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(jī)組停機(jī)流程分析與改進(jìn)

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(jié)合防洪、供水、發(fā)電等用途的綜合性大型水利工程。文章闡述了電站機(jī)組停機(jī)的分類與啟動(dòng)源，對(duì)山美水電站的基本情況進(jìn)行介紹，重點(diǎn)對(duì)山美水電站機(jī)組停機(jī)流程進(jìn)行了分析與改進(jìn)，以期為電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供理論指導(dǎo)。

水電站；調(diào)速器；停機(jī)流程；故障分析；啟動(dòng)源

1　電站機(jī)組停機(jī)的分類與啟動(dòng)源

1.1事故停機(jī)的分類

根據(jù)電站機(jī)組停機(jī)原因的差別，可以將其分為以下3類：

1)緊急事故停機(jī)，該停機(jī)多出現(xiàn)在控制機(jī)組的重要設(shè)備出現(xiàn)重大事故的情況，如調(diào)速器、勵(lì)磁等設(shè)備出現(xiàn)故障，當(dāng)出現(xiàn)緊急事故時(shí)，首先應(yīng)關(guān)閉進(jìn)水口閘門，并投入緊急停機(jī)電磁閥以及事故配壓閥，然后再執(zhí)行停機(jī)流程。

2)電氣事故停機(jī)，該類停機(jī)多發(fā)生在發(fā)電機(jī)、主變壓器等電器的保護(hù)動(dòng)作對(duì)機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生影響的情況下，當(dāng)出現(xiàn)電氣事故時(shí)，首先應(yīng)分出口斷路器以及滅磁開關(guān)，然后執(zhí)行調(diào)速器停機(jī)命令，投入緊急停機(jī)電磁閥以及事故配壓閥，最后執(zhí)行停機(jī)流程。

3)機(jī)械停機(jī)事故，該類停機(jī)多發(fā)生在發(fā)電機(jī)的軸瓦、振動(dòng)、水位、油溫超出正常范圍并對(duì)機(jī)組產(chǎn)生影響的情況下，當(dāng)出現(xiàn)機(jī)械事故時(shí)，首先應(yīng)降低負(fù)荷，當(dāng)負(fù)荷降至一定范圍內(nèi)后，投入緊急停機(jī)電磁閥并執(zhí)行停機(jī)流程。

1.2事故停機(jī)常見啟動(dòng)源

根據(jù)上述對(duì)電站停機(jī)原因的分類，可以得出電站事故停機(jī)的常見啟動(dòng)源主要包括以下3類：

1)緊急事故停機(jī)啟動(dòng)源：主要包括調(diào)速器交直流電源缺失、油壓裝置低油壓，機(jī)械液壓過速，停機(jī)過程中斷銷被剪斷，人工設(shè)置等。

2)電氣事故停機(jī)啟動(dòng)源：主要包括發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)、橫差保護(hù)動(dòng)作，主變重瓦斯保護(hù)動(dòng)作、非電量電氣事故動(dòng)作等，此類動(dòng)作信號(hào)將由保護(hù)裝置傳輸至系統(tǒng)監(jiān)控中心。

3)機(jī)械事故停機(jī)啟動(dòng)源：主要包括上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)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(hù)動(dòng)作，人工設(shè)置等。電機(jī)事故停機(jī)源信號(hào)如果配有相關(guān)軟、硬件壓板，則必須在執(zhí)行停機(jī)流程前確定軟、硬件壓板在投入位置。

2　山美水電站機(jī)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(jié)合防洪、供水、發(fā)電等用途的綜合性大型水利工程。山美水電站有3臺(tái)發(fā)電機(jī)組，兩臺(tái)裝于地下廠房，1972年建成投產(chǎn)發(fā)電，2004年對(duì)地下廠房技改并擴(kuò)容10%，擴(kuò)容后單機(jī)額定功率為16.5MW；1996年擴(kuò)容新增一座地面廠房，裝有一臺(tái)發(fā)電機(jī)組，額定功率33MW。3臺(tái)發(fā)電機(jī)組水輪機(jī)控制系統(tǒng)選用的都是由南瑞集團(tuán)公司設(shè)計(jì)并生產(chǎn)的SAFR—2000H型微機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，微機(jī)調(diào)節(jié)器部分采用了貝加萊公司的X20控制器，雙機(jī)熱冗余、智能切換，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)控制；實(shí)時(shí)診斷容錯(cuò)(頻率容錯(cuò)；行程容錯(cuò)；水頭容錯(cuò)；液壓容錯(cuò)；電源容錯(cuò)；功率容錯(cuò))及故障保護(hù)；智能調(diào)試、維護(hù)與診斷及計(jì)算機(jī)輔助分析功能

機(jī)械液壓部分則采用了BOSCH公司的比例伺服閥作為電液轉(zhuǎn)換單元，主配壓閥為南瑞自主研發(fā)的ZFL—80/D閥。電源模塊、控制模塊、傳感器、電液轉(zhuǎn)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(jìn)型并聯(lián)PID算法、雙微分算法等，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

南瑞集團(tuán)公司研發(fā)的SAFR-2000H系列水輪機(jī)調(diào)速器電氣調(diào)節(jié)裝置是基于可編程計(jì)算機(jī)控制器PCC與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)的水輪機(jī)調(diào)節(jié)器，主要適用于混流式、軸流轉(zhuǎn)漿式、沖擊式、灌流式水輪發(fā)電機(jī)組，以及抽水蓄能機(jī)組，主要作用是對(duì)發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、有功功率調(diào)節(jié)的運(yùn)行控制。SAFR-2000H系列水輪機(jī)調(diào)速器專門配置有大屏真彩液晶顯示器，以方便設(shè)備控制人員進(jìn)行運(yùn)行監(jiān)視以及調(diào)速器操作，該調(diào)速器還可以根據(jù)不同用戶的具體需求，針對(duì)設(shè)備具體型號(hào)配置不同的硬件及軟件，系統(tǒng)自身具有一定的兼容性[1]。

SAFR-2000H系列水輪機(jī)調(diào)速器的主要特點(diǎn)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(cuò)；先進(jìn)的表貼工藝，電磁兼容性好、可靠度高；可操作性強(qiáng)；維護(hù)性好；可擴(kuò)展性強(qiáng)；故障定位專家系統(tǒng)、超前預(yù)警系統(tǒng)，能及時(shí)預(yù)警排查故障。

3　山美水電站機(jī)組停機(jī)流程分析

3.1事故經(jīng)過

2014年6月22日110kV山井線零序二段保護(hù)動(dòng)作，3臺(tái)機(jī)組高頻保護(hù)動(dòng)作；具體動(dòng)作情況是：#1機(jī)出口斷路器跳閘，機(jī)組過速155%，關(guān)主閥事故停機(jī)；#2機(jī)出口斷路器跳閘，轉(zhuǎn)速115%、機(jī)組主配拒動(dòng)，關(guān)主閥，事故停機(jī)；#3機(jī)出口斷路器跳閘，機(jī)組進(jìn)入空載狀態(tài)。#3機(jī)于1996年投產(chǎn)，未設(shè)置導(dǎo)葉分段關(guān)閉。由于機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)轉(zhuǎn)速迅速升高，若調(diào)速器不能及時(shí)關(guān)閉導(dǎo)葉，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速持續(xù)上升，會(huì)在轉(zhuǎn)輪室內(nèi)產(chǎn)生較高真空，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起機(jī)組部件損壞。但如果導(dǎo)葉過快關(guān)閉會(huì)引起上游壓力鋼管壓力增大、嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起機(jī)組抬機(jī)及壓力鋼管損壞。為了防止擴(kuò)容后機(jī)組甩負(fù)荷后破壞導(dǎo)水部件及抬機(jī)現(xiàn)象，我站2004年對(duì)地下廠房機(jī)組技改安裝了導(dǎo)葉分段關(guān)閉裝置和過速保護(hù)，在發(fā)生事故甩負(fù)荷時(shí)導(dǎo)葉第一階段快關(guān)，第二階段慢關(guān)，降低水壓及轉(zhuǎn)速上升速率；若導(dǎo)葉關(guān)閉較慢，機(jī)組轉(zhuǎn)速持續(xù)上升達(dá)到155%或轉(zhuǎn)速達(dá)到115%時(shí)調(diào)速器主配壓閥沒動(dòng)作，發(fā)電機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)LCU判斷調(diào)速器異常，自動(dòng)發(fā)出關(guān)閉主閥命令[2]。正常甩負(fù)荷時(shí),調(diào)速器反應(yīng)足夠靈敏時(shí)，機(jī)組會(huì)轉(zhuǎn)入空載狀態(tài)而不會(huì)停機(jī)。但在本次過程中，除#3機(jī)組動(dòng)作正確，#1、#2機(jī)均出現(xiàn)機(jī)組過速并關(guān)閉主閥的問題。

3.2故障分析

根據(jù)上述現(xiàn)象認(rèn)真分析，發(fā)現(xiàn)#1機(jī)組轉(zhuǎn)速到115%是雖然沒發(fā)生主配拒動(dòng)，但轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升觸動(dòng)“155%事故停機(jī)信號(hào)”關(guān)閉主閥；#2機(jī)雖然沒到155%，但機(jī)組轉(zhuǎn)速到115%時(shí)“調(diào)速器主配拒動(dòng)”，也觸發(fā)關(guān)閉主閥命令。經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)#1、#2機(jī)組的導(dǎo)葉分段關(guān)閉裝置可能損壞，#2機(jī)主配壓閥行程開關(guān)的接點(diǎn)位置偏移致使“調(diào)速器主配拒動(dòng)”信號(hào)誤動(dòng)，導(dǎo)致調(diào)速器在機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到115%未能及時(shí)投入主配壓閥關(guān)閉導(dǎo)葉，電氣事故停機(jī)。調(diào)整#2機(jī)調(diào)速器主配行程開關(guān)至正確位置后，對(duì)#1、#2機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，以驗(yàn)證分段關(guān)閉閥是否正確動(dòng)作：

1)空載擾動(dòng)動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)：機(jī)組開機(jī)至空載(轉(zhuǎn)速50HZ)，調(diào)速器設(shè)置于自動(dòng)調(diào)節(jié)狀態(tài)，啟動(dòng)調(diào)速器工控機(jī)調(diào)試軟件，選擇動(dòng)態(tài)試驗(yàn)界面，然后再選擇空載擾動(dòng)試驗(yàn)，在調(diào)節(jié)器內(nèi)給定擾動(dòng)量：上擾最高頻率52Hz、下擾最低頻率48Hz。發(fā)出擾動(dòng)試驗(yàn)命令，調(diào)速器開始擾動(dòng)，調(diào)試軟件自動(dòng)記錄頻率擾動(dòng)發(fā)生后的機(jī)組轉(zhuǎn)速信號(hào)，測得調(diào)速器的控制參數(shù)為Kp=2.5，Ki=0.25，Kd=1，與整定值相符,動(dòng)態(tài)特性曲線正常，優(yōu)于國標(biāo)要求和有關(guān)規(guī)定[3]。

2)甩負(fù)荷試驗(yàn)：將機(jī)組轉(zhuǎn)入發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)，帶滿16.5WM額定負(fù)荷，斷開發(fā)電機(jī)出口斷路器進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)，斷開發(fā)電機(jī)出口斷路器后大約5s時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到155%額定轉(zhuǎn)速，觸發(fā)機(jī)組機(jī)械過速信號(hào)，引起機(jī)組事故停機(jī)信號(hào)動(dòng)作，機(jī)組事故停機(jī)聯(lián)動(dòng)關(guān)閉主閥[4]。

圖1　甩100%負(fù)荷時(shí)導(dǎo)葉分段曲線圖

圖2　事故甩負(fù)荷后導(dǎo)葉關(guān)閉曲線圖

轉(zhuǎn)速升高的程度與機(jī)組當(dāng)時(shí)導(dǎo)葉開度的大小與關(guān)閉速率有關(guān)。根據(jù)獲取的甩負(fù)荷時(shí)導(dǎo)葉關(guān)閉曲線圖，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉關(guān)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(dǎo)葉全關(guān)時(shí)間為35S。查找投產(chǎn)試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)時(shí)甩100%負(fù)荷時(shí)導(dǎo)葉全關(guān)時(shí)間28S,對(duì)比發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉關(guān)閉過程明顯偏慢。

4　山美水電站機(jī)組停機(jī)流程改進(jìn)

檢查導(dǎo)葉分段關(guān)閉裝置，發(fā)現(xiàn)該分段關(guān)閉電磁閥已經(jīng)卡死，快速關(guān)閉閥主油路被切斷，使得液壓油經(jīng)過慢關(guān)油路到導(dǎo)葉接力器，導(dǎo)致接力器關(guān)閉速度過慢，未及時(shí)抑制轉(zhuǎn)速上升，致使機(jī)組過速。

針對(duì)該問題，分別從硬件和軟件兩方面對(duì)停機(jī)流程進(jìn)行了改進(jìn)處理。硬件方面：1996年擴(kuò)建地面廠房時(shí)，為削減3臺(tái)機(jī)同時(shí)甩負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生的壓力，我站在進(jìn)水壓力鋼管上游修建一座阻抗式調(diào)壓井。經(jīng)過技術(shù)部門核算調(diào)壓井現(xiàn)有容積足夠抵消3臺(tái)機(jī)同時(shí)甩滿載負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生的壓力，符合安全運(yùn)行的要求，決定拆除分段關(guān)閉裝置；軟件方面：刪除機(jī)組PLC程序中分段關(guān)閉程序，優(yōu)化停機(jī)流程，縮短停機(jī)時(shí)間。甩負(fù)荷時(shí)機(jī)組調(diào)速器反應(yīng)靈敏，機(jī)組轉(zhuǎn)速得到有效抑制，已不會(huì)再出現(xiàn)事故停機(jī)過速的問題。

5　結(jié)　語

本文主要對(duì)此次機(jī)組轉(zhuǎn)速上升，過速保護(hù)誤動(dòng)作現(xiàn)象進(jìn)行查找分析，調(diào)整主配壓閥行程開關(guān)位置，發(fā)現(xiàn)分段關(guān)閉裝置動(dòng)作不可靠。為解決機(jī)組停機(jī)流程中存在的問題，對(duì)導(dǎo)葉分段關(guān)閉裝置進(jìn)行了拆除；刪除機(jī)組PLC中導(dǎo)葉分段關(guān)閉相關(guān)的程序段，徹底解決了#1、#2機(jī)在事故停機(jī)過程中調(diào)速裝置未能及時(shí)動(dòng)作引起的事故停機(jī)問題。

[1]王劍華.淺析某電廠#2機(jī)組停機(jī)過程中不能完全執(zhí)行停機(jī)流程的原因[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013(05)：77-79.

[2]周克力.某電廠停機(jī)流程優(yōu)缺點(diǎn)分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013(35)：55-58.

[3]程遠(yuǎn)楚，張江濱.水輪機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)[M].北京：中國水利水電出版社.2010：2.

[4]李文金.水電廠機(jī)組事故停機(jī)流程設(shè)計(jì)[J].云南電力技術(shù),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(hù)及自動(dòng)化工作。

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