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        大型水電站齒盤測(cè)頻原理分析及優(yōu)化

        2024-02-04 07:15:08
        小水電 2024年1期
        關(guān)鍵詞:支架測(cè)量優(yōu)化

        梁 毅

        (雅礱江流域水電開發(fā)有限公司,四川 成都 610051)

        0 引 言

        調(diào)速系統(tǒng)在水輪發(fā)電機(jī)組中擔(dān)任著調(diào)功調(diào)頻的重要任務(wù),其性能的好壞直接影響發(fā)電的質(zhì)量與品質(zhì)。齒盤測(cè)頻信號(hào)是調(diào)速系統(tǒng)重要的外部控制信號(hào),也是調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)結(jié)果的最終反映。如果頻率采樣故障,調(diào)速系統(tǒng)無法監(jiān)視到機(jī)組頻率,很有可能造成機(jī)組頻率失控,威脅機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行,因此保證頻率信號(hào)測(cè)量的可靠性至關(guān)重要[1]。

        1 概 述

        某大型水電站位于四川省涼山彝族自治州西昌市、鹽源縣的交界處,總裝機(jī)容量4×600 MW,其水輪機(jī)控制系統(tǒng)采用南京南瑞集團(tuán)公司生產(chǎn)的SAFR2000H型微機(jī)調(diào)速系統(tǒng),微機(jī)調(diào)節(jié)器采用奧地利B&R公司的PCC2005型控制器[2],CPU采用CP340型模塊;正常運(yùn)行A套調(diào)節(jié)器(PCC)為主用,B套為熱備,當(dāng)A套故障時(shí)能進(jìn)行無擾切換。機(jī)組測(cè)頻方式除了發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器采集的兩路殘壓測(cè)頻外,還有四路是安裝于發(fā)電機(jī)大軸上非接觸式接近開關(guān)的齒盤測(cè)頻[3]。

        水電站機(jī)組頻率測(cè)量是電站控制系統(tǒng)重要的、不可或缺的基本參量,頻率測(cè)量的精準(zhǔn)與否直接影響到機(jī)組控制流程的正確執(zhí)行及調(diào)速器的調(diào)節(jié)性能。而頻率測(cè)量除需要依靠性能穩(wěn)定、工作可靠、精度滿足要求的傳感器外,齒盤探頭的安裝、回路接線也是重要的一個(gè)環(huán)節(jié);只有嚴(yán)格遵從相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求,結(jié)合電站設(shè)備的實(shí)際狀況,設(shè)計(jì)、制造、安裝符合要求的齒盤測(cè)頻回路才能保證調(diào)速器系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn),滿足電站長期安全穩(wěn)定運(yùn)行的需要。

        2 齒盤測(cè)頻原理分析

        水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)接收來自機(jī)端PT或機(jī)組大軸的齒盤測(cè)頻信號(hào)以測(cè)量機(jī)組轉(zhuǎn)速,通過與目標(biāo)值比較后得到的轉(zhuǎn)速差值進(jìn)行PID運(yùn)算,其輸出值用以控制導(dǎo)葉接力器,進(jìn)而達(dá)到控制機(jī)組轉(zhuǎn)速的目的。由此可見,對(duì)于1臺(tái)調(diào)速系統(tǒng),測(cè)頻回路為一道瓶頸,如果測(cè)頻回路異?;蛘邷y(cè)頻精度無法達(dá)到要求,后續(xù)的控制回路將無法正常工作,詳見圖1。

        圖1 齒盤測(cè)頻原理圖

        圖1中,A和B是安裝在水輪機(jī)測(cè)速齒盤圓周上的2個(gè)探頭,當(dāng)齒盤的齒經(jīng)過探頭A和B時(shí)都會(huì)產(chǎn)生脈沖,2個(gè)脈沖分別經(jīng)過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器Sa和Sb整形后去觸發(fā)或復(fù)位RS觸發(fā)器,形成方波。按照?qǐng)D中規(guī)定的水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)方向,RS觸發(fā)器Ta產(chǎn)生的方波寬度正比于磁盤上的1個(gè)齒旋轉(zhuǎn)過A和B探頭的時(shí)間。經(jīng)過四路信號(hào)轉(zhuǎn)換器濾波、整形、隔離后送PCC數(shù)字模件,兩路齒盤測(cè)頻信號(hào)經(jīng)濾波,本身形成的就是方波脈沖信號(hào),隔離后分別送PCC高速數(shù)字模塊處理、計(jì)數(shù)。其輸出TPUc10的寬度與磁盤的加工精度無關(guān),保證了測(cè)量精度。

        電站齒盤探頭選用的是電感式傳感器,外部測(cè)頻信號(hào)輸入到四路信號(hào)轉(zhuǎn)換器,經(jīng)過處理后輸出可以讓PCC及PLC用于檢測(cè)的信號(hào),一路殘壓測(cè)頻信號(hào)和兩路齒盤測(cè)頻信號(hào)送給1套PCC控制器的測(cè)頻模塊,兩套PCC相互冗余。測(cè)頻信號(hào)采用“三選二”并聯(lián)冗余運(yùn)行方式,優(yōu)先級(jí)為:殘壓>齒盤1>齒盤2,詳見圖2。但在發(fā)電機(jī)低轉(zhuǎn)速階段,機(jī)端殘壓信號(hào)較弱,信號(hào)易受干擾失真,時(shí)常采集不到殘壓信號(hào),進(jìn)而無法準(zhǔn)確測(cè)量機(jī)組頻率,這種狀況下是以齒盤測(cè)頻為主用。

        圖2 外部測(cè)頻信號(hào)輸入和信號(hào)輸出配線圖

        控制邏輯:齒盤1為主用,殘壓測(cè)頻正常,測(cè)值與兩套齒盤測(cè)頻的差值均小于0.5 Hz(無頻率偏差報(bào)警),采用殘壓測(cè)頻;殘壓測(cè)頻異?;蝾l率偏差報(bào)警,優(yōu)先采用齒盤1測(cè)頻,若齒盤1測(cè)頻故障則采用齒盤2測(cè)頻。

        3 存在的問題與優(yōu)化

        該水電站機(jī)組自投運(yùn)后,齒盤測(cè)頻回路因自身設(shè)計(jì)及安裝原因,出現(xiàn)過齒盤測(cè)速值波動(dòng)較大、四路信號(hào)轉(zhuǎn)換器故障及測(cè)速探頭安裝支架松動(dòng)等缺陷,影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)分析研究,對(duì)齒盤測(cè)頻回路進(jìn)行優(yōu)化,對(duì)后續(xù)技術(shù)改造及機(jī)組檢修維護(hù)具有一定借鑒意義[4]。

        3.1 測(cè)速探頭優(yōu)化

        該電站測(cè)速探頭測(cè)量范圍區(qū)間較小,有效距離約為5 mm,但在實(shí)際使用過程中有效測(cè)量距離僅為3±1 mm 左右。探頭安裝位置必須十分接近齒帶本體,否則在機(jī)組開機(jī)及停機(jī)過程中頻率快速上升及快速下降造成的振動(dòng)容易造成測(cè)頻不準(zhǔn)確,嚴(yán)重會(huì)損壞齒盤探頭,造成事故停機(jī)[5]。同時(shí),有效測(cè)量距離太小也對(duì)測(cè)速探頭的檢修維護(hù)工作提出了很高的要求。

        基于上述原因,將齒盤探頭由P+F公司NJ5—18GM50—E替換為NJ8—18GM50—E,可靠動(dòng)作距離由5 mm提升為8 mm,其他重要參數(shù)均沒有變化。

        更換后的探頭抗干擾能力增強(qiáng),測(cè)頻信號(hào)更穩(wěn)定;而且傳感器的接線方式采用的是航空插頭端子,相較傳統(tǒng)手工焊接方式接線,大幅提升了現(xiàn)場檢修維護(hù)工作效率,詳見圖3、表1。

        表1 兩種型號(hào)接近開關(guān)參數(shù)對(duì)比

        圖3 齒盤安裝位置示意圖

        3.2 支架結(jié)構(gòu)優(yōu)化

        電站為齒盤測(cè)速探頭所用的支撐支架由2塊角鋼焊接而成,支架支撐直接焊接于下導(dǎo)油槽蓋板上,4個(gè)探頭均勻分布在機(jī)組大軸上。在機(jī)組振動(dòng)區(qū)間內(nèi),支撐支架會(huì)產(chǎn)生輕微的晃動(dòng),在機(jī)組開機(jī)及停機(jī)過程中頻率快速上升及快速下降過程中尤為明顯;該晃動(dòng)會(huì)造成測(cè)量精度發(fā)生偏移,進(jìn)而產(chǎn)生“丟齒”的現(xiàn)象。

        基于上述原因,支架前端可制作成以大軸中心為圓心的弧形,將4個(gè)探頭集中在1塊支架上,便于檢修維護(hù)。支架的結(jié)構(gòu)可采用3點(diǎn)支撐,并在3個(gè)支撐支架上再加上1個(gè)三角構(gòu)架,然后通過增加鋼支架的剛性強(qiáng)度以保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,進(jìn)而能夠解決振動(dòng)傳導(dǎo)問題[6]。

        另外,支架固定在水車室旁鋼筋護(hù)架上,可避免因機(jī)組本體振動(dòng)而導(dǎo)致的支架擺動(dòng)現(xiàn)象和頻率跳變,詳見圖4。

        圖4 優(yōu)化后的齒盤測(cè)頻支架

        3.3 測(cè)頻回路優(yōu)化

        目前,電站外部測(cè)頻信號(hào)全部輸入到四路信號(hào)轉(zhuǎn)換器,經(jīng)過處理后輸出可以讓PCC測(cè)頻模塊檢測(cè)的信號(hào),一路殘壓測(cè)頻信號(hào)和兩路齒盤測(cè)頻信號(hào)送給1套PCC控制器的測(cè)頻模塊。一旦四路信號(hào)轉(zhuǎn)換器故障,將會(huì)導(dǎo)致一路機(jī)頻信號(hào)、一路網(wǎng)頻信號(hào)、兩路齒盤信號(hào)完全失去作用,影響機(jī)組安全運(yùn)行。

        基于上述原因,采用冗余的四路信號(hào)模塊來優(yōu)化測(cè)頻回路,將機(jī)頻信號(hào)與網(wǎng)頻信號(hào)接到1個(gè)四路信號(hào)轉(zhuǎn)器上。這樣即使單個(gè)四路信號(hào)轉(zhuǎn)換器故障,不影響該套PCC的運(yùn)行,同時(shí)也增加了系統(tǒng)的容錯(cuò),對(duì)后續(xù)系統(tǒng)升級(jí)改造也提供了可行的方法,詳見圖5。

        圖5 優(yōu)化后的測(cè)頻回路

        4 結(jié) 語

        水電站機(jī)組齒盤測(cè)頻信號(hào)是電站控制系統(tǒng)重要的、不可或缺的參數(shù),齒盤測(cè)頻信號(hào)的精準(zhǔn)與否直接影響到機(jī)組控制流程的正確執(zhí)行及調(diào)速器的調(diào)節(jié)性能。

        本文針對(duì)某大型水電站水輪發(fā)電機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過程中齒盤測(cè)頻存在的一些問題,從測(cè)頻原理出發(fā),對(duì)存在的問題進(jìn)行了充分的討論及優(yōu)化。通過相應(yīng)的改造處理,達(dá)到了預(yù)期的效果,保障了水輪機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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