吳昌春，潘淑改

(1．水利部小浪底水利樞紐管理中心，河南 鄭州 450000；2．黃河小浪底水資源投資有限公司，河南 濟源 454681)

1 概 述

龍背灣水電站位于湖北省竹山縣堵河支流官渡河上游，距竹山縣城90 km，水庫總庫容8.3億m3，裝機容量180 MW，年發(fā)電量4.19億kW·h。電站為地面引水式廠房，安裝有2×90 MW混流式水輪發(fā)電機組。電站送出工程接入湖北省國家電網(wǎng)，為湖北省電力公司優(yōu)質(zhì)調(diào)峰電站。

龍背灣水電站采用GKT—50000—16型高油壓調(diào)速器，油壓裝置采用16 MPa油氣分離的囊式蓄能罐、高壓齒輪泵、高壓液壓缸、各類液壓閥及液壓附件等，在控制部分采用了電液比例閥及其他各類液壓件，在結(jié)構(gòu)上采用了液壓集成塊和標準的液壓附件。油壓裝置采用囊式儲能罐，氣囊內(nèi)所充氮氣與液壓油不直接接觸且密封性好，延長了液壓油使用壽命，減少了運行操作及維護工作量。龍背灣水電站是目前國內(nèi)應(yīng)用高油壓囊式儲能罐的單機容量最大的水電站。

2 囊式調(diào)速器工作原理

互為冗余配置的高壓油泵將集油箱內(nèi)的液壓油經(jīng)過油泵出口閥組等打至囊式蓄能罐中，壓縮儲能罐皮囊加壓至16 MPa后，并聯(lián)運行的12個囊式儲能罐向調(diào)速器系統(tǒng)提供壓力油源。調(diào)速器電調(diào)柜接到操作指令后，通過冗余配置的PLC控制器進行內(nèi)部判斷給出開/關(guān)導(dǎo)葉指令，并將動作指令電信號通過比例伺服閥轉(zhuǎn)化為控制油壓信號，由控制油壓推動主配壓閥動作，使操作油壓通過主配壓閥推動接力器動作，完成導(dǎo)葉開/關(guān)指令。導(dǎo)葉位移傳感器在線監(jiān)測導(dǎo)葉開度與目標值比較，經(jīng)PLC控制器判斷后，重復(fù)發(fā)出動作指令電信號，實現(xiàn)導(dǎo)葉控制閉環(huán)調(diào)節(jié)，直至達到目標值。

3 常見故障

2015年投運后，龍背灣水電站調(diào)速系統(tǒng)多次出現(xiàn)閥組卡澀拒動導(dǎo)致機組負荷無法正常調(diào)節(jié)以及負荷突增、突減，單套位移傳感器故障導(dǎo)致機組停機失敗，隨動系統(tǒng)故障報警誤報，增減負荷緩慢等設(shè)備異常情況。

3.1 僅有殘壓測速參與控制，測速回路無冗余配置

齒盤測速回路精度不夠，齒盤測速信號無法參與調(diào)速器調(diào)節(jié)控制，測速回路無冗余配置。開機時，殘壓測速回路故障，導(dǎo)葉將自動全關(guān)，無法自動開機；并網(wǎng)后，殘壓測速回路故障，調(diào)速器將直接切至機手動狀態(tài)，此時出現(xiàn)其他故障，保護裝置切機，將直接導(dǎo)致機組過速；機組檢修后或者長期停機后再開機，機組無剩磁將導(dǎo)致機組無法自動開機；手動開機時，則無法顯示轉(zhuǎn)速。龍背灣水電站屬于高轉(zhuǎn)速機組(272.7 r/min)，很難控制機組平穩(wěn)開至空載轉(zhuǎn)速，極易造成機組過速。

3.2 調(diào)速器隨動系統(tǒng)故障檢測功能異常

隨動系統(tǒng)故障檢測功能投入后，隨動系統(tǒng)故障信號頻繁出現(xiàn)，調(diào)速器由自動控制切至手動控制；如在機組事故停機過程中出現(xiàn)此問題，因?qū)~無法自動回關(guān)，會導(dǎo)致機組過速。

3.3 模擬反饋斷線試驗結(jié)果不滿足國標要求

在模擬導(dǎo)葉接力器位移傳感器反饋斷線試驗時，導(dǎo)葉接力器位移突開4%，遠超國標(GB 9652)突變量±1%的要求，影響機組安全運行。

3.4 位移傳感器可靠性低，影響機組安全運行

每臺調(diào)速器僅配置1個拉線式位移傳感器，在使用過程中極易出現(xiàn)拉線抖動、觸頭磨損、導(dǎo)葉快速關(guān)閉時彈簧卡死等問題，位移傳感器損壞將直接影響機組開機和并網(wǎng)過程中機組安全運行，存在導(dǎo)葉失控等重大安全隱患。

3.5 隨動性差，增減負荷緩慢

調(diào)速器上位機增減負荷緩慢，有功從0 MW升至60 MW需大約90 s，負荷調(diào)節(jié)速率不滿足華中電網(wǎng)要求。

3.6 核心電氣元件無冗余配置，可靠性低

PLC、位移傳感器等為調(diào)速器控制核心部件，均為單一配置，設(shè)備可靠性低，任何一個環(huán)節(jié)出故障，機組將直接失控。

3.7 負荷穩(wěn)定性差

多次并網(wǎng)過程中，接力器突開或突關(guān)造成負荷突變。

3.8 自動水頭不參與控制

調(diào)速器自動水頭無法參與控制。龍背灣水電站工作水頭范圍較廣，對調(diào)速器控制參數(shù)要求較高。開機時，導(dǎo)葉直接開至空載開限，僅靠空載開限限制來控制機組轉(zhuǎn)速上升，機組啟動瞬間啟動力矩較大；同時開機至空載，轉(zhuǎn)速超調(diào)量較大，穩(wěn)定時間長，機組并網(wǎng)時間偏長。

3.9 一次調(diào)頻指標不滿足電網(wǎng)要求

在并網(wǎng)狀態(tài)下，機組一次調(diào)頻頻繁誤動作，同時調(diào)速器控制系統(tǒng)無法上送一次調(diào)頻功能投入信號至電站相量采集裝置，無法實現(xiàn)一次調(diào)頻功能。

3.10 程序設(shè)計缺陷

調(diào)速器故障的保護功能缺少必要的保護程序，如反饋斷線時調(diào)速器自動切換純手動運行，當出現(xiàn)甩負荷工況導(dǎo)葉開度大于空載開度時，調(diào)速器切純手動運行，將導(dǎo)致機組過速。

3.11 閥組頻繁卡澀

(1)自動停機時，關(guān)機電磁閥、比例電磁閥卡澀拒動，導(dǎo)致導(dǎo)葉無法關(guān)閉，機組無法解列停機。

(2)自動停機時，鎖定電磁閥卡澀導(dǎo)致停機后，鎖定無法自動投入，且手動捅閥芯仍拒動。

(3)手自動切換閥卡澀導(dǎo)致停機后，導(dǎo)致停機時導(dǎo)葉有5%開度不能全關(guān)，停機流程超時退出。

(4)機組檢修時，無水狀態(tài)下模擬機組機械過速裝置動作試驗，多次發(fā)生機械過速保護裝置卡澀拒動；在發(fā)生機組過速時機械過速裝置拒動，導(dǎo)致機組飛逸。

4 常見故障原因分析

針對調(diào)速器運行中出現(xiàn)的故障現(xiàn)象，結(jié)合設(shè)備運行情況，龍背灣水電站技術(shù)人員展開市場調(diào)研后分析認為水電站應(yīng)用的GKT—50000—16型高油壓調(diào)速器的配置和功能設(shè)計僅能滿足小型機組和地級市電網(wǎng)要求，無法滿足省電網(wǎng)要求；同時存在安全隱患和性能上的缺陷，具體如下：

(1)調(diào)速器電氣部分PLC、電源、繼電器等硬件配置偏低。

(2)信號抗干擾能力差，缺少相應(yīng)的電氣信號隔離。

(3)程序設(shè)計不夠完善，存在程序缺陷，如僅有殘壓測速參與控制，存在重大安全隱患。

(4)測速、導(dǎo)葉反饋等自動化元件配置簡陋，可靠性和精度差。

(5)液壓部分閥組選型及質(zhì)量差，閥組加工精度不夠。液壓回路精確控制部分采用比例換向閥，該閥輸入信號為0～10 V的電壓信號，靠電壓控制，線性度差，不適合用于精確調(diào)整負荷。

(6)液壓回路設(shè)計不合理，存在安全隱患。

(7)軟管接頭采用非標焊接，安全性較低。

5 常見故障處理

為解決運行中存在的故障，在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，2017年，龍背灣水電站決定對調(diào)速器系統(tǒng)進行改造：一是將電氣控制、機械液壓部分整體改造。二是對齒盤測速及位移反饋等測量回路自動化元件重新選型更換。三是在液壓回路中考慮加裝濾油裝置，確保油質(zhì)。四是完善控制程序，自動水頭信號應(yīng)用到程序控制、反饋斷線故障檢測重新優(yōu)化檢測判據(jù)、隨動系統(tǒng)故障檢測程序重新優(yōu)化、開發(fā)觸摸屏常規(guī)試驗功能、殘壓與齒盤轉(zhuǎn)速信號均參與程序控制等。

5.1 電氣控制部分

(1)PLC控制。采用雙冗余熱備用PLC，包括雙套開關(guān)量、模擬量及高速計數(shù)模塊。

(2)電源回路。采用雙電源無擾切換，同時對不同類型自動化元件設(shè)置單獨24 V電源空開，防止任一路接地等造成盤柜大面積失電，擴大故障范圍。

(3)自動化元件。測速回路采用雙齒盤測速，提高機組測速可靠性，導(dǎo)葉反饋采用抗污染能力強、精度及可靠性高的進口雙磁致伸縮位移傳感器。

5.2 機械液壓部分

(1)液壓閥組。全套采用Bosch Rexroth液壓閥組，應(yīng)用高精度比例伺服閥先導(dǎo)控制導(dǎo)葉開關(guān)。

(2)管路。將原管路直徑由50 cm減為25 cm，提高有液壓油流速。

(3)液壓回路增加功能。液壓系統(tǒng)設(shè)計純手動狀態(tài)閉鎖保護、接力器高壓軟管與接力器油口間加裝節(jié)流口，防止爆管等極端工況下導(dǎo)葉快速關(guān)閉，導(dǎo)致蝸殼水壓突增極端工況關(guān)機保護。選用力士樂V型主配壓閥，可在電氣部分全部失電情況下自動關(guān)機保護等。

(4)機械過速裝置。選用可靠性高的具有拐點動作特性的純機械過速保護裝置，確保機組過速時可靠停機。

5.3 故障處理后效果

改造后，龍背灣水電站調(diào)速器各項性能指標良好(見圖1～圖4，表1～表4)。

圖1 機組甩100%負荷曲線

圖2 機組甩25%負荷曲線

表1 1號機調(diào)速器靜特性試驗數(shù)據(jù)

表2 1號機調(diào)速器靜特性試驗結(jié)果

表3 2號機調(diào)速器靜特性試驗數(shù)據(jù)

表4 2號機調(diào)速器靜特性試驗結(jié)果

圖3 1號機調(diào)速器靜特性試驗曲線(bp=4%)圖4 2號機調(diào)速器靜特性試驗曲線(bp=4%)

6 故障處理亮點

6.1 快速同期

采用常規(guī)兩段開度開機或加速度方式開機，加速度方式首先采用1個固定啟動開度，在導(dǎo)葉開度達到啟動開度值后，進入具有固定加速度設(shè)定的加速度PID閉環(huán)控制。轉(zhuǎn)速上升過程中，加速度給定值逐步減少，接近額定轉(zhuǎn)速后調(diào)速器進入空載轉(zhuǎn)速控制方式運行。

6.2 導(dǎo)航跟蹤功能

功率控制功能塊中增加1個前置放大控制功能塊，在機組調(diào)節(jié)輸出功率過程中，快速接近所預(yù)期的輸出功率，實現(xiàn)快速跟蹤。

6.3 冗余配置

每臺調(diào)速器配置雙冗余PLC及雙套開關(guān)量、模擬量模塊、雙高精度磁致伸縮位移傳感器、雙測速測量等，充分保障設(shè)備安全可靠運行。

6.4 開停機控制

配置有開停機換向閥，由先導(dǎo)電磁閥控制，導(dǎo)葉開啟/關(guān)閉更可靠。

6.5 配壓閥

主配壓閥選用Bosch Rexroth，閥芯機能采用“V”型，0遮程設(shè)置使主配壓閥控制死區(qū)小，閥芯動作響應(yīng)靈敏。

6.6 機械過速保護

龍背灣水電站配置的機械過速較常規(guī)機械過速彈簧動作方式不同，在機組轉(zhuǎn)速未達到過速動作值時，彈簧不會作伸縮動作，避免了機械過速彈簧疲勞、誤動。過速飛擺采用特殊的彈簧結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有拐點動作特性。在機組轉(zhuǎn)速未達到過速動作值時，彈簧不會作伸縮動作，飛擺始終保持在初始位置。當機組轉(zhuǎn)速達到動作值時，飛擺由離心力作用向外動作4 mm，避免了彈簧在長期機組運轉(zhuǎn)過程中由于頻繁伸縮動作而導(dǎo)致過速設(shè)定值漂移，引起機組過速誤動作。

6.7 一級過速保護

接收到一級過速信號，通過監(jiān)控系統(tǒng)開出開停機換向閥驅(qū)動主配壓閥關(guān)機。非緊急事故情況下，避免了機組故障擴大及減少主閥、事故配壓閥動作，方便現(xiàn)場快速處理并恢復(fù)故障。

6.8 失電關(guān)機保護

采用具有偏關(guān)特性的V型主配壓閥，在整個調(diào)速器系統(tǒng)失電后，主配壓閥在彈簧力作用下將接力器緩慢關(guān)閉，保證機組安全。

6.9 增加功率調(diào)節(jié)模式

增加功率調(diào)節(jié)模式功能，調(diào)整負荷時僅需通過監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)4～20 mA功率模擬量信號數(shù)值至調(diào)速器，由調(diào)速器自身形成功率閉環(huán)調(diào)整負荷，并穩(wěn)定在給定值。

7 結(jié) 語

龍背灣水電站調(diào)速器改造后投入運行至今，調(diào)速器運行穩(wěn)定，未出現(xiàn)設(shè)備缺陷。同時，原調(diào)速器頻出現(xiàn)的故障問題全部解決，各項性能指標滿足湖北省電網(wǎng)要求。