國網(wǎng)新源集團有限公司富春江水力發(fā)電廠 徐 方 余江燁

某水電站是一座低水頭河床式電站，大流域，小水庫是其顯著的特點，為日調(diào)節(jié)水庫。電站裝機6臺，總裝機容量360MW，設(shè)計多年平均發(fā)電量9.23億kWh。電廠以發(fā)電為主，主要擔(dān)負(fù)華東電網(wǎng)調(diào)峰、調(diào)頻及事故備用任務(wù)，對電網(wǎng)的穩(wěn)定運行、提高供電質(zhì)量具有重要的作用。同時，電站兼有防洪減災(zāi)、航運、灌溉、抗咸頂潮等綜合效益。

在水輪機組的停機過程中，如果在高轉(zhuǎn)速下投入制動閘，由于高速摩擦?xí)怪苿娱l磨損，還會產(chǎn)生粉塵污染定子、轉(zhuǎn)子及發(fā)電機的其他設(shè)備如果在很低的轉(zhuǎn)速下投入制動閘，由于低轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)速下降時間過長，會導(dǎo)致機械磨損加劇，引起推力軸承及導(dǎo)軸承中潤滑油膜變薄或遭受破壞，使?jié)櫥瑮l件出現(xiàn)惡化，致使軸瓦磨損，嚴(yán)重時會燒壞軸瓦[1]。因此，合理的方式是在機組停機過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到一定程度時必須進行強迫制動，以便機組能在較短時間內(nèi)停下來。某發(fā)電廠6臺機組均為立式水輪機，采用的強迫制動方式為風(fēng)閘制動，即采用壓縮空氣作為強迫制動的能源來推動制動閘。

1 概述

1.1 高轉(zhuǎn)速加閘的危害

運行中的水輪機組的動能為：E=(1/2)×J×ω2（J 為機組的轉(zhuǎn)動慣量，ω 為機組的轉(zhuǎn)動角速度），在機組轉(zhuǎn)速降低至風(fēng)閘制動投入的定值前，機組運轉(zhuǎn)時的動能全部消耗在克服自由制動力矩（即機組的推力軸承和導(dǎo)軸承的摩擦力矩、發(fā)電機轉(zhuǎn)子對空氣的摩擦力矩與水輪機轉(zhuǎn)輪對水或空氣的摩擦力矩）上[2]。而如果在機組高轉(zhuǎn)速時就投入制動風(fēng)閘，會對機組造成嚴(yán)重的危害。

首先會使風(fēng)閘片磨損，如果持續(xù)時間長會使風(fēng)閘發(fā)熱而破損，而機組風(fēng)洞內(nèi)強烈的氣流會使產(chǎn)生的碎片傷害到風(fēng)洞內(nèi)其他設(shè)備。其次劇烈的摩擦還會產(chǎn)生大量的煙塵，和機組風(fēng)洞內(nèi)的水汽、油霧混合并附著在機組定子、轉(zhuǎn)子等設(shè)備表面，使其絕緣下降。高轉(zhuǎn)速加閘時機組的轉(zhuǎn)動部分會產(chǎn)生較大的阻力，嚴(yán)重時會使導(dǎo)軸瓦損壞，而如果溫度過高甚至?xí)鸹馂?zāi)事故，造成迫性檢修和慘重的經(jīng)濟損失。高轉(zhuǎn)速加閘會使機組處于逆功率運行狀態(tài)，如果吸收的有功功率較大，會造成機組振擺變大，對機組的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生不利的影響[3]。

1.2 高轉(zhuǎn)速加閘原因分析

團隊人員從人員、設(shè)備、管理等多個角度進行分析，總結(jié)出了以下三點原因，同時也是機組運行的安全隱患：一是人為誤操作。運行人員或檢修人員操作時誤動手動啟風(fēng)閘按鈕，如果此時機組轉(zhuǎn)速大于25%，就會導(dǎo)致高轉(zhuǎn)速加閘事故。二是轉(zhuǎn)速裝置接點誤動作。某發(fā)電廠程序閉鎖回路依靠的是轉(zhuǎn)速測速裝置來實現(xiàn)流程的閉鎖，如果測速裝置發(fā)生故障，如上送現(xiàn)地控制單元的接點誤動作，就會導(dǎo)致高轉(zhuǎn)速加閘事故。三是開出繼電器觸點誤動作。當(dāng)現(xiàn)地控制單元流程執(zhí)行后，即實際程序閉鎖功能正常時，如果開出繼電器故障導(dǎo)致開接點誤動作，也會導(dǎo)致高轉(zhuǎn)速加閘事故[4]。

經(jīng)過分析，團隊人員發(fā)現(xiàn)單獨依靠程序閉鎖控制回路的可靠性不足，為了有效防止高轉(zhuǎn)速加閘事故的發(fā)生，需要設(shè)計出更可靠的控制回路。

2 改進原理及對比

2.1 原使用的程序閉鎖部分原理

圖1為某發(fā)電廠PLC 程序中設(shè)計的空轉(zhuǎn)-停機流程圖。方框所示為原使用的程序閉鎖部分原理：當(dāng)現(xiàn)地控制單元中流程走至“空轉(zhuǎn)-停機”，停機令開出至電調(diào)，30s 內(nèi)滿足導(dǎo)葉全關(guān)條件后，利用監(jiān)控系統(tǒng)檢測到滿足機組轉(zhuǎn)速＜25%和＜45%，并且＞5%條件時，啟動正常的停機頂風(fēng)閘流程；如果轉(zhuǎn)速條件不滿足，則提示報警并退出流程。

圖1 空轉(zhuǎn)-停機流程圖

2.2 新增電氣控制閉鎖回路原理

根據(jù)國家電網(wǎng)公司反事故措施條款“測速裝置出現(xiàn)故障時，調(diào)速器應(yīng)具有完善的容錯功能。測速裝置軟件應(yīng)具備故障自診斷功能，全部裝置故障時輸出報警信號，防止發(fā)電機高速加閘和飛逸。”要求，班組成員、相關(guān)技術(shù)人員協(xié)同相關(guān)部門領(lǐng)導(dǎo)一同分析，并結(jié)合某發(fā)電廠實際情況，綜合研究，設(shè)計出符合本廠發(fā)電機組運行要求，并能實現(xiàn)防止發(fā)電機風(fēng)閘高轉(zhuǎn)速加閘的程序與電氣控制回路雙重閉鎖功能的方案，并在其他機組LCU 改造中實施該方案，通過多方面模擬檢測閉鎖功能切實有效，并在后續(xù)的其他機組改造中加以推廣實施。

原有的高轉(zhuǎn)速加閘程序閉鎖功能，可能會存在人為手動誤加閘和轉(zhuǎn)速裝置接點誤動作、開出繼電器DO86故障接點誤開出的安全隱患。因此，為消除此安全隱患，新方案是在發(fā)電機風(fēng)閘頂起的開出電氣控制回路內(nèi)增加一付由轉(zhuǎn)速裝置開出的轉(zhuǎn)速＜25%的無源接點（原防止高轉(zhuǎn)速加閘程序閉鎖使用的是轉(zhuǎn)速裝置的有源接點），作為允許發(fā)電機風(fēng)閘頂起的電氣控制回路閉鎖接點（該接點是當(dāng)機組轉(zhuǎn)速下降到＜25%時，接點接通，開放發(fā)電機風(fēng)閘頂起電磁閥的電氣控制回路），實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)對風(fēng)閘頂起開出控制電氣回路上的閉鎖，保證機組風(fēng)閘只有在轉(zhuǎn)速＜25%才允許開放頂風(fēng)閘電磁閥動作回路[5]。也能有效防止人為誤操作（誤操作手動頂風(fēng)閘按鈕），頂風(fēng)閘開出繼電器DO86接點誤動作，導(dǎo)致的發(fā)電機風(fēng)閘高轉(zhuǎn)速加閘情況，保障發(fā)電機的安全穩(wěn)定運行。

2.3 原理對比

原風(fēng)閘開出電氣控制回路原理（如圖2所示）：DO86為頂風(fēng)閘開出繼電器，為程序閉鎖回路中的執(zhí)行元件，即在正常停機流程中當(dāng)轉(zhuǎn)速滿足條件＜25%且＜45%且＞5%時，該接點會閉合，風(fēng)閘頂起。

圖2 原風(fēng)閘開出電氣控制回路原理圖

現(xiàn)風(fēng)閘開出電氣控制回路原理（如圖3所示）：由于程序閉鎖中使用的是轉(zhuǎn)速裝置的單獨一副有源接點，可靠性不足，且原有的高轉(zhuǎn)速加閘程序閉鎖功能可能會存在人為手動誤加閘和轉(zhuǎn)速裝置接點誤動作、開出繼電器故障DO86接點誤開出的安全隱患。為消除此安全隱患，新方案（圖3藍框）是在發(fā)電機風(fēng)閘頂起的開出電氣控制回路內(nèi)增加一付由轉(zhuǎn)速裝置開出的轉(zhuǎn)速＜25%的無源接點（原防止高轉(zhuǎn)速加閘程序閉鎖使用的是轉(zhuǎn)速裝置的有源接點）作為允許發(fā)電機風(fēng)閘頂起的電氣控制回路閉鎖接點（該接點是當(dāng)機組轉(zhuǎn)速下降到＜25%時，接點接通，開放發(fā)電機風(fēng)閘頂起電磁閥的電氣控制回路），實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)對風(fēng)閘頂起開出控制電氣回路上的閉鎖，保證機組風(fēng)閘只有在轉(zhuǎn)速＜25%才允許開放頂風(fēng)閘電磁閥動作回路，也能有效防止人為誤操作（誤操作手動頂風(fēng)閘按鈕），頂風(fēng)閘開出繼電器DO86接點誤動作，導(dǎo)致的發(fā)電機風(fēng)閘高轉(zhuǎn)速加閘情況，保障發(fā)電機的安全穩(wěn)定運行。

圖3 現(xiàn)風(fēng)閘開出電氣控制回路原理圖

通過對比，團隊人員認(rèn)為，通過新增的電氣閉鎖控制回路，新防止高轉(zhuǎn)速加閘雙重閉鎖控制方案理論上能有效避免人為誤操作，轉(zhuǎn)速裝置接點誤動作及開出繼電器觸點誤動作所導(dǎo)致高轉(zhuǎn)速加閘事故的發(fā)生。

3 試驗過程及效果

模擬試驗。團隊人員對4號機組加裝該閉鎖功能后，進行閉鎖功能測試。方法：在轉(zhuǎn)速裝置的轉(zhuǎn)速信號采樣端接入轉(zhuǎn)速模擬信號（用信號發(fā)生器模擬機組轉(zhuǎn)速＞25%且＜45%轉(zhuǎn)速），試驗轉(zhuǎn)速裝置接點誤動作、人為誤操作以及開出繼電器觸點誤動作4種情況下的閉鎖功能。

操作一：在轉(zhuǎn)速＞25%時，人為短接轉(zhuǎn)速裝置＜25%的有源接點，測試閉鎖功能；操作二：在轉(zhuǎn)速＞25%時，人為短接轉(zhuǎn)速裝置＜25%的無源接點，測試閉鎖功能；操作三：在轉(zhuǎn)速＞25%時，人為按下手動頂風(fēng)閘按鈕，測試閉鎖功能；操作四：在轉(zhuǎn)速＞25%時，人為短接LCU 頂風(fēng)閘條件判斷開出繼電器DO86開接點，模擬接點誤接通情況下的閉鎖功能，并記錄成表格，見表1。

表1 4號機風(fēng)閘高轉(zhuǎn)速加閘雙重閉鎖功能試驗表

總計風(fēng)閘誤加閘概率為：0÷（6+6+6+6）×100%=0%。由統(tǒng)計結(jié)果可以看出，模擬的4種情況經(jīng)過多次試驗均未開出制動風(fēng)閘，完全可以避免發(fā)電機風(fēng)閘因為人為因素、轉(zhuǎn)速繼電器裝置故障，或者LCU程序開出繼電器DO86接點動作異常所導(dǎo)致的異常高轉(zhuǎn)速加閘情況的發(fā)生，保證發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行。

經(jīng)濟效益：高轉(zhuǎn)速加閘事故會使機組軸承、制動環(huán)磨損，風(fēng)閘損壞，產(chǎn)生大量煙塵，造成機組強迫性檢修和慘重的經(jīng)濟損失。因此，本次風(fēng)閘高轉(zhuǎn)速加閘雙重閉鎖功能產(chǎn)生了不可估量的經(jīng)濟效益。

安全效益：經(jīng)過加裝風(fēng)閘高轉(zhuǎn)速加閘雙重閉鎖功能后，取得的效果顯著，有效解決了因人為誤操作和轉(zhuǎn)速繼電器裝置故障、LCU 程序開出繼電器DO86故障可能導(dǎo)致的高轉(zhuǎn)速加閘事故的安全問題，提高了機組正常運行以及開停機的可靠性和安全性，為機組安全發(fā)供電提供了保證。

長遠(yuǎn)效益：本次技術(shù)創(chuàng)新的成果已經(jīng)在某發(fā)電廠4號機、5號機、3號機組中投入使用，后續(xù)也將在其他機組改造中加以推廣實施。同時，本次成果的思路也可以應(yīng)用到其他電氣控制回路上，創(chuàng)新了工作思路，拓展了工作方法。