山美水電站機組停機流程分析與改進

陳少挺

(福建省泉州市山美水庫管理處，福建 泉州 362000)

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山美水電站機組停機流程分析與改進

陳少挺

(福建省泉州市山美水庫管理處，福建 泉州 362000)

山美水電站建于晉江支流東溪上，距離泉州市40km，是一座以灌溉為主、結合防洪、供水、發電等用途的綜合性大型水利工程。文章闡述了電站機組停機的分類與啟動源，對山美水電站的基本情況進行介紹，重點對山美水電站機組停機流程進行了分析與改進，以期為電站的安全穩定運行提供理論指導。

水電站；調速器；停機流程；故障分析；啟動源

1　電站機組停機的分類與啟動源

1.1事故停機的分類

根據電站機組停機原因的差別，可以將其分為以下3類：

1)緊急事故停機，該停機多出現在控制機組的重要設備出現重大事故的情況，如調速器、勵磁等設備出現故障，當出現緊急事故時，首先應關閉進水口閘門，并投入緊急停機電磁閥以及事故配壓閥，然后再執行停機流程。

2)電氣事故停機，該類停機多發生在發電機、主變壓器等電器的保護動作對機組運行產生影響的情況下，當出現電氣事故時，首先應分出口斷路器以及滅磁開關，然后執行調速器停機命令，投入緊急停機電磁閥以及事故配壓閥，最后執行停機流程。

3)機械停機事故，該類停機多發生在發電機的軸瓦、振動、水位、油溫超出正常范圍并對機組產生影響的情況下，當出現機械事故時，首先應降低負荷，當負荷降至一定范圍內后，投入緊急停機電磁閥并執行停機流程。

1.2事故停機常見啟動源

根據上述對電站停機原因的分類，可以得出電站事故停機的常見啟動源主要包括以下3類：

1)緊急事故停機啟動源：主要包括調速器交直流電源缺失、油壓裝置低油壓，機械液壓過速，停機過程中斷銷被剪斷，人工設置等。

2)電氣事故停機啟動源：主要包括發電機差動保護、橫差保護動作，主變重瓦斯保護動作、非電量電氣事故動作等，此類動作信號將由保護裝置傳輸至系統監控中心。

3)機械事故停機啟動源：主要包括上導軸承、下導軸承以及推力軸承溫度過高，主軸密封水、冷卻水中斷，油槽油位過低，搖擺保護動作，人工設置等。電機事故停機源信號如果配有相關軟、硬件壓板，則必須在執行停機流程前確定軟、硬件壓板在投入位置。

2　山美水電站機概況

山美水電站建于晉江支流東溪上，距離泉州市40km，是一座以灌溉為主、結合防洪、供水、發電等用途的綜合性大型水利工程。山美水電站有3臺發電機組，兩臺裝于地下廠房，1972年建成投產發電，2004年對地下廠房技改并擴容10%，擴容后單機額定功率為16.5MW；1996年擴容新增一座地面廠房，裝有一臺發電機組，額定功率33MW。3臺發電機組水輪機控制系統選用的都是由南瑞集團公司設計并生產的SAFR—2000H型微機調速系統，微機調節器部分采用了貝加萊公司的X20控制器，雙機熱冗余、智能切換，實現調節控制；實時診斷容錯(頻率容錯；行程容錯；水頭容錯；液壓容錯；電源容錯；功率容錯)及故障保護；智能調試、維護與診斷及計算機輔助分析功能

機械液壓部分則采用了BOSCH公司的比例伺服閥作為電液轉換單元，主配壓閥為南瑞自主研發的ZFL—80/D閥。電源模塊、控制模塊、傳感器、電液轉換等部分均采用了雙冗余配置，仲裁判斷均為第三方智能切換單元，軟件部分為南瑞公司專有的改進型并聯PID算法、雙微分算法等，擁有完全自主知識產權。

南瑞集團公司研發的SAFR-2000H系列水輪機調速器電氣調節裝置是基于可編程計算機控制器PCC與實時操作系統等先進技術的水輪機調節器，主要適用于混流式、軸流轉漿式、沖擊式、灌流式水輪發電機組，以及抽水蓄能機組，主要作用是對發電機組轉速調節、有功功率調節的運行控制。SAFR-2000H系列水輪機調速器專門配置有大屏真彩液晶顯示器，以方便設備控制人員進行運行監視以及調速器操作，該調速器還可以根據不同用戶的具體需求，針對設備具體型號配置不同的硬件及軟件，系統自身具有一定的兼容性[1]。

SAFR-2000H系列水輪機調速器的主要特點包括：接口電路集成化；分布式隔離電源；硬件熱冗余與軟件容錯；先進的表貼工藝，電磁兼容性好、可靠度高；可操作性強；維護性好；可擴展性強；故障定位專家系統、超前預警系統，能及時預警排查故障。

3　山美水電站機組停機流程分析

3.1事故經過

2014年6月22日110kV山井線零序二段保護動作，3臺機組高頻保護動作；具體動作情況是：#1機出口斷路器跳閘，機組過速155%，關主閥事故停機；#2機出口斷路器跳閘，轉速115%、機組主配拒動，關主閥，事故停機；#3機出口斷路器跳閘，機組進入空載狀態。#3機于1996年投產，未設置導葉分段關閉。由于機組甩負荷時轉速迅速升高，若調速器不能及時關閉導葉，發電機轉速持續上升，會在轉輪室內產生較高真空，嚴重時會引起機組部件損壞。但如果導葉過快關閉會引起上游壓力鋼管壓力增大、嚴重時會引起機組抬機及壓力鋼管損壞。為了防止擴容后機組甩負荷后破壞導水部件及抬機現象，我站2004年對地下廠房機組技改安裝了導葉分段關閉裝置和過速保護，在發生事故甩負荷時導葉第一階段快關，第二階段慢關，降低水壓及轉速上升速率；若導葉關閉較慢，機組轉速持續上升達到155%或轉速達到115%時調速器主配壓閥沒動作，發電機監控系統LCU判斷調速器異常，自動發出關閉主閥命令[2]。正常甩負荷時,調速器反應足夠靈敏時，機組會轉入空載狀態而不會停機。但在本次過程中，除#3機組動作正確，#1、#2機均出現機組過速并關閉主閥的問題。

3.2故障分析

根據上述現象認真分析，發現#1機組轉速到115%是雖然沒發生主配拒動，但轉速仍繼續上升觸動“155%事故停機信號”關閉主閥；#2機雖然沒到155%，但機組轉速到115%時“調速器主配拒動”，也觸發關閉主閥命令。經排查發現#1、#2機組的導葉分段關閉裝置可能損壞，#2機主配壓閥行程開關的接點位置偏移致使“調速器主配拒動”信號誤動，導致調速器在機組轉速達到115%未能及時投入主配壓閥關閉導葉，電氣事故停機。調整#2機調速器主配行程開關至正確位置后，對#1、#2機進行試驗，以驗證分段關閉閥是否正確動作：

1)空載擾動動態特性試驗：機組開機至空載(轉速50HZ)，調速器設置于自動調節狀態，啟動調速器工控機調試軟件，選擇動態試驗界面，然后再選擇空載擾動試驗，在調節器內給定擾動量：上擾最高頻率52Hz、下擾最低頻率48Hz。發出擾動試驗命令，調速器開始擾動，調試軟件自動記錄頻率擾動發生后的機組轉速信號，測得調速器的控制參數為Kp=2.5，Ki=0.25，Kd=1，與整定值相符,動態特性曲線正常，優于國標要求和有關規定[3]。

2)甩負荷試驗：將機組轉入發電運行狀態，帶滿16.5WM額定負荷，斷開發電機出口斷路器進行甩負荷試驗，斷開發電機出口斷路器后大約5s時機組轉速達到155%額定轉速，觸發機組機械過速信號，引起機組事故停機信號動作，機組事故停機聯動關閉主閥[4]。

圖1　甩100%負荷時導葉分段曲線圖

圖2　事故甩負荷后導葉關閉曲線圖

轉速升高的程度與機組當時導葉開度的大小與關閉速率有關。根據獲取的甩負荷時導葉關閉曲線圖，發現導葉關閉曲線100%～14%的斜率基本一致，第1段：100%～50%，10S，第2段：50%～14%，13S，第3段：13%～0%，12S，導葉全關時間為35S。查找投產試驗時試驗數據，當時甩100%負荷時導葉全關時間28S,對比發現導葉關閉過程明顯偏慢。

4　山美水電站機組停機流程改進

檢查導葉分段關閉裝置，發現該分段關閉電磁閥已經卡死，快速關閉閥主油路被切斷，使得液壓油經過慢關油路到導葉接力器，導致接力器關閉速度過慢，未及時抑制轉速上升，致使機組過速。

針對該問題，分別從硬件和軟件兩方面對停機流程進行了改進處理。硬件方面：1996年擴建地面廠房時，為削減3臺機同時甩負荷時產生的壓力，我站在進水壓力鋼管上游修建一座阻抗式調壓井。經過技術部門核算調壓井現有容積足夠抵消3臺機同時甩滿載負荷時產生的壓力，符合安全運行的要求，決定拆除分段關閉裝置；軟件方面：刪除機組PLC程序中分段關閉程序，優化停機流程，縮短停機時間。甩負荷時機組調速器反應靈敏，機組轉速得到有效抑制，已不會再出現事故停機過速的問題。

5　結　語

本文主要對此次機組轉速上升，過速保護誤動作現象進行查找分析，調整主配壓閥行程開關位置，發現分段關閉裝置動作不可靠。為解決機組停機流程中存在的問題，對導葉分段關閉裝置進行了拆除；刪除機組PLC中導葉分段關閉相關的程序段，徹底解決了#1、#2機在事故停機過程中調速裝置未能及時動作引起的事故停機問題。

[1]王劍華.淺析某電廠#2機組停機過程中不能完全執行停機流程的原因[J].科技創新與應用，2013(05)：77-79.

[2]周克力.某電廠停機流程優缺點分析[J].科技創新與應用，2013(35)：55-58.

[3]程遠楚，張江濱.水輪機自動調節[M].北京：中國水利水電出版社.2010：2.

[4]李文金.水電廠機組事故停機流程設計[J].云南電力技術,2015(12)：32-36.

1007-7596(2016)07-0077-02

2016-05-28

陳少挺(1977-)，男，福建南安人，工程師，從事水電站繼電保護及自動化工作。

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