新城電廠機組調速器系統技術改造

魏謙

（四川嘉陵江新政航電開發有限公司，四川 儀隴 637676）

一、概述

新城電廠位于南充市儀隴縣境內，距縣城4 公里，是四川嘉陵江渠化開發十六級規劃的第七級，是四川省“十五”規劃重點水運基礎設施建設工程事宜發電、航運為主兼顧灌溉、旅游的綜合利用工程?？傃b機容量 10.8 萬千瓦，設計年發電量5.084 億千瓦時。新城電廠建Ⅳ級船閘一座，設計年通航能力375 萬噸，渠化航道37 公里。電站正常蓄水位324m，最大水頭14.75m，額定水頭11.20m，3 臺水輪發電機組系東方電機股份有限公司生產的臥軸燈泡貫流式水輪發電機（SFWG36-64/7050），調速器采用的是武漢三聯公司生產的雙可編程雙比例閥全冗余式雙重調節調速器，型號為SPW(S)T-150-6.3，該調速器以PLC 可編程控制器及其系列模塊作為硬件核心，采用主從機雙重冗余結構。

二、功能介紹

水輪機調速器是水電站發電機組的重要輔助設備，他與電站二次回路、計算機監控系統相配合，完成水輪發電機組的開機、停機、增減負荷、緊急停機等任務。

水輪發電機組轉動部分的運動方程為： Jdω/dt=Mt-Mg，該式表明，保持機組轉速（頻率）為恒值條件dω/dt ＝0，即要求Mt ＝Mg，否則就會導致機組轉速（頻率）偏離額定值，從而出現轉速（頻率）偏差。而水輪機轉矩為：Mt ＝ρQHηt/ω，從Mt 的表達式可知，在水頭一定的情況下，只有調節流量Q 和效率ηt，才能調節水輪機轉矩Mt，達到Mt ＝Mg 的目的，只有當水輪機調節器相應地調節水輪機導水機構開度（調節流量Q）和水輪機輪葉的角度（調節效率ηt），使Mt ＝Mg，才能使機組在一個允許的規定轉速（頻率）下運行。所以，水輪機調節的實質就是：根據偏離額定值的轉速（頻率）偏差信號，不斷地調節水輪機的導水機構和輪葉機構，維持水輪發電機組功率與負荷功率的平衡。

三、故障現象分析

新城電廠調速器從投運至今，已運行十余年，在投運初期運行較為穩定，但在近年來暴露出來一些缺陷，雖經廠家多次處理，采取了一些措施來提高調速器系統的穩定性，但運行效果始終不太理想。主要現象如下：

1.機組上網負荷波動較大，最高達1.5MW 左右，調速器一次調頻動作時常不滿足電網要求，根據《兩個細則》規定，被調度部門考核多次。

2.導葉和漿葉反饋無法及時及時調整到位，引發調速器報故障，導致機組需要人工干預，工作人員工作量變大，嚴重時導致非正常停機事件。

3.機組運行時，輪葉、導葉動作頻繁，用油量大，油霧嚴重。調速器處于“機手動”工況時，主配機械中位不能保持（全行程2 分鐘左右關閉），且處于偏關方向（DL/T 563-2016 《水輪機電液調節系統及裝置技術規程》5.2.4：手動狀態下，接力器處于穩定位置時30min 內位移漂移量，在空載狀態，應在其全行程的-0.2%-0.2%范圍內；在并網狀態，應在其全行程的-0.5%-0.5%范圍內），經廠家多次現場處理，無法解決此問題。如果機組在運行時調速器切“機手動”就會出現進相運行，導致逆功率保護動作，造成事故停機。

4.調速器油泵啟動間隔時間為2～5 分鐘，大大小于《水輪機調節系統及裝置運行與檢修規程》（DL/T 792-2013）中，對間歇運行的油泵啟動間隔不得小于30min 的要求，油泵啟動頻繁，導致油箱油溫升高（夏季最高達48℃），不但造成潤滑油運動粘度降低、油質易變質外，還使設備機械部位容易磨損、縮短其使用壽命。

5.設備老化嚴重，缺陷率逐年升高，且調速器電氣柜內電子產品老化嚴重，部分電子產品由原廠家自制，而廠家已停止生產這類產品，主要核心電子產品（PLC和HMI）已更新換代，后續產品無法全面兼容，購買配件十分困難。以上故障現象嚴重影響了水輪發電機組的安全穩定運行，給設備運行和維護人員帶來了難度和困擾。對以上現象進行梳理和總結，不難發現調速系統調節性能已經不能滿足要求，經分析造成上述故障的主要原因有以下幾點：

1.機組波動負荷較大主要是原因是調速器導葉和槳葉的協聯不好，導致功率波動較大，當超過監控系統功率閉環調節死區時，監控系統給調速器發脈沖（開度調節模式下），如此反復造成功率波動始終較大，以致一次調頻動作不能滿足電網要求。

2.檢查中發現主配壓閥、調速器導葉和漿葉開度反饋傳感器精度和性能不能滿足要求，受信號干擾較重，尤其是槳葉開度反饋傳感器，對講機不能在附近使用。

3.現場排查發現調速器主閥閥芯磨損嚴重，漏油嚴重，導致主閥串油，調節自然變得頻繁，必然導致耗油量大，壓油罐壓力降低較快，調速器油泵啟動頻繁，由于調速器回油箱內主配下方，回油管出口在液面上方，調速器主配的回油帶有壓力，造成了油箱內部大量油霧的產生。

四、技改選型

為解決調速器運行中出現的諸多問題，在分析故障原因的前提下，根據國家現行標準和規范實施對調速器系統的技術改造。

（一）選型分析

對于調速器電氣控制部分，現階段水電站調速器電氣控制系統多采用兩種控制方式：一是以可編程控制器（PLC）為硬件核心，雙PLC 通道冗余控制結構；二是以工業控制微機(IPC)為硬件核心，雙微機通道冗余控制結構。IPC 在自動控制，邏輯控制，算法控制等數據處理能力較強，然而過多的控制，以及運算電路，會使用系統的風險也會加大。PLC 控制系統系統結構簡單，穩定性強，使用可靠。

考慮到近年來以IPC 為硬件核心的實際使用情況，以及IPC 插件耐污能力相對較差，電氣控制系統改造方案選用PLC 為硬件核心的控制系統，而且必須要求改造所選用的PLC 應在水利水電工程中有成熟、廣泛的應用，且應是國內外知名品牌模塊化結構PLC，如：西門子S7-1200、GE PACsystems Rx3i、施耐德Unity Quantum、ABB-AC800M 系列PLC。

（二）機械部分

現階段水電站調速器機械系統均采用微機調節器+電液隨動系統。該系統主要分為兩種結構：一種是電液轉換裝置+自復中式主配壓閥，另外一種是高速開關閥+邏輯插裝閥（CVT）。

為進行方案的選擇，對兩種結構進行如下對比：

表1 調速器機械系統結構比較

通過對調速器系統電氣控制部分和機械部分的選型分析，綜合考慮燈泡貫流式機組調速器系統的市場保有量和經濟性，最終決定采用武漢三聯水電控制設備有限公司提供的型號為PPWST-150/100-6.3 可編程雙比例閥全冗余式雙重調節調速器。

微機調速器核心元件采用較為新型的德國SIEMENS 公司S7-1200 系列PLC 以便于設備備件的采購及加強設備的控制。調速器機械液壓系統采用BOSCH-REXROTH原裝進口比例伺服閥互為冗余結構的電液轉換器；主配采用三聯公司的PPWST 型產品（主配機械零點可調），主配壓閥閥體材料須采用40 鉻，活塞材料須采用45 號鋼，配壓閥直徑與原主配管路匹配，可以減少主配壓閥的磨損。同時采用抗干擾力強的兩線制測速傳感器及磁致伸縮式開度傳感；采用非接觸式傳感器測量主配壓閥開口。另外，在技改中提出并要求將調速器回油箱內主配下方回油管出口向下延伸至液面下方，以降低油箱內部產生的油霧。

五、技改效果

新城電廠3#機組調速器首先采用了上述技改方案，總結近段時間的運行情況，效果明顯，調速器調節穩定，各項技術指標均優于規范要求。機組負荷波動明顯減小，波動范圍在0.4MW 以內；調速器主油泵啟動間隔時間大大延長，目前間隔時間約35-60 分鐘（與負荷調整頻度有關）；調速器給定與反饋跟蹤響應迅速，回油箱油霧現象大大改善，改造以來一次調頻動作均為合格，滿足一次調頻性能要求。

六、結束語

新城電廠通過技術經濟比較，綜合分析，選擇了合適的調速器調節系統，3 號機組調速器系統技術改造以來，已順利運行一年多時間，證明本次技改成功，實現了運行穩定可靠、調節迅速、性能優良，滿足機組在各種水頭下的安全穩定運行，達到了技改的預期目的，可為類似水電站調速器系統技術改造提供借鑒。