束炳芳，段文華，李 璋

（國網(wǎng)浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江 麗水 323000）

緊水灘電廠水輪機調(diào)速器失控策略的研究與應(yīng)用

束炳芳，段文華，李 璋

（國網(wǎng)浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江 麗水 323000）

隨著現(xiàn)代水輪發(fā)電機組控制技術(shù)的不斷發(fā)展，對調(diào)速器系統(tǒng)的控制邏輯要求更加嚴(yán)密。本文結(jié)合水輪發(fā)電機組實際情況，運用現(xiàn)代傳感器及控制技術(shù)，通過研究調(diào)速器失控的狀態(tài)，提出一種新的診斷調(diào)速器失控的策略，該策略通過PLC采集調(diào)速系統(tǒng)接力器電氣反饋信號，與調(diào)速器控制信號綜合比較，就能表征調(diào)速器系統(tǒng)運行工況，可靠判斷水輪機調(diào)速器的失控狀態(tài)，并輸出故障信號送入監(jiān)控系統(tǒng)。

水輪機調(diào)速器；失控；策略；應(yīng)用

1 引言

緊水灘電廠總裝機容量385.8 MW，下轄緊水灘水電站（以下簡稱緊站）和石塘水電站（以下簡稱石站），其中緊站裝機6×50 MW，石站裝機3×28.6 MW，以擔(dān)任系統(tǒng)調(diào)峰、頂事故出力為主要任務(wù)。

緊水灘電廠目前采用的是PSW（S）T比例數(shù)字式冗余可編程控制水輪機調(diào)速器，電氣部分采用高性能法國施耐德MODICON TSX系列可編程控制器PLC，機械部分主要由比例閥與數(shù)字閥冗余電液轉(zhuǎn)換機構(gòu)、機械手動操作機構(gòu)、引導(dǎo)閥、主配壓閥、緊急停機電磁閥組成，具備自動、電手動和機械手動3種操作方式。

2 存在問題

水輪機調(diào)速系統(tǒng)失控信號判斷的正確與否對于真實反映調(diào)速器失控狀態(tài)、確保機組安全穩(wěn)定運行有著極其重要的意義。因而對其可靠性也提出了更高的要求。緊水灘電廠調(diào)速器失控信號一直采用主配發(fā)卡接點表征，此信號引自主配壓閥安裝底座上安裝的一只位置接點開關(guān)。當(dāng)調(diào)速器主配壓閥朝關(guān)方向移動時接點開關(guān)閉合；當(dāng)主配壓閥回中或朝開方向移動時接點開關(guān)斷開。此接點動作信號上送給監(jiān)控系統(tǒng)，若同時發(fā)電機組在空載狀態(tài)下轉(zhuǎn)速超過115%，將啟動緊急停機流程，保護發(fā)電機組，防止事故擴大。該策略在實際運行中存在諸多問題，不能有效反映調(diào)速器失控狀態(tài)。

（1）主配發(fā)卡接點不能確切的表現(xiàn)調(diào)速器失控狀態(tài)。采用單一微動開關(guān)接點只能表現(xiàn)主配未關(guān)，有些工況下會導(dǎo)致機組PLC誤判，機組水機保護誤動。例如發(fā)電機組甩負(fù)荷試驗中，機組開關(guān)跳開后，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到頂點開始下降時，此時頻率雖然還是超過額定頻率，但頻率是快速下降的，經(jīng)過調(diào)速器PID運算，導(dǎo)葉需要打開才能保持空載狀態(tài)，這時此節(jié)點就會動作，機組PLC誤認(rèn)為調(diào)速器失控，引起緊急停機誤動作。見圖1所示。

圖1機組甩100%負(fù)荷調(diào)速器響應(yīng)錄波示意圖

（2）正常情況下接力器調(diào)節(jié)速率見圖2。主配發(fā)卡節(jié)點不能表現(xiàn)水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制導(dǎo)葉的速率。若主配實際發(fā)卡，正好又使導(dǎo)葉緩慢動作，此時導(dǎo)葉關(guān)閉時間大大超過調(diào)保計算時間，就可能導(dǎo)致嚴(yán)重事故。

圖2接力器調(diào)節(jié)速率圖

（3）行程開關(guān)接點容易因抖動誤發(fā)信號或因接點老化而拒動，可靠性不高。

（4）由于接點與閥體的結(jié)構(gòu)、位置配合問題，檢修時極難調(diào)整至合適位置。

（5）原方式下無法通過模擬調(diào)速器失控狀態(tài)進行相關(guān)試驗。

3 失控策略研究

3.1 調(diào)速器失控的判斷策略

當(dāng)調(diào)速器收到命令要開啟或關(guān)閉導(dǎo)葉時，其控制輸出（導(dǎo)葉需要到達(dá)的目標(biāo)值）和實際導(dǎo)葉開度會存在差值，當(dāng)此差值大于設(shè)定的死區(qū)值時，主配會接受PLC的PID運算控制信號朝目標(biāo)方向打開一定量的開口，控制導(dǎo)葉朝目標(biāo)方向移動。然后通過PLC程序周期掃描讀取實際導(dǎo)葉開度是否朝目標(biāo)移動，并且判斷移動速率是否達(dá)到調(diào)保計算開關(guān)機時間的要求。若在一定延時時間（此時間由調(diào)保時間確定）內(nèi)所讀取的導(dǎo)葉開度變化值未達(dá)到朝目標(biāo)方向的變化速率，則判斷調(diào)速器失控。

3.2 技術(shù)原理

水輪機控制系統(tǒng)基本控制原理如圖3所示。

圖3調(diào)速器控制原理框圖

水輪機調(diào)速器主配的動作速率表達(dá)式見公式1。

式中：K——導(dǎo)葉開（關(guān)）方向放大倍數(shù)

△Y——導(dǎo)葉控制偏差（即導(dǎo)葉與目標(biāo)值之間的距離）

k——主配放大系數(shù)

△y——主配開（關(guān)）方向打開角度

U——主配移動速率

從公式1中可以看出，導(dǎo)葉控制偏差 （△Y）越大，主配移動速率越快。主配移動后，△y變大，主配移動速率將減緩。

導(dǎo)葉移動速率與主配打開角度之間的關(guān)系表達(dá)式見公式2。

其中：△y——主配開（關(guān)）方向打開角度

Y——接力器全行程

t——調(diào)保計算的接力器全關(guān)（開）時間A——速率系數(shù)

將公式2變換得到A與主配位移的表達(dá)式見公式3。

綜合公式1和3，且當(dāng)主配開或關(guān)到某一位置不動時，即U=0，又可得到A與導(dǎo)葉控制偏差的表達(dá)式4。

將上述原理編寫入PLC控制程序后，根據(jù)機組水力調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)保計算開關(guān)機時間t及現(xiàn)場調(diào)速器性能試驗實際所得的導(dǎo)葉放大系數(shù)K，主配放大系數(shù)k，即可根據(jù)上式得到A，通過PLC程序周期掃描讀取導(dǎo)葉開度是否朝目標(biāo)方向移動，并且判斷移動速率是否等于A。若小于A，則表明調(diào)速器自動控制出現(xiàn)問題。延時500 ms，向機組PLC發(fā)出報警信號。

4 現(xiàn)場應(yīng)用

（1）將上述調(diào)速器失控判斷策略與技術(shù)原理通過編寫PLC邏輯程序在調(diào)速器上實現(xiàn)，PLC梯形圖邏輯如圖4及圖5所示。圖4程序通過比較當(dāng)前導(dǎo)葉開度與前一掃描周期開度值，再與導(dǎo)葉開度偏差值相比，判斷導(dǎo)葉正在開啟或關(guān)閉過程。圖5程序的功能是，不管比例閥工作還是數(shù)字閥工作，在開度給定不為零的工況下，當(dāng)控制輸出與導(dǎo)葉開度的偏差大于4%，就判斷導(dǎo)葉“未開”或者“未關(guān)”，報警“機械拒動”，即調(diào)速器失控，無法自動控制，并向監(jiān)控系統(tǒng)送出“調(diào)速器自動控制退出”信號。

圖4調(diào)速器動作方向判斷PLC邏輯圖

圖5調(diào)速器失控判斷PLC邏輯圖

（2）結(jié)合現(xiàn)場實際需求，新的調(diào)速器失控策略，還同時滿足下述要求：在發(fā)電機負(fù)載狀態(tài)時，若比例閥工作，此時比例閥出錯，且無數(shù)字閥出錯，切到數(shù)字閥，自動控制不會退出，即此時切到數(shù)字閥時可以正常工作；若數(shù)字閥再報出錯，則自動控制退出，且不能自動由數(shù)字閥切回比例閥工作，表明調(diào)速器失控。非負(fù)載狀態(tài)時，不管比例閥出錯或數(shù)字閥出錯，其中任意一個報警，都將使導(dǎo)葉自動控制退出，反映調(diào)速器失控，且不會直接切換至數(shù)字閥。

（3）調(diào)速器失控判斷策略在緊水灘6臺水輪機組調(diào)速器進行相關(guān)調(diào)試、試驗，并投入運行，效果良好。

5 結(jié)論

號誤動或者拒動。

（2）新的失控策略表征了所有可能引起調(diào)速器失控的故障，可反映控制機構(gòu)故障、執(zhí)行機構(gòu)故障、導(dǎo)葉故障、主配故障、電氣控制輸出信號故障等導(dǎo)致接力器未按設(shè)定速率動作的故障。大大提高了機組過速保護回路的可靠性。解決了原主配發(fā)卡接點只表現(xiàn)主配未關(guān)的局限性和不科學(xué)性。

（3）該策略的應(yīng)用使得日常檢修維護非常方便，試驗驗證方法直觀、簡潔，也便于對參數(shù)進行調(diào)整優(yōu)化。

（1）通過軟件邏輯判斷調(diào)速器失控的策略表征水輪機失控，PLC程序精確計算，具有智能性，有效避免硬件接點故障及老化產(chǎn)生的誤差，杜絕失控信

[1]魏守平.現(xiàn)代水輪機調(diào)節(jié)技術(shù)[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.

TV734.4

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1672-5387（2017）11-0004-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.11.002

2017-08-30

束炳芳（1982-），男，高級工程師，從事水電廠機電設(shè)備管理工作。