水輪機調(diào)速器負(fù)荷異常上升原因分析及處理

唐杰陽，李甜甜，毛成鋼，張曉輝

(1.雅礱江流域集控中心，四川 成都 610021;2.二灘水力發(fā)電廠，四川 攀枝花 617000)

1 二灘水電站調(diào)速器

二灘水電站水輪機調(diào)速器由控制系統(tǒng)和機械部分組成。控制系統(tǒng)采用WT-SPLC-STARS型調(diào)速器，調(diào)速器機械部分主要由TD150型三級伺服閥、油壓裝置、直缸接力器與過速限制裝置組成。

調(diào)速器控制系統(tǒng)由兩套完全相同的數(shù)字式調(diào)速器頭組成，互為備用。每套調(diào)速器頭主要由PLC(模塊為140 CPU 43412A)及其相關(guān)I/O板件、功率變送器、導(dǎo)葉位置傳感器、測速整形模塊及測速探頭等組成。另外還設(shè)置了一套獨立的轉(zhuǎn)速繼電器裝置，用于CCS、電氣過速保護(hù)與蠕動、轉(zhuǎn)速為零等信號，還用于風(fēng)閘、高壓油、機組技術(shù)供水泵輔助設(shè)備控制信號，轉(zhuǎn)速繼電器控制功能由PLC(FX2N-32MTD型)實現(xiàn)。

調(diào)速器具有頻率跟蹤功能，有開度反饋/功率反饋兩種反饋模式，可以實現(xiàn)調(diào)速器手/自動控制模式、運行模式無擾動切換以及自動調(diào)節(jié)導(dǎo)葉、自動按水頭整定空載開度、開機、停機等功能。

機組并網(wǎng)運行頻率波動超過±0.5 Hz時，調(diào)速器自動轉(zhuǎn)為“孤網(wǎng)運行”方式。

機組不并網(wǎng)時調(diào)速器僅能在“開度反饋”模式運行，機組并網(wǎng)運行時可轉(zhuǎn)為“孤網(wǎng)運行”或“功率反饋”模式。故障時調(diào)速器自動切換到“開度反饋”模式。

調(diào)速器頭及轉(zhuǎn)速繼電器測頻信號來自齒盤和殘壓，正常運行時轉(zhuǎn)速繼電器以殘壓測頻為主，齒盤測頻為輔;調(diào)速器頭以殘壓測頻為主，齒盤測頻為輔。

2 水輪機調(diào)速器負(fù)荷異常上升原因的分析

2.1 事件概述

2011年8月7日05∶55，CCS發(fā)“GIS 1、2號錄波裝置啟動，1～6號機故障錄波器觸發(fā)”報警。

05∶56，全廠總有功2860 MW，CCS發(fā)“5號機開度反饋控制方式投入，5號機有功功率上限1580 MW，5號機有功調(diào)節(jié)故障，5號機有功聯(lián)控模式 退出，5號機有功功率上限2600 MW”信號，運行人員立即在CCS上壓5號機導(dǎo)葉開限。

06∶02，現(xiàn)場檢查5號機調(diào)速器在開度反饋方式，電調(diào)柜事件信息有“遠(yuǎn)方激活開度反饋產(chǎn)生”信號，無報警信號。全面檢查5號機調(diào)速器系統(tǒng)無異常。

06∶04，CCS上投入“五號機功率反饋方式”，并將該機投入AGC。

在電網(wǎng)的沖擊下，5號機組負(fù)荷由510 MW突然上升至600 MW以上，由運行人員將導(dǎo)葉開限由79.9%壓至70%，對應(yīng)有功由600 MW減至550 MW。

2.2 數(shù)據(jù)波形分析

電網(wǎng)發(fā)生沖擊時，5號機組頻率、功給、功率波形見圖1所示。

圖1 5號機組頻率、功給、功率波形圖

圖2 5號機組頻率、殘壓測頻突變波形圖

電網(wǎng)發(fā)生沖擊時，其他并網(wǎng)機組的波形見圖3所示(以2號機組為例)。

圖3 其他并網(wǎng)機組頻率、功給、功率波形圖(以2F為例)

通過圖1～圖3的波形數(shù)據(jù)，可以看出:

1)電網(wǎng)發(fā)生沖擊時，5號機端電流、電壓波動導(dǎo)致調(diào)速器功率測量發(fā)生波動的現(xiàn)象，其他機組亦存在有相同的現(xiàn)象。

2)電網(wǎng)發(fā)生沖擊時，5號機調(diào)速器測量采樣的機組頻率最低達(dá)到49.71 Hz，殘壓頻率最低達(dá)到49.41 Hz，其他機組頻率無突變現(xiàn)象。

3)5號機調(diào)速器在外部功給最大為546.21 MW時、導(dǎo)葉開度隨控制輸出量的變大而增加直到開度限制值為止，從而導(dǎo)致機組出力異常升高達(dá)到603 MW。其他機組的有功輸出與有功給定值基本一致。

4)5號機負(fù)荷異常上升后，運行人員通過手動減導(dǎo)葉開限，回關(guān)導(dǎo)葉，將機組出力控制在510 MW左右。

2.3 調(diào)速器反饋方式切換邏輯

從事件記錄上看，調(diào)速器反饋方式在449 ms內(nèi)發(fā)生了兩次由功率反饋切換為開度反饋，第一次開度反饋投退間隔只有124 ms。而且事件表明:調(diào)速器自動切為開度反饋方式后，監(jiān)控隨即自動設(shè)定為開度反饋方式。

機組并網(wǎng)后，調(diào)速器將功率反饋切換為開度反饋方式的情況有:手動選擇開度反饋方式、功率變送器故障及頻率超差0.5 Hz共3種情況。對以上情況逐一分析:對于手動選擇開度反饋方式情況，事發(fā)時無人員操作;對于功率變送器故障，PLC程序設(shè)定的條件為功率變送器采集數(shù)值越上限、下限且保持3 s以上，同時故障信號會在調(diào)速器和監(jiān)控系統(tǒng)報出，而實際檢查并沒有故障信號，可以排除;對于頻率超差0.5 Hz情況，從圖2的5號機組頻率、殘壓測頻波形圖可以看出，當(dāng)時5號機調(diào)速器工控機采樣機組殘壓頻率由50.02 Hz突變?yōu)?9.41 Hz，持續(xù)了141 ms，而PLC測量的頻率最低值一旦低于49.5 Hz，則符合頻率超差0.5 Hz條件，導(dǎo)致調(diào)速器自動切換為開度反饋方式，瞬間突變頻率超差隨即導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)在124 ms內(nèi)相繼報出5號機調(diào)速器切開度反饋投入、退出事件。

2.4 負(fù)荷異常上升原因分析

根據(jù)調(diào)速器控制原理:在功率反饋方式下，監(jiān)控系統(tǒng)送給調(diào)速器的功率給定直接與機組反饋的有功功率進(jìn)行比較控制;在開度反饋方式下，有功給定需轉(zhuǎn)換為開度給定后，再與導(dǎo)葉實際開度進(jìn)行比較控制。有功給定轉(zhuǎn)換為不同水頭下開度給定的協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線是一個模型試驗數(shù)據(jù)，與實際存在較大差別，當(dāng)功率反饋切至開度反饋模式時，即使有功給定保持不變，由于轉(zhuǎn)換成開度給定值存在誤差，造成了機組實際有功功率輸出值發(fā)生較大的波動。

在開度反饋方式下，當(dāng)時水頭為167.43 m，外部功給為546.21 MW，經(jīng)協(xié)聯(lián)曲線計算后的開度給定為79.76%，遠(yuǎn)比當(dāng)時功率反饋下的實際開度68.13%大，由于導(dǎo)葉開限為79.34%，因此切換為開度反饋方式后，調(diào)速器導(dǎo)葉開度由68.13%上升至導(dǎo)葉開限79.34%為止，造成了5號機組負(fù)荷異常上升。

2.5 分析結(jié)論

綜合以上分析，可以得出5號機調(diào)速器在電網(wǎng)異常時負(fù)荷異常上升的原因如下。

(1)電網(wǎng)沖擊對5號機調(diào)速器殘壓測頻元件造成影響，導(dǎo)致殘壓頻率突變，頻率差超過0.5 Hz引起調(diào)速器反饋方式由功率反饋切換為開度反饋。

(2)調(diào)速器切換為開度反饋方式后，其功率給定值需轉(zhuǎn)換為當(dāng)前水頭下開度/功率協(xié)聯(lián)曲線模型對應(yīng)的開度給定值，大于切換前的實際開度，從而導(dǎo)致負(fù)荷異常上升。

3 處理措施

分析電網(wǎng)沖擊造成調(diào)速器負(fù)荷異常上升的原因，主要有:①電網(wǎng)沖擊的影響，電網(wǎng)發(fā)生線路跳閘、雷電干擾等各種沖擊因素?zé)o法消除，其影響不可避免。②機組調(diào)速器全水頭開度/功率協(xié)聯(lián)曲線模型數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，由于該模型數(shù)據(jù)是試驗數(shù)據(jù)，且水輪機出力、水頭、導(dǎo)葉開度是一個非常復(fù)雜的非線性關(guān)系，無法得到準(zhǔn)確的定量數(shù)據(jù)模型，因此校核開度/功率協(xié)聯(lián)曲線模型具有很大的難度，操作性不強。根據(jù)實際經(jīng)驗，專業(yè)人員采取了切實可行的措施，主要有以下3點。

(1)完善調(diào)速器功率反饋切開度反饋邏輯:當(dāng)機組頻率偏差超過0.5 Hz且持續(xù)一段時間，方可切換為開度反饋模式。當(dāng)增加延時判斷條件后，就避免了電網(wǎng)沖擊造成測頻回路瞬時突變對調(diào)速器的干擾，增加了調(diào)速器穩(wěn)定可靠性。

(2)加強監(jiān)視、勤調(diào)整導(dǎo)葉開限。特別在高水頭下，調(diào)整導(dǎo)葉開限略大于機組額定功率對應(yīng)的導(dǎo)葉開度，防止調(diào)速器負(fù)荷異常上升造成機組超出力運行的異常狀況。

(3)對5號機調(diào)速器殘壓測頻板件及通道進(jìn)行校驗，檢查殘壓測頻抗干擾性并更換測頻板件。

采取以上措施后，電網(wǎng)多次發(fā)生線路跳閘、重合閘動作、電壓波動等異常，二灘電廠水輪機調(diào)速器未再發(fā)生負(fù)荷異常上升事件。實際運行表明，針對調(diào)速器負(fù)荷異常上升采取的措施簡單可行，有效地避免電網(wǎng)沖擊對水輪機調(diào)速器的影響。

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