提高水輪發電機組自動開停機成功率的實踐

華能瀾滄江水電股份有限公司小灣水電廠 賀 飛 賀 臻 權緯太

隨著科技和設備制造水平的提高，水電廠設備可靠性逐步提升，水輪發電機組自動開停機成功率也逐步提高。但水電廠機組自動開停機受阻事件仍時有發生，未能完全消除。一次自動開停機受阻，電廠不僅要承擔經濟損失、還要受到電網調度機構及上級公司的考核。2018年某水電廠自動開停機3523次，成功率達到100%。本文將列舉該電廠連續五年自動開停機受阻事件及歷年采取的改進措施，總結提高水輪發電機組自動開停機成功率的方法。

1 開停機受阻事件統計

2014年自動開停機成功率99.63%、自動開停機次數1609、不成功次數6。其故障系統、工況、故障原因分別為：風閘制動系統、停機：“導葉全關”位置開關卡澀，無法正常開出全關信號至制動柜。改進措施見后文；調速系統、開機：水位下降后，對應修改調速器水頭后未對PLC進行復位操作，導致機組轉速在開機時限內未達到95%Ne。改進措施：優化控制程序；勵磁系統、開機：滅磁開關位置擴展繼電器送A套CUD的滅磁開關信號回路存在異常，致使建壓過程中自并勵投入失敗。改進措施：更換繼電器；主軸密封系統、開機：主軸密封電動球閥開啟不到位，主軸密封過濾器水垢堵塞嚴重。改進措施：更換電動球閥并清潔過濾器；技術供水系統、開機：尾水位較低，上導供排水管路進氣。改進措施見后文；同期裝置、開機：開機過程中，連續兩次同期失敗。改進措施見后文。

2015年自動開停機成功率99.96%、自動開停機次數2287、不成功次數1。其故障系統、工況、故障原因分別為：監控系統、開機：監控系統LCU A4柜內“本體在線”繼電器存在缺陷，常閉觸點動作不可靠。改進措施：更換繼電器，并增加上位機監視測點。

2016年自動開停機成功率99.88%、自動開停機次數2538、不成功次數3。其故障系統、工況、故障原因為：調速系統、開機：導葉接力器自動鎖錠塊與接力器連接部位的法蘭處螺栓松動，導致開機時鎖錠未能拔出。改進措施：螺栓緊固；第二次故障同第一次；第三次同期裝置故障導致開機流程退出。改進措施見后文。

2017年自動開停機成功率99.93%、自動開停機次數3007、不成功次數2。其故障系統、工況、故障原因為：調速系統、開機：調速器電柜計算參數設置不合理，計算出的空載開限小于當前水頭機組實際空載開度。改進措施見后文；同期裝置故障。改進措施見后文。

2018年自動開停機成功率100%、自動開停機次數3523、不成功次數0。

2 歷年開展的改造介紹

調速器導葉接力器位移傳感器改造。電廠投產時采用接觸式導葉接力器位移傳感器，機組運行時由于振動、摩擦等原因，傳感器滑塊與導葉位移傳感器本體之間存在受力，長期運行可能使滑塊連接螺栓松動。電廠5號機組曾兩次出現導葉接力器位移傳感器滑塊脫落導致開機過程中緊急停機動作。事后電廠組織對調速器導葉接力器位移傳感器結合檢修進行改造，由接觸式滑塊改造為懸浮式滑塊。改造后導葉接力器采樣穩定，未再出現類似故障。

導葉接力器自動鎖錠行程開關改造。其最初采用羊角式，由于該行程開關本體結構、鎖錠塊偏移、螺栓松動等問題，鎖錠拔出后監控多次顯示“不定態”，造成開機流程退出。為提高導葉接力器自動鎖錠位置信號采集的可靠性，將其更換為直動式，同時新增一套光電式接近開關（非接觸式）。兩套行程開關任意一套報出“拔出”信號，則監控系統判定機組導葉接力器自動鎖錠處于“拔出”狀態，“投入”亦然。

風閘投入邏輯優化及制動器行程開關更換。電廠投產時風閘投入邏輯為：“機組轉速下降至15%Ne”&“導葉全關”。投產后，3、4號機組分別出現過一次因“導葉全關”行程開關卡澀或松動導致的風閘未正常投入情況。對機組風閘投入邏輯進行了優化，在“導葉全關”接點上并接“筒閥全關”接點，優化后的風閘投入邏輯如下：“機組轉速下降至15%Ne”&（“導葉全關”or“筒閥全關”）。

轉速測量裝置冗余改造。電廠投產時每臺機組僅安裝一套轉速測量來測量機組轉速，并作為機組的狀態判斷及高頂投退、風閘投退、機組緊急停機等的信號源，安全性和可靠性不高。為提高轉速信號的可靠性，在現有轉速測量系統的基礎上加裝一套不同廠家的轉速測量裝置，形成冗余配置。

同期裝置冗余改造。同期裝置是完成機組與系統之間并列運行的重要設備，設備故障將導致機組并網失敗。電廠投產時每臺機組設有一套自動準同期裝置，為確保機組開機成功率、降低因同期裝置故障而導致的機組開機受阻，新增了一套自動準同期裝置，形成冗余配置。

筒閥控制邏輯優化。電廠筒閥采用電液同步控制方式，投產后經常在全開或全關附近出現卡阻。經分析，原因為筒閥動作的初始階段將比例伺服閥全開，比例伺服閥失去了同步調節的能力。針對此問題，將筒閥動作始端的緩沖行程（2.5%）取消，直接接通主油路，并將筒閥動作末端的緩沖行程由2.5%調整為1%，使比例伺服閥在筒閥動作起始的99%行程中均參與自動調節。同時在筒閥動作前增加平壓邏輯，用于補償筒閥在長期開啟或關閉后，各接力器有桿腔和無桿腔壓力不平衡的現象。控制邏輯優化后電廠筒閥已多年未再出現卡阻現象。

圖1 優化后筒閥控制邏輯圖

調速器空載開度完善。開機過程中機組導葉開度會受到調速器空載開度設值的限制，電廠出現過因調速器空載開度設值偏小，造成開機過程中機組導葉開度受空載開度限制而無法繼續增大，機組轉速無法達到額定值，導致自動開機受阻的情況。為避免此類事件再次發生，適度增大了調速器各水頭下的空載開度設值。

新增開機壓導葉控制邏輯。電廠調速器主配內泄較大，為解決此問題，取消了主配的關機電壓，停機狀態下讓主配保持在中位，以減小內泄并延長調速油壓裝置油泵啟動間隔時長。取消關機電壓后，為防止開機過程中鎖錠卡阻新增了開機前壓導葉邏輯：即開機流程執行時，監控系統先開出“開機壓導葉”脈沖量信號（脈寬2s），調速器接收到該信號后輸出一個-0.5V的關機電壓壓導葉，以保證導葉自動鎖錠隨后能正常拔出。

新增同期并網前穩定時間。電廠曾經出現過連續兩次同期失敗導致開機受阻的情況，經分析，機組剛剛由停機態轉為空載態（加勵磁未并網）后轉速尚未完全穩定，是導致此次同期失敗的主要原因。針對此問題，在機組轉為空載態后、在下發同期并網指令前新增120s穩定時間；同時將每次同期時間限值由3min增加至5min，即啟動同期后5min內機組仍未與系統并列則本次同期退出。

延長技術供水正常判斷延時。電廠機組上導冷卻器安裝位置較高，在全廠負荷較低的情況下會出現停機機組上導冷卻器進氣的情況，導致該機組下次開機過程中上導冷卻器流量上升緩慢。若在計算機監控系統機組技術供水正常判斷延時之前，上導冷卻器流量始終未能超過“上導流量低”定值則將導致開機失敗。為避免此類情況發生，將計算機監控系統機組技術供水正常判斷延時由2min延長至10min。

3 提高自動開停機成功率的思考

3.1 設備角度

從設備角度看，水輪發電機組自動開停機有兩方面的參與者，一方是計算機監控系統，另一方是機組及其子系統，包括主閥、調速器、勵磁裝置、同期裝置、機組技術供水系統、主軸密封系統、高壓油頂起裝置、風閘制動裝置及其它輔助設備。自動開停機就是計算機監控系統與機組各子系統間交互信息，讓機組由停機態轉為發電態或由發電態轉為停機態的過程。因此，提高水輪發電機組自動開停機成功率，可從計算機監控系統和機組子系統兩方面考慮，其中前者主要體現為優化控制流程[1]，后者主要體現為提高子系統可靠性。

3.1.1 優化控制流程

控制流程應與控制對象（即機組各子系統）相匹配。機組投產時的計算機監控系統自動開停機流程，是在考慮與其它電站的“相通性”基礎上開發的。隨著機組投產年限的增加，出現的自動開停機受阻事件讓機組各子系統的“特殊性”逐步顯現出來。控制流程優化就是針對這些“特殊性”不斷完善控制流程，讓控制流程與控制對象的契合度不斷提升，達到提高自動開停機成功率的目的。

3.1.2 提高子系統可靠性

機組子系統在接受到計算機監控系統的控制指令后，一方面要能“執行下來”，另一方面要能“反饋回去”。“執行下來”主要是要做好設備檢修維護。機組檢修期間應做好各子系統的檢修，如螺栓端子緊固、繼電器校驗、參數核對、絕緣測試、缺陷處理、功能試驗及設備改造等；非檢修期應做好濾芯清潔、潤滑脂加注等定期工作。

“反饋回去”主要是指提高自動化元器件的可靠性。水輪發電機組使用了大量自動化元器件，用于數據測量及狀態反饋等，各子系統不僅需將執行過程及結果“反饋”至本系統控制器，也需“反饋”至電廠計算機監控系統。實踐證實，自動化元器件的可靠性對機組自動開停機成功率有很大影響[2]。提高自動化元器件的可靠性主要從以下方面考慮：一是結合檢修做好元器件的功能測試，及時更換性能下降或不合格的元器件，可考慮對使用年限較久的元器件統一進行更換；二是對存在問題的元器件進行改造升級，選用性能可靠、穩定性好、抗干擾能力強的產品；三是做好部分重要元器件的冗余配置。

3.2 管理角度

做好開停機受阻事件的閉環管理。對于每一次自動開停機受阻事件，都應認真組織分析，找出問題根源，制定技術改進措施并組織實施，從根本上解決問題。只有這樣持續完善，才能不斷提高設備可靠性、降低設備缺陷，提高自動開停機成功率。

做好設備運行分析。隨著大數據、工業互聯網等技術的出現，數據分析越來越容易且重要。對于機組產生的數據實時進行分析，能及時發現設備缺陷或劣化趨勢，從而指導我們做好設備狀態維護，優化機組運行方式，避免自動開停機受阻事件的發生。如利用信息化手段對每次開停機各環節的用時進行計算，與歷史數據進行對比等。

做好設備日常巡檢。對于直接影響開停機的要害部位、重要設備，如導葉接力器位移傳感器、自動鎖錠行程開關等，可制定定期巡檢計劃，加強巡檢，及時發現問題并處理。

綜上，不同電廠設備所處階段不同，自動開停機所面臨的問題也不同。只要持續做好計算機監控系統控制流程優化、不斷提高機組各子系統可靠性，持續做好設備運行分析及設備日常巡檢，并針對每一次自動開停機受阻事件做好整改閉環管理，相信電廠的自動開停機成功率會持續提高。