錦屏一級水電站齒盤測速系統(tǒng)改造案例分析

華宏舉,劉娟莉

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司,四川 成都 610000)

錦屏一級水電站齒盤測速系統(tǒng)改造案例分析

華宏舉,劉娟莉

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司,四川 成都 610000)

介紹了錦屏一級水電站機(jī)組齒盤測速系統(tǒng)改造前后的運(yùn)行狀況對比及改造后的效果評價(jià),為同類型電站在相關(guān)設(shè)備設(shè)計(jì)、制造、安裝調(diào)試及運(yùn)行維護(hù)方面提供一定的參考依據(jù)。

錦屏一級水電站;齒盤測速應(yīng)用;問題分析;改造過程;效果評價(jià)

0 概況

錦屏一級水電站位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣和木里縣境內(nèi),是雅礱江干流下游河段(卡拉至江口河段)的控制性水庫梯級電站,電站安裝有6臺額定容量為600 MW的水輪發(fā)電機(jī)組,總裝機(jī)容量3 600 MW,多年平均發(fā)電量166.2億kW·h。水輪發(fā)電機(jī)為立軸傘式結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子上方設(shè)有上導(dǎo)軸承,轉(zhuǎn)子下方分別設(shè)有推力及下導(dǎo)軸承,額定轉(zhuǎn)速142.9r/min,水輪發(fā)電機(jī)組的主軸采用二根軸結(jié)構(gòu),水輪機(jī)軸與發(fā)電機(jī)軸通過法蘭直接連接,機(jī)組旋轉(zhuǎn)方向?yàn)楦┮曧槙r針。

2013年8月,錦屏一級水電站首臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電,2014年7月,全部6臺機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行。

1 測速齒盤應(yīng)用

錦屏一級水電站水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)有一套完整的齒盤測速裝置,包括測速齒盤及測速探頭、蠕動齒盤及蠕動探頭,及其相應(yīng)的測速及蠕動裝置。調(diào)速器和計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)共用測速齒盤,測速探頭分別設(shè)置。其中測速齒盤齒數(shù)42齒,蠕動齒盤齒數(shù)120齒,齒盤直徑2 100 mm。

1.1 測速齒盤在監(jiān)控系統(tǒng)上的應(yīng)用

錦屏一級水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)控制流程內(nèi),轉(zhuǎn)速信號作為一個重要的判斷依據(jù)在流程內(nèi)多次被引用。主要包括:S_0(機(jī)組轉(zhuǎn)速為零)、S_20(機(jī)組轉(zhuǎn)速小于20%)、S_95(95%>機(jī)組轉(zhuǎn)速>105%)。其中: S_0是機(jī)組全停的判斷條件;S_20是當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速停機(jī)至20%以下時投入制動風(fēng)閘命令的主要依據(jù); S_95是判斷機(jī)組達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的主要條件,也是停止高壓油潤滑系統(tǒng)、機(jī)組啟勵的重要前提,在機(jī)組并網(wǎng)態(tài)的判斷中也被使用。

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)使用的速度測量源為某公司生產(chǎn)的可編程轉(zhuǎn)速監(jiān)控裝置,該測速裝置有一路齒盤脈沖信號輸入、一路殘壓信號輸入,10路開關(guān)量信號(轉(zhuǎn)速<1%、轉(zhuǎn)速<20%、95%<轉(zhuǎn)速<105%等)和1路模擬量轉(zhuǎn)速信號輸出。當(dāng)測速裝置一路齒盤脈沖信號輸入與一路殘壓信號輸入都存在時,內(nèi)部邏輯判斷優(yōu)先選擇齒盤脈沖信號輸入作為信號源,只有當(dāng)齒盤脈沖信號輸入存在故障時,才會以殘壓信號輸入為信號源,所以機(jī)組正常運(yùn)行時,通常是采用齒盤脈沖信號輸入作為信號源。

1.2 測速齒盤在調(diào)速系統(tǒng)上的應(yīng)用

錦屏一級水電站調(diào)速器以“殘壓測速為主、齒盤測速為備用”的測速方式工作,每套PCC有3個獨(dú)立的測頻通道:殘壓、齒盤1、齒盤2通道,齒盤測速共用4個探頭,每套PCC用2個。運(yùn)行中優(yōu)先順序?yàn)椤爸鬟\(yùn)套PCC殘壓＞備用套PCC殘壓＞當(dāng)前主運(yùn)套PCC齒盤1＞當(dāng)前主運(yùn)套PCC齒盤2”。

1.3 測速齒盤在蠕動保護(hù)方面的應(yīng)用

錦屏一級水電站蠕動齒盤與測速齒盤采用一體化設(shè)計(jì)制造,上下分布、孔數(shù)不同,蠕動齒盤為120齒設(shè)計(jì)。蠕動測量傳感器設(shè)置2個,接入蠕動測試儀,當(dāng)機(jī)組產(chǎn)生蠕動時,蠕動測試儀發(fā)出報(bào)警信號送入計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),此時,監(jiān)控系統(tǒng)檢測當(dāng)前無開機(jī)流程、停機(jī)流程等其他程序正在執(zhí)行,則會啟動蠕動保護(hù)流程,投入高壓油潤滑系統(tǒng)及制動風(fēng)閘。

2 改造前測速齒盤存在的問題

錦屏一級水電站測速齒盤原設(shè)計(jì)為齒帶結(jié)構(gòu)(如圖1),并非傳統(tǒng)意義上的“齒盤”。一套齒帶共分四瓣組圓、螺栓把合。其中上面的方孔42個,用于監(jiān)控系統(tǒng)和調(diào)速器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速測量;下面的圓孔120個,用于蠕動保護(hù)監(jiān)測,該齒盤厚度僅僅為4.5mm,不滿足《水電廠自動化元件基本技術(shù)條件》(DL/T1107-2009)中關(guān)于對齒的寬度和高度大于20 mm的要求。

2.1 原測速齒盤對機(jī)組控制流程的影響

因?yàn)闇y速齒盤存在的問題,導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)過程中測速傳感器“丟齒”現(xiàn)象嚴(yán)重,單位時間內(nèi)測速裝置計(jì)算的脈沖數(shù)量不正確,測速裝置速度測量不準(zhǔn)確、轉(zhuǎn)速模擬量跳變、轉(zhuǎn)速開關(guān)量誤開出。首臺機(jī)組安裝調(diào)試期間,由于測速裝置輸出的轉(zhuǎn)速模擬量信號跳變幅度經(jīng)常低于95%或超過105%,而監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)組LCU程序中判斷S_95(機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到95%)的邏輯為:測速裝置電源正常、機(jī)組轉(zhuǎn)速>95%的開關(guān)量到達(dá)、轉(zhuǎn)速模擬量大于95%且小于105%。當(dāng)測速裝置輸出的模擬量轉(zhuǎn)速跳變時,將直接影響S_95信號的正常到達(dá),進(jìn)而影響到機(jī)組發(fā)電態(tài)的判斷,導(dǎo)致有功不可調(diào),機(jī)組負(fù)荷無法調(diào)整。額定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)速測量波形如圖2所示:

圖2 改造前機(jī)組額定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)速測量波形

圖2可以看出,機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行時,轉(zhuǎn)速測量波形出現(xiàn)頻率極高的毛刺,且上下波動,導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)速跳變,控制及調(diào)節(jié)流程均無法正常執(zhí)行。

此外,機(jī)組停機(jī)流程內(nèi),當(dāng)轉(zhuǎn)速下降至20%以下時,流程正常應(yīng)該發(fā)出投入制動風(fēng)閘的命令,因?yàn)辇X盤本身存在的問題,導(dǎo)致測量轉(zhuǎn)速偏差較大,流程無法正常執(zhí)行風(fēng)閘投入命令,只能靠運(yùn)行人員現(xiàn)地手動投入風(fēng)閘。同時,也存在正常運(yùn)行時測量裝置誤開出轉(zhuǎn)速小于20%的信號、從而導(dǎo)致風(fēng)閘誤頂起的重大隱患。

2.2 原蠕動齒盤對蠕動保護(hù)流程的影響

蠕動齒盤同樣存在厚度及高度不滿足規(guī)范的情況,蠕動報(bào)警信號測量不準(zhǔn)確,無法正常起到保護(hù)的作用。當(dāng)機(jī)組真正出現(xiàn)蠕動的狀況,蠕動報(bào)警裝置無法感知,報(bào)警信號不能正常開出,存在對機(jī)組推力軸瓦造成損傷的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 原測速齒盤對調(diào)速器系統(tǒng)的影響

同理,因調(diào)速器齒盤測頻與監(jiān)控系統(tǒng)測速共用同一齒盤,調(diào)速器的齒盤測頻值出現(xiàn)在±0.05 Hz范圍內(nèi)波動的現(xiàn)象,導(dǎo)致調(diào)速器測頻嚴(yán)重超出《DL/T 1245-2013水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)導(dǎo)則》中對于水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)頻率分辨率的要求:大型機(jī)組及重要電站的機(jī)組應(yīng)小于0.003 Hz。錦屏一級水電站一次調(diào)頻動作值為±0.04 Hz,在調(diào)速器殘壓測頻通道故障的情況下,調(diào)速器會自動切換齒盤測頻作為機(jī)組頻率參與控制,將出現(xiàn)一次調(diào)頻頻繁動作復(fù)歸,引起調(diào)速器頻繁調(diào)節(jié),造成液壓系統(tǒng)抽動及負(fù)荷波動。

3 測速齒盤改造及效果評價(jià)

3.1 測速齒盤改造

基于原測速齒盤存在的問題,以及對機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來的隱患,電廠決定聯(lián)系設(shè)備廠家對測速齒盤進(jìn)行改造,將原齒帶結(jié)構(gòu)更換為高精度線切割齒盤,保證齒盤的高度和寬度滿足規(guī)程規(guī)范的要求。新測速齒盤及蠕動齒盤分別加工、疊加安裝,內(nèi)徑2 100 mm,齒高度60 mm。采用整體線切割的方式,沿中間兩個齒保證間隙2 mm割開,表面發(fā)藍(lán)處理后,分兩瓣運(yùn)至現(xiàn)場。齒盤分瓣面采用12顆M16連接螺栓,每瓣中間位置對稱布置銷釘螺栓,使測速齒盤及蠕動齒盤貼合的更加緊密,且相互之間不會滑動。連接螺栓及組合面耳板強(qiáng)度均在出廠前進(jìn)行校核確認(rèn),保證了長期穩(wěn)定運(yùn)行的安全性。

3.2 新齒盤及探頭安裝

安裝新的測速及蠕動齒盤前,必須保證安裝在主軸上的平面與水輪機(jī)主軸垂直,首先清理掉拆除舊齒盤后遺留的油漬、表面毛刺等。安裝時,將齒盤的兩個半圓垂直安裝在水輪機(jī)主軸選定的位置上,同時重新在主軸上畫線以保證齒盤安裝高程不出現(xiàn)偏差。

探頭安裝時,使用塞尺測量探頭與齒盤間隙,調(diào)整探頭與齒盤間隙達(dá)到安裝要求后,緊固探頭固定螺絲。其中調(diào)速器A/B套齒盤1路、齒盤2路測速探頭的安裝要求:使用水平尺保證測速探頭安裝位置垂直于主軸中心線,探頭與齒盤的間距保持在2～3mm之間;監(jiān)控系統(tǒng)測速探頭安裝要求:使用塞尺測量測速探頭與測速齒盤間隙,間距保持在2.5 mm,調(diào)整測速探頭與測速齒盤間隙達(dá)到要求后,緊固探頭安裝螺栓與齒盤固定螺栓,若間隙不合要求,則需要反復(fù)調(diào)整,直至間隙合格。此外,所有探頭支架應(yīng)保證安裝牢固、無晃動現(xiàn)象,探頭出線電纜綁扎牢固、接線正確。新齒盤現(xiàn)場安裝效果如圖3所示:

圖3 新測速齒盤現(xiàn)場安裝圖

3.3 改造效果評價(jià)

利用檢修時機(jī),錦屏一級水電站陸續(xù)完成全部機(jī)組測速齒盤的改造工作,改造后的測速齒盤經(jīng)過近2年時間的運(yùn)行驗(yàn)證,監(jiān)控系統(tǒng)測速裝置轉(zhuǎn)速測量結(jié)果準(zhǔn)確、穩(wěn)定,基本誤差未超過±0.5%Nr。監(jiān)控系統(tǒng)各類控制流程能夠正常執(zhí)行,未再出現(xiàn)因轉(zhuǎn)速測量問題導(dǎo)致的流程執(zhí)行失敗、發(fā)電態(tài)無法正常指示、機(jī)組有功無法正常調(diào)節(jié)等問題。改造后的轉(zhuǎn)速測量波形如圖4所示。

圖4 改造后機(jī)組額定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)速測量波形

另外,改造后的機(jī)組均開展了機(jī)組蠕動試驗(yàn),驗(yàn)證機(jī)組超低速情況下蠕動報(bào)警裝置能否正常報(bào)出蠕動信號、蠕動流程能否正常啟動,經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證,全部結(jié)果正常。同時,改造后的齒盤運(yùn)用至電站調(diào)速器系統(tǒng)中后,調(diào)速器系統(tǒng)齒盤測頻信號精度完全可以滿足相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求,滿足調(diào)速器正常功率調(diào)節(jié)的需要。

4 結(jié)束語

水電廠機(jī)組轉(zhuǎn)速測量是電站控制系統(tǒng)重要的、不可或缺的基本參量,轉(zhuǎn)速測量的精準(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。而轉(zhuǎn)速測量除需要依靠性能穩(wěn)定、工作可靠、精度滿足要求的測量裝置及傳感器外,測速齒盤的選擇和加工精度同樣也是重要的一個環(huán)節(jié),只有嚴(yán)格遵從相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求、結(jié)合本電站設(shè)備的實(shí)際狀況,設(shè)計(jì)、制造、安裝符合要求的測速齒盤,配合傳感器及測速裝置,才能保證整套測速系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn),滿足電站長期安全穩(wěn)定運(yùn)行的需要。

TK730.4

B

1672-5387(2017)07-0068-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.07.021

2017-04-27

華宏舉(1974-),男,工程師,從事水電站生產(chǎn)技術(shù)管理工作。