張官祥，楊廷勇，何宏江，常中原，陳自然

（1.中國長江電力股份有限公司白鶴灘電廠，四川 涼山615400；2.中國長江電力股份有限公司向家壩電廠，四川 宜賓644612）

頻率是水輪機調(diào)速器控制的核心元素，從始至終貫穿著機組運行的全過程，只有測得高穩(wěn)定性、高精確度和高可靠性的頻率信號才能確保水電廠機組的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。根據(jù)水輪發(fā)電機組頻率信號來源不同，頻率測量一般有殘壓測頻和齒盤測頻兩種測量方式。齒盤測速信號具有可靠性高的特點，但其精度受齒盤加工精度不高和測速探頭安裝間隙不均勻等因素限制；殘壓測頻具有精度高的特點，但其頻率信號容易受到斷線和電磁干擾等因素，其可靠性較低。結(jié)合兩種測量方式的優(yōu)點來實現(xiàn)機組在不同運行狀態(tài)下的頻率測量。

1 機組頻率測量現(xiàn)狀

某水電廠機組自投運后，因齒盤測頻系統(tǒng)自身設(shè)計及安裝原因，測頻信號多次在機組低速旋轉(zhuǎn)或停機態(tài)情況下出現(xiàn)短時或持續(xù)異常跳變，該情況對機組正常的轉(zhuǎn)速監(jiān)視及開停機造成嚴重影響。設(shè)備主要異常情況描述如下：

（1）某臺機組檢修后在開機過程中，機組投高壓油后出現(xiàn)蠕動情況，齒盤測頻裝置1號齒盤信號出現(xiàn)跳變，轉(zhuǎn)速跳變至47%。

（2）某臺機組在停機過程中，執(zhí)行停機流程至投入風閘后，監(jiān)控系統(tǒng)顯示機組轉(zhuǎn)速2下降到1.3%Ne后突然跳變至29.8%Ne并保持不變，使機組停機流程超時導致機組停機失敗。

（3）某臺機組停機后，轉(zhuǎn)速裝置1路齒盤測頻信號發(fā)生持續(xù)跳變，轉(zhuǎn)速測量顯示跳變值最大達到198%，導致該機組電氣一級過速、電氣二級過速動作，機械事故停機保護、水機后備保護相繼動作，機組快速門快閉動作并落門。

（4）某臺機組在自動開機過程中發(fā)生PCC轉(zhuǎn)速出現(xiàn)異常跳變，開機至空載過程中轉(zhuǎn)速1與轉(zhuǎn)速2測得最大轉(zhuǎn)速偏差達到45%，空載轉(zhuǎn)速最高升至106%。

2 機組頻率測量可靠性分析

鑒于上述故障現(xiàn)象均是在機組開機或停機過程中發(fā)生的，考慮到機組頻率優(yōu)先采用齒盤頻率，齒盤測頻探頭運行正常無故障，故此時裝置輸入為齒盤測頻輸入值，而非機端PT殘壓輸入。因此，出現(xiàn)機組轉(zhuǎn)速突變或跳變的原因即在于齒盤測頻回路，從設(shè)備結(jié)構(gòu)、安裝工藝、運行環(huán)境、軟件控制四個方面進行分析。

（1）設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計。齒盤測頻的硬件結(jié)構(gòu)主要包括齒盤、齒帶、齒塊和測速探頭安裝支架等，其中測速探頭安裝支架的穩(wěn)定性對齒盤頻率測量尤為重要，測速傳感器安裝在固定支架上，支架的穩(wěn)定性直接決定探頭的測量效果。機組轉(zhuǎn)速測量所用的測速探頭固定在測速支架上，測速支架由1塊實心的長方體支撐塊和2塊L型的扁鐵構(gòu)成，長方體支撐塊垂直焊接在下機架板上，長方體支撐塊的兩側(cè)分別焊接1塊L型的扁鐵，測速探頭即是通過開孔方式固定在該扁鐵上。這樣的設(shè)計方式僅能保證中間位置探頭可以和齒盤保持合適距離，兩端的探頭與齒盤的距離過遠。機組在運行過程中，由于支撐塊高度過高，對來自下機架和底端的振動有放大效果，再加之扁鐵太單薄而細長，剛度不夠，使得測速探頭容易產(chǎn)生振動，而產(chǎn)生更高頻率的方波信號。因此，齒盤測速裝置所測得的機組轉(zhuǎn)速將大于其實際轉(zhuǎn)速，甚至出現(xiàn)瞬間的突變。

（2）安裝工藝。機組測速所用測速探頭是科瑞系列的產(chǎn)品，其型號為DW-AD-511-M12，NPN型，有效測量距離為10 mm，但在實際使用過程中因測頻探頭測量范圍較廣，感應臨界狀態(tài)范圍偏大，易受感應距離及電磁干擾的影響，引起信號跳變。當測速探頭正對鋼帶且距離過小時，受到齒塊加工不均勻的限制，兩者之間容易產(chǎn)生摩擦將會損壞設(shè)備；當距離過于遠離齒帶或齒塊時，測速探頭將檢測不到信號，出現(xiàn)丟齒的情況。以上因素都會降低齒盤測速的可靠性。因此，測速探頭的安裝間隙顯得尤為關(guān)鍵，探頭間隙過大或過小，都將使得機組轉(zhuǎn)速測量出現(xiàn)偏差。

（3）設(shè)備運行環(huán)境。測速探頭的可靠性不僅受到探頭本身的性能、支架穩(wěn)定性的影響，而且很容易受到機組振動、油污等電氣設(shè)備運行環(huán)境因素的影響。由于水輪機大軸存在擺動現(xiàn)象，將使齒盤齒帶的齒塊與探頭發(fā)生相對偏移，從而產(chǎn)生低頻振蕩現(xiàn)象。在這種情況下，機組轉(zhuǎn)速信號受到該振蕩信號的累加后，轉(zhuǎn)速值不斷升高。通過查閱主機設(shè)備設(shè)計說明書可知，機組在96～104.8 m水頭下的振動區(qū)域即為100～480 MW。眾所周知，機組在振動區(qū)域內(nèi)的振擺將增大，正是由于過大振擺產(chǎn)生的低頻振動疊加以后才使所測得的轉(zhuǎn)速增大。

（4）軟件控制邏輯。轉(zhuǎn)速裝置軟件控制對轉(zhuǎn)速裝置開停機狀態(tài)流轉(zhuǎn)條件以及在單獨機頻通道下轉(zhuǎn)速不能降零的處理邏輯不完善。由于PT信號在機組低轉(zhuǎn)速下不能穩(wěn)定檢測，若齒盤信號在開停機過程中發(fā)生跳變，將影響調(diào)速器對轉(zhuǎn)速的判斷及輸出值，導致機組的控制異常。由于機頻在較低轉(zhuǎn)速情況下殘壓頻率過低，測頻裝置不能測到有效機頻，機頻通道測頻值會保留在最小值狀態(tài)一直輸出，導致在齒盤1和齒盤2同時故障，機頻正常情況下，轉(zhuǎn)速裝置的輸出轉(zhuǎn)速不能降低到零。

3 優(yōu)化措施及控制策略

針對影響機組頻率測量可靠性的各種因素，結(jié)合現(xiàn)場實際情況進行分析和研究，采取了一系列優(yōu)化措施，提高了齒盤頻率測量的可靠性和準確率，其具體措施如下：

3.1 優(yōu)化測速支架結(jié)構(gòu)

經(jīng)現(xiàn)場多次測量和試驗后重新設(shè)計制作測速支架，將原來L型安裝支架改為弧形測速支架，并與水輪機大軸弧度保持同心度。探頭安裝在弧形測速支架上，不僅解決了L型支架兩端測速探頭與齒盤距離不均勻的問題，保持了齒盤探頭與大軸上的齒塊正對距離，而且避免了探頭與齒盤傾斜造成的漏齒或丟齒，進而造成的測頻不均勻問題。同時，降低測頻支架高度，將長方體支撐換成實心的支撐，考慮將原來一塊扁鐵上的4個探頭分裝到2塊扁鐵上，從而減小扁鐵的弧長。

3.2 更改齒盤安裝位置

機組振動對測速探頭的測速準確性有著重大影響，因機組振擺是不可避免的，但可以將測速支架安裝到振動更小的部位。比如，由水輪機下機架轉(zhuǎn)移到下導油槽蓋板或者水導上油箱。目前測速齒盤的硬件結(jié)構(gòu)已經(jīng)成型，其實施難度較大，改造成本較大，但對于便于改造的機組進行了合理改進和優(yōu)化，已把齒盤齒帶安裝位置移至振動較小的水導上油槽上方。

3.3 測速探頭選型

通過對三種品牌的測速探頭經(jīng)過對被測體、工作溫度、探頭支架、初始間隙的要求進行對比和試驗，最終技術(shù)改造選用測頻更可靠、適應性更好、感應距離適中的易福門齒盤測速探頭。齒盤測速探頭性能參數(shù)對比如下頁表1所示。

3.4 優(yōu)化頻率控制策略

針對頻率突變和優(yōu)先級等問題，可通過優(yōu)化測頻控制程序的測頻計算邏輯、完善數(shù)字濾波及轉(zhuǎn)速優(yōu)選策略等措施來防止轉(zhuǎn)速跳變信號輸出。

3.4.1 優(yōu)化頻率突變檢測邏輯

表1 齒盤探頭型號參數(shù)對比分析

在轉(zhuǎn)速裝置程序中優(yōu)化對三路測頻通道的測量處理模塊，增加跳變檢測功能，對出現(xiàn)跳變的轉(zhuǎn)速峰值進行濾除。若頻率信號發(fā)生跳變后一直處于保持狀態(tài)，則屏蔽該通道頻率信號并報頻率跳變故障，從信號源頭去除跳變值。同時，對各路轉(zhuǎn)速信號的增減速率進行限制，可以設(shè)定頻率增減步長，使得轉(zhuǎn)速的變化速率在正常頻率調(diào)節(jié)范圍之內(nèi)，這將有效削弱測頻信號的快速變化對轉(zhuǎn)速輸出值的影響，提高頻率測量的穩(wěn)定性和可靠性。

3.4.2 完善頻率數(shù)字濾波功能

目前在水電廠機組頻率消除干擾的實際應用中，尤其是消除齒盤測頻裝置干擾信號最常用的方法是采用數(shù)字濾波控制策略。根據(jù)信號“先進先出”原則把連續(xù)周期測頻值看成一個隊列，隊列長度固定為N，對N個頻率值進行大小比較后，剔除其中的最大和最小值，再對其余頻率值進行求算術(shù)平均值，最后獲得濾波后的頻率測量值。這種方法可以有效地避免了齒盤和齒塊加工精度不均勻帶來的影響，頻率測量值的計算經(jīng)過數(shù)組組隊、比較、平均等計算功能塊，雖然頻率計算輸出值的輸出時間有所增加，頻率具有一定的滯后性，但對低轉(zhuǎn)速的水輪發(fā)電機組來說影響較小，不影響機組的轉(zhuǎn)速控制。

3.4.3 優(yōu)化開停機過程中頻率控制邏輯

為避免單路信號異常對機組開停機控制及監(jiān)視的影響，將原有的三選一的控制策略優(yōu)化為三選二策略，即在三路頻率通道中只要滿足任意兩路頻率正常即可輸出頻率測量值。具體優(yōu)選策略為：根據(jù)機組殘壓測頻信號及齒盤測頻信號的實際靈敏情況分別設(shè)定三路頻率的最低檢測值。

3.4.4 完善轉(zhuǎn)速偏差控制邏輯

為防止某路測頻信號存在偏差或失真影響調(diào)速器對轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)和控制，進一步完善對測頻信號的故障判斷功能。在開機后的轉(zhuǎn)速處理邏輯中增加對轉(zhuǎn)速進行三選二投票法，具體控制邏輯為：機組在空載態(tài)或負載態(tài)時，當三路測頻信號均正常時，若某一路測頻信號與其他兩路測頻信號偏差值超過設(shè)定閾值，則判斷該路頻率信號測量異常，此路信號不予采用，其余信號可正常參與頻率優(yōu)選策略。

3.5 優(yōu)化試驗及數(shù)據(jù)分析

該電站對調(diào)速器齒盤優(yōu)化措施和控制策略進行了驗證試驗，通過對不同工況下的運行參數(shù)和試驗數(shù)據(jù)分析，本次試驗項目涵蓋了機組所有的運行工況，試驗數(shù)據(jù)分析顯示優(yōu)化措施取得了良好的效果。主要試驗項目及數(shù)據(jù)分析結(jié)果如下：

（1）自動開機試驗

圖1為自動開機試驗曲線圖，試驗結(jié)果為：開機規(guī)律采用三段開機，頻率優(yōu)先采用齒盤頻率，其第一開度為14.16%，第二開度9.6%，開機總時間為96 s。導葉開度與頻率趨勢正常，未出現(xiàn)頻率異常突變情況。

圖1 自動開機試驗

（2）甩負荷試驗

圖2為B機主用甩75%額定負荷試驗曲線圖，其試驗結(jié)果：最高轉(zhuǎn)速Fmax=68.24 Hz，最低轉(zhuǎn)速Fmin=49.38 Hz，調(diào)節(jié)時間tE=38.21 s，峰值時間tM=7.74 s，tE/tM=4.9，波峰個數(shù)N=0。

（3）機械過速試驗

圖3為機組153%過速試驗曲線圖，其中線條1為導葉開度，線條2為頻率，線條3為主配位置。試驗數(shù)據(jù)分析：機組轉(zhuǎn)速增加至153%過速試驗中，轉(zhuǎn)速148%時最大開度93%。導葉從空載開度15.2%～93%用時29 s。導葉關(guān)閉時停留在20%開度有4.4 s。第一拐點導葉57%開度。

圖2 甩負荷試驗

圖3 機械過速試驗

綜上所述，該機組調(diào)速器頻率測量優(yōu)化后系統(tǒng)投入運行，使調(diào)速器頻率測量狀況得到了明顯的改善，運行狀態(tài)的改善可以提高機組運行的可靠性和安全性，取得了顯著的經(jīng)濟效益。

4 結(jié)束語

通過對轉(zhuǎn)速測量采取冗余交錯配置，選用可靠的轉(zhuǎn)速測量元器件，優(yōu)化調(diào)速器轉(zhuǎn)速處理邏輯機制，不管機組在開停機過程還是在運行狀態(tài)下，未發(fā)生因轉(zhuǎn)速測量故障引起的機組非正常停運現(xiàn)象。經(jīng)過現(xiàn)場試驗及運行結(jié)果表明，本文采取的優(yōu)化方案及措施是合理的有效的，保證了水輪發(fā)電機組運行的穩(wěn)定性和可靠性，有效解決了齒盤測速信號跳變問題，提高了水電廠齒盤測速裝置測頻準確率，為機組的長期安全穩(wěn)定運行打下堅實基礎(chǔ)。