞，70～115 s之間機組發生調相運行工況。120 s后，由于導葉開度快速增加，槳葉、導葉之間的協聯恢復，有功負荷快速飚升，造成過負荷保護動作，機組甩負荷。事后查明，導葉開啟速度初期較慢、后期較快的原因系分段關閉裝置節流點調整值漂移所致。

此次甩負荷暴露出調速器協聯關系設定中未考慮到因液壓系統等原因使導葉動作速度比槳葉慢這種異常情況，僅設定槳葉開度給定值跟蹤導葉開度給定值，從而導致水輪機協聯關系嚴重破壞，機組甩負荷。

2.2 調速器對導葉開度測控采取“取大優先”不合理

改造后的調速器采用兩套獨立PLC裝置主備配置，導葉和槳葉分別采用A、B兩套獨立的開度傳感器進行測量。正常情況下，主用PLC裝置采用“取大優先”原則讀取導葉開度信號進行控制，即主用PLC裝置不僅讀取對應的導葉開度傳感器信號，還采用通訊方式讀取備用PLC裝置的導葉開度傳感器信號，并將兩套導葉開度傳感器信號進行比較，取測值較大的信號作為運算控制量，其目的是保證機組不過速、不過負荷。

調速器改造后不久，銅街子水電站一臺機組在減負荷過程中發生1只導葉開度傳感器卡阻故障，但傳感器的輸出電流仍在4～20 mA之間，調速器不能正確判斷仍按“取大優先”進行控制，從而使導葉開度快速關閉，協聯關系嚴重破壞，導致機組蝸殼內水流紊亂，引起頂蓋真空破壞閥動作，頂蓋水位快速上漲，機組振動和擺度加劇，軸瓦溫度升高，發電機定子定位螺栓松動，機架彈性支撐剪斷。

調速器對導葉開度測控采取“取大優先”，在減負荷導葉關閉過程中，調速器計算出導葉給定值同時發出關導葉命令，若主用導葉傳感器發生卡阻，導葉實際會全關到零開度;而協聯關系中無論槳葉開度跟蹤導葉的開度給定值還是開度實際值，都會出現槳葉實際開度與導葉實際開度不協聯而發生協聯關系破壞。

2.3 負載狀態下，槳葉給定值與槳葉實際開度值偏差ΔY＞15%時槳葉切機手動不合理

調速器協聯關系設定為槳葉開度給定值跟蹤導葉開度給定值而未跟蹤導葉實際開度值，經實際運行發現，在幅度較大的負荷調整過程中，由于槳葉動作速度較導葉慢，經常出現槳葉給定值與槳葉實際開度值偏差ΔY＞15%、槳葉切機手動控制現象，導致協聯關系破壞。

3 防止協聯關系破壞采取的改進措施

針對銅街子水電站調速器改造后在協聯關系方面出現的問題，根據運行經驗，采取了以下改進措施。

3.1 調速器PLC程序中對協聯關系設定進行改進

當導葉給定值與導葉實際開度值偏差ΔY＞3%，協聯關系跟蹤導葉行程實際值;當 ΔY＜3%，協聯關系跟蹤導葉給定值。這樣改進既可以滿足提高調節速度的要求，又可以解決導葉給定值與導葉實際開度值出現偏差時發生協聯關系破壞的問題。

3.2 調速器PLC程序中對槳葉切機手動邏輯進行改進

(1)負載狀態下，當槳葉給定值與槳葉實際開度值偏差ΔY＞5%，閉鎖導葉開啟方向輸出;當ΔY＞15%，槳葉不切機手動，僅發出“協聯關系破壞”告警信號，上送機組LCU;

(2)增加槳葉的雙套冗余功能:當兩套槳葉開度反饋偏差大于3%時，延時0.5 s報警，槳葉切機手動運行。

3.3 增加第三只即C套導葉傳感器，導葉采用“3取2”測控模式，以提高調速器對導葉傳感器故障的判斷能力

調速器PLC程序修改如下:

(1)告警信號修改:

A、B套導葉傳感器斷線均報“導葉反饋故障，行程超差”信號，C套導葉傳感器斷線報“水頭反饋故障，行程超差”信號(注:C套導葉傳感器信號經未使用的水頭測量硬件通道);A、B、C套導葉傳感器卡阻報“行程超差”信號;

(2)導葉開度測量邏輯改進:

①正常情況時，采用A、B套傳感器采樣值中接近C套的傳感器采樣值作為導葉開度;

②A套或A、C套傳感器斷線及A套傳感器卡阻時，采用B套傳感器采樣值作為導葉開度;

③B套或B、C套傳感器斷線及B套傳感器卡阻時，采用A套傳感器采樣值作為導葉開度;

④C套傳感器斷線，采用A、B套傳感器采樣值中較大的采樣值作為導葉開度;

⑤其它情況的傳感器卡阻，均采用A、B套傳感器采樣值中接近C套的傳感器采樣值作為導葉開度。

(3)導葉開度控制邏輯改進:

①單套(A或B或C)導葉傳感器斷線或卡阻時，導葉能開能關，不影響運行;

②A、C或B、C同時斷線或卡阻時，導葉只關不開;

③A、B同時卡阻時，導葉只關不開;

④A、B傳感器同時斷線，導葉切機手動。

4 結語

銅街子水電站機組調速器采取改進措施后，機組運行穩定，未再發生協聯關系破壞現象。由于軸流轉槳式水輪發電機組協聯關系控制復雜，雖然采取了一定的改進措施，但仍然無法完全避免兩套導葉開度傳感器同時斷線或卡阻、槳葉開度傳感器故障、液壓系統故障等原因導致的協聯關系破壞現象的發生。運行中還是應加強協聯關系控制設備的檢修維護，確保設備健康運行工況，才能更有效地防止協聯關系破壞。