引言

大峽水電站位于甘肅省白銀市和榆中縣交界處的水川鄉(xiāng)境內(nèi)黃河干流上,為日調(diào)節(jié)水庫,以發(fā)電為主,兼顧灌溉等綜合利用效益。大峽水電站共4臺機組,單機容量為75MW,于1998年正式并網(wǎng)發(fā)電,保證出力154.1MW,多年平均發(fā)電量14.92億kw·h,電站以220kV一級電壓出線,接入甘肅電力系統(tǒng),在電力系統(tǒng)中擔任基荷和調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù),是甘肅電網(wǎng)的骨干電廠之一。

1機組增容改造前調(diào)速器概況

大峽水電站水輪機調(diào)速器采用了sAFR-2000H型32位雙微機雙通道冗余控制結(jié)構(gòu)電氣柜和ZF1/D型調(diào)速器液壓控制柜,主要由液晶平板工控機、各數(shù)字/模擬模件、A/B套系統(tǒng)插箱、主配壓閥、電液伺服比例閥、容錯及手動控制閥、緊急停機閥、油路切換閥、節(jié)流閥及液壓管路等主要部分組成,主要實現(xiàn)以下調(diào)節(jié)控制功能:（1）執(zhí)行機構(gòu)在接收到操作指令后動作,實現(xiàn)機組的開/停機、緊急停機等命令:2)檢測并診斷各元器件和模塊的運行情況,實現(xiàn)故障自診斷功能并進行容錯控制的切換:3)在不同工況下機組根據(jù)負荷自行調(diào)整有功功率,使機組轉(zhuǎn)速控制在標準范圍內(nèi),或按某一預(yù)定的規(guī)律變化:4)根據(jù)當前水頭實現(xiàn)開機過程的最優(yōu)控制和負荷限制,實現(xiàn)協(xié)聯(lián)工況運行:5)自動調(diào)整與分配負荷,機組并網(wǎng)后,按照永態(tài)轉(zhuǎn)差值系數(shù)的大小,根據(jù)機組頻率與給定頻率的差值自動調(diào)整水輪發(fā)電機組的出力,實現(xiàn)電網(wǎng)的一次調(diào)頻等。

2機組增容改造后調(diào)速器存在的問題及分析

大峽水電站調(diào)速器目前采用的是以失電自復(fù)中型主配壓閥為核心的電液控制系統(tǒng),在機組帶負荷運行過程中,如出現(xiàn)控制系統(tǒng)電源消失的事故情況,導(dǎo)葉開度維持不變,機組繼續(xù)運行,使得機組有效避免了甩負荷現(xiàn)象,減小了系統(tǒng)負荷波動。但控制電源消失調(diào)速器還是存在一定的失控風(fēng)險,容易導(dǎo)致機組飛逸等事故的發(fā)生。同時,《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》(國能安全(2014)161號)中明確提出:"大中型水電站應(yīng)采用‘失電動作'規(guī)則,在水輪發(fā)電機組的保護和控制回路電壓消失時,使相關(guān)保護和控制裝置能夠自動動作關(guān)閉機組導(dǎo)水機構(gòu)。"本電站目前采用的失電自復(fù)中型控制系統(tǒng)不能滿足這一要求。

3方案實施

針對以上存在的問題,大峽水電站以機組增容改造為契機,對調(diào)速器系統(tǒng)進行了重新分析與設(shè)計,將調(diào)速器控制機構(gòu)由原來的失電自復(fù)中型改為失電自關(guān)閉型,并對其保護和控制回路進行了優(yōu)化改進。

3.1主配壓閥更換

為滿足失電關(guān)機的功能,大峽水電站調(diào)速器導(dǎo)葉主配壓閥和獎葉主配壓閥均更換為MDV1150(DN150)失電自關(guān)閉型,結(jié)構(gòu)如圖1所示,電液轉(zhuǎn)換單元采用高性能的伺服比例閥組成的雙冗余控制系統(tǒng),并配置有電手動綜合控制模件、緊急停機電磁閥等結(jié)構(gòu),能夠滿足失電關(guān)閉功能的要求。此系列主配壓閥在主配行程位移傳感器上實現(xiàn)了冗余配置,最大程度地保證了電站安全、穩(wěn)定運行。

失電自關(guān)閉型主配壓閥主要組成部分包括活塞、閥體、閥套、主閥芯、上端蓋和下端蓋等,主閥芯上、下部分別為恒壓腔(H）和控制腔(C）。當恒壓腔通入恒壓油(或接通回油）時,控制腔接通回油(或通入壓力油）,因各活塞桿作用面積不同,其受力也不相同,以此來實現(xiàn)對閥芯位置的控制。此功能由比例伺服閥完成。

恒壓腔活塞上部設(shè)置有定位塊,定位塊的上端為關(guān)機時間調(diào)節(jié)螺母,下端為開機時間調(diào)節(jié)螺母,通過調(diào)節(jié)螺母與定位塊的直線距離來限制主閥芯動作的極限位置,調(diào)節(jié)油口開口面積的大小,從而達到調(diào)整調(diào)速器開關(guān)機時間的目的。

其動作原理為當調(diào)速器液壓控制柜控制電源消失時,比例伺服閥切換至"失電保護"位,導(dǎo)葉主配壓閥控制腔(C）接通回油,此時,閥芯在恒壓腔(H）壓力油的作用下向下運動,使得接力器關(guān)機。

3.2伺服比例閥更換

伺服比例閥能夠把輸入的電氣控制信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)流量控制信號并輸出,為滿足相關(guān)要求,大峽水電站選用型號為0811404603的伺服比例閥組成的雙冗余控制系統(tǒng),其閥位機能圖如圖2所示。該伺服閥閥芯裝備了位置控制傳感器反饋,可將反饋信號引入電路形成閉環(huán)控制,因此控制精度很高(行程控制精度達1%）,閥的滯環(huán)和不重復(fù)性均很小。在調(diào)速器機械液壓柜斷電的情況下,即供電電壓小于DC18V時,伺服比例閥切換至"失電保護"位,導(dǎo)葉主配壓閥控制腔(C）接通回油,此時,閥芯在恒壓腔(H）壓力油的作用下向下運動,使得接力器關(guān)機,實現(xiàn)失電關(guān)機的功能。

圖2伺服比例閥閥位機能圖

3.3電源系統(tǒng)改進

大峽水電站對調(diào)速器機械液壓柜的電源系統(tǒng)進行了優(yōu)化改進,如圖3所示。

其電源系統(tǒng)主要采用一路AC220V輸入,兩路DC220V輸入,交流經(jīng)過變壓器隔離,再通過兩個雙路供電模塊和兩路直流并聯(lián),送到兩個開關(guān)電源,最后兩路DC24V輸出通過兩個二極管并聯(lián)為整個系統(tǒng)供電,并實現(xiàn)電源冗余,單個電源容量已達250w,足夠滿足系統(tǒng)用電容量。此外,增加了相應(yīng)的電源監(jiān)視繼電器,包括:K1—AC220V輸入電源監(jiān)視,K2—DC220VI路輸入電源監(jiān)視,K3—DC220VⅡ路輸入電源監(jiān)視,24V電源監(jiān)視接點則從兩個開關(guān)電源引出。在電源監(jiān)視繼電器K1、K2、K3中各取一個常閉接點并串聯(lián)(圖4）,送出"失電關(guān)機"故障信號至監(jiān)控系統(tǒng)。

3.4LCU側(cè)控制邏輯改進

機組處于并網(wǎng)態(tài)時,調(diào)速器因電源消失關(guān)閉導(dǎo)水機構(gòu),而機組的出口斷路器并未及時分開,仍處于合閘狀態(tài),造成機組調(diào)相運行,從而損壞發(fā)電機或造成電力系統(tǒng)不穩(wěn)定。調(diào)速器電源消失時向機組監(jiān)控系統(tǒng)或保護設(shè)備發(fā)出信號作用于分開機組出口斷路器,也易造成發(fā)電機出現(xiàn)過速的情況。

針對調(diào)速器失電停機即關(guān)閉導(dǎo)葉引起機組調(diào)相運行或機組過速的問題,大峽水電站對其進行了以下改進:

(1）如圖5所示,調(diào)速器失電停機信號引入機組LCU水機保護回路,加裝一個中間繼電器1KZ13,當調(diào)速器電源消失的信號動作時啟動機組LCU的水機保護回路。

(2）同時,為了防止機組在帶較高負荷運行時電源消失動作啟動水機保護導(dǎo)致機組過速,如圖6所示,在失電關(guān)機的水機保護回路中加入導(dǎo)葉開度的位置信號"導(dǎo)葉空載位以下",并將"失電關(guān)機"信號串聯(lián)"導(dǎo)葉空載位以下"接入事故停機擴展回路,使得在機組運行時調(diào)速器失電停機將不再引起機組調(diào)相或過速的情況,保證了水輪發(fā)電機組在調(diào)速器失電情況下正常停機。

(3）由水機保護回路將調(diào)速器"失電關(guān)機"信號接入監(jiān)控系統(tǒng),以便準確監(jiān)視、掌握調(diào)速設(shè)備的運行狀況,如圖7所示。

4改造后實驗效果

在改造結(jié)束滿足試驗條件后,對調(diào)速器逐一進行了無水狀態(tài)下緊急停機、靜態(tài)下失電關(guān)回導(dǎo)葉、動態(tài)下失電關(guān)回導(dǎo)葉等試驗項目,試驗結(jié)果均達到預(yù)期效果。

4.1緊急停機試驗

在無水試驗條件下,調(diào)速器控制系統(tǒng)、水機保護回路、監(jiān)控系統(tǒng)均正常帶電運行,將調(diào)速器控制狀態(tài)切為電手動狀態(tài),將導(dǎo)葉開度開至20%,分別投入機械液壓柜緊急停機按鈕和LCU柜緊急停機按鈕,導(dǎo)葉關(guān)回,水機保護回路緊急停機流程正常啟動,監(jiān)控系統(tǒng)事件正常報出。

4.2靜態(tài)下失電關(guān)機試驗

在無水試驗條件下,調(diào)速器控制系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、水機保護回路均正常帶電運行,調(diào)速器控制狀態(tài)切為電手動狀態(tài),將導(dǎo)葉開至20%開度,斷開機械液壓柜AC220V電源開關(guān)Q1,合上DC220VI路電源開關(guān)Q2、DC220VⅡ路電源開關(guān)Q3,導(dǎo)葉不關(guān)回,監(jiān)控系統(tǒng)"失電關(guān)機"故障信號報出:拉開DC220VI路電源開關(guān)Q2,合上AC220V電源開關(guān)Q1、DC220VⅡ路電源開關(guān)Q3,導(dǎo)葉不關(guān)回,監(jiān)控系統(tǒng)"失電關(guān)機"故障信號報出:拉開DC220VⅡ路電源開關(guān)Q3,合上AC220V電源開關(guān)Q1、DC220VI路電源開關(guān)Q2,導(dǎo)葉不關(guān)回,監(jiān)控系統(tǒng)"失電關(guān)機"故障信號報出:同時拉開AC220V電源開關(guān)Q1、DC220VI路電源開關(guān)Q2、DC220VⅡ路電源開關(guān)Q3時,導(dǎo)葉關(guān)回,水機保護回路緊急停機流程正常啟動,監(jiān)控系統(tǒng)事件正常報出。

4.3動態(tài)下失電關(guān)機試驗

在充水試驗條件下,機組各系統(tǒng)均正常帶電運行,將調(diào)速器狀態(tài)切為自動態(tài),機組開機至空載態(tài)并運行正常,同時拉開AC220V電源開關(guān)Q1、DC220VI路電源開關(guān)Q2、DC220VI路電源開關(guān)Q3時,導(dǎo)葉關(guān)回,水機保護回路緊急停機流程正常啟動,監(jiān)控系統(tǒng)事件正常報出。

5結(jié)語

大峽水電站調(diào)速器失電關(guān)機功能的實現(xiàn),不僅滿足了國家相關(guān)標準要求,而且很大程度上保證了在全廠失電等意外事故發(fā)生時,機組能夠安全可靠地停機:冗余電源系統(tǒng)、雙伺服比例閥的選取具備一定的容錯能力,大大降低了誤停機的概率,同時也減小了對電網(wǎng)系統(tǒng)造成的影響。