錦屏一級水電站齒盤測速系統改造案例分析

華宏舉,劉娟莉

(雅礱江流域水電開發有限公司,四川 成都 610000)

錦屏一級水電站齒盤測速系統改造案例分析

華宏舉,劉娟莉

(雅礱江流域水電開發有限公司,四川 成都 610000)

介紹了錦屏一級水電站機組齒盤測速系統改造前后的運行狀況對比及改造后的效果評價,為同類型電站在相關設備設計、制造、安裝調試及運行維護方面提供一定的參考依據。

錦屏一級水電站;齒盤測速應用;問題分析;改造過程;效果評價

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,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的水輪發電機組,總裝機容量3 600 MW,多年平均發電量166.2億kW·h。水輪發電機為立軸傘式結構,轉子上方設有上導軸承,轉子下方分別設有推力及下導軸承,額定轉速142.9r/min,水輪發電機組的主軸采用二根軸結構,水輪機軸與發電機軸通過法蘭直接連接,機組旋轉方向為俯視順時針。

2013年8月,錦屏一級水電站首臺機組投產發電,2014年7月,全部6臺機組投入商業運行。

1 測速齒盤應用

錦屏一級水電站水輪發電機組設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,及其相應的測速及蠕動裝置。調速器和計算機監控系統共用測速齒盤,測速探頭分別設置。其中測速齒盤齒數42齒,蠕動齒盤齒數120齒,齒盤直徑2 100 mm。

1.1 測速齒盤在監控系統上的應用

錦屏一級水電站計算機監控系統控制流程內,轉速信號作為一個重要的判斷依據在流程內多次被引用。主要包括:S_0(機組轉速為零)、S_20(機組轉速小于20%)、S_95(95%>機組轉速>105%)。其中: S_0是機組全停的判斷條件;S_20是當機組轉速停機至20%以下時投入制動風閘命令的主要依據; S_95是判斷機組達到額定轉速的主要條件,也是停止高壓油潤滑系統、機組啟勵的重要前提,在機組并網態的判斷中也被使用。

計算機監控系統使用的速度測量源為某公司生產的可編程轉速監控裝置,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路開關量信號(轉速<1%、轉速<20%、95%<轉速<105%等)和1路模擬量轉速信號輸出。當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,內部邏輯判斷優先選擇齒盤脈沖信號輸入作為信號源,只有當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,所以機組正常運行時,通常是采用齒盤脈沖信號輸入作為信號源。

1.2 測速齒盤在調速系統上的應用

錦屏一級水電站調速器以“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。運行中優先順序為“主運套PCC殘壓＞備用套PCC殘壓＞當前主運套PCC齒盤1＞當前主運套PCC齒盤2”。

1.3 測速齒盤在蠕動保護方面的應用

錦屏一級水電站蠕動齒盤與測速齒盤采用一體化設計制造,上下分布、孔數不同,蠕動齒盤為120齒設計。蠕動測量傳感器設置2個,接入蠕動測試儀,當機組產生蠕動時,蠕動測試儀發出報警信號送入計算機監控系統,此時,監控系統檢測當前無開機流程、停機流程等其他程序正在執行,則會啟動蠕動保護流程,投入高壓油潤滑系統及制動風閘。

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計為齒帶結構(如圖1),并非傳統意義上的“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,用于監控系統和調速器系統的轉速測量;下面的圓孔120個,用于蠕動保護監測,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條件》(DL/T1107-2009)中關于對齒的寬度和高度大于20 mm的要求。

2.1 原測速齒盤對機組控制流程的影響

因為測速齒盤存在的問題,導致機組運轉過程中測速傳感器“丟齒”現象嚴重,單位時間內測速裝置計算的脈沖數量不正確,測速裝置速度測量不準確、轉速模擬量跳變、轉速開關量誤開出。首臺機組安裝調試期間,由于測速裝置輸出的轉速模擬量信號跳變幅度經常低于95%或超過105%,而監控系統機組LCU程序中判斷S_95(機組轉速達到95%)的邏輯為:測速裝置電源正常、機組轉速>95%的開關量到達、轉速模擬量大于95%且小于105%。當測速裝置輸出的模擬量轉速跳變時,將直接影響S_95信號的正常到達,進而影響到機組發電態的判斷,導致有功不可調,機組負荷無法調整。額定轉速下轉速測量波形如圖2所示:

圖2 改造前機組額定轉速下轉速測量波形

圖2可以看出,機組在額定轉速下穩定運行時,轉速測量波形出現頻率極高的毛刺,且上下波動,導致監控系統內轉速跳變,控制及調節流程均無法正常執行。

此外,機組停機流程內,當轉速下降至20%以下時,流程正常應該發出投入制動風閘的命令,因為齒盤本身存在的問題,導致測量轉速偏差較大,流程無法正常執行風閘投入命令,只能靠運行人員現地手動投入風閘。同時,也存在正常運行時測量裝置誤開出轉速小于20%的信號、從而導致風閘誤頂起的重大隱患。

2.2 原蠕動齒盤對蠕動保護流程的影響

蠕動齒盤同樣存在厚度及高度不滿足規范的情況,蠕動報警信號測量不準確,無法正常起到保護的作用。當機組真正出現蠕動的狀況,蠕動報警裝置無法感知,報警信號不能正常開出,存在對機組推力軸瓦造成損傷的風險。

2.3 原測速齒盤對調速器系統的影響

同理,因調速器齒盤測頻與監控系統測速共用同一齒盤,調速器的齒盤測頻值出現在±0.05 Hz范圍內波動的現象,導致調速器測頻嚴重超出《DL/T 1245-2013水輪機調節系統并網運行技術導則》中對于水輪機調節系統頻率分辨率的要求:大型機組及重要電站的機組應小于0.003 Hz。錦屏一級水電站一次調頻動作值為±0.04 Hz,在調速器殘壓測頻通道故障的情況下,調速器會自動切換齒盤測頻作為機組頻率參與控制,將出現一次調頻頻繁動作復歸,引起調速器頻繁調節,造成液壓系統抽動及負荷波動。

3 測速齒盤改造及效果評價

3.1 測速齒盤改造

基于原測速齒盤存在的問題,以及對機組安全穩定運行帶來的隱患,電廠決定聯系設備廠家對測速齒盤進行改造,將原齒帶結構更換為高精度線切割齒盤,保證齒盤的高度和寬度滿足規程規范的要求。新測速齒盤及蠕動齒盤分別加工、疊加安裝,內徑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,表面發藍處理后,分兩瓣運至現場。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度均在出廠前進行校核確認,保證了長期穩定運行的安全性。

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偏差。

探頭安裝時,使用塞尺測量探頭與齒盤間隙,調整探頭與齒盤間隙達到安裝要求后,緊固探頭固定螺絲。其中調速器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;監控系統測速探頭安裝要求: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,調整測速探頭與測速齒盤間隙達到要求后,緊固探頭安裝螺栓與齒盤固定螺栓,若間隙不合要求,則需要反復調整,直至間隙合格。此外,所有探頭支架應保證安裝牢固、無晃動現象,探頭出線電纜綁扎牢固、接線正確。新齒盤現場安裝效果如圖3所示:

圖3 新測速齒盤現場安裝圖

3.3 改造效果評價

利用檢修時機,錦屏一級水電站陸續完成全部機組測速齒盤的改造工作,改造后的測速齒盤經過近2年時間的運行驗證,監控系統測速裝置轉速測量結果準確、穩定,基本誤差未超過±0.5%Nr。監控系統各類控制流程能夠正常執行,未再出現因轉速測量問題導致的流程執行失敗、發電態無法正常指示、機組有功無法正常調節等問題。改造后的轉速測量波形如圖4所示。

圖4 改造后機組額定轉速下轉速測量波形

另外,改造后的機組均開展了機組蠕動試驗,驗證機組超低速情況下蠕動報警裝置能否正常報出蠕動信號、蠕動流程能否正常啟動,經過試驗驗證,全部結果正常。同時,改造后的齒盤運用至電站調速器系統中后,調速器系統齒盤測頻信號精度完全可以滿足相關規程規范的要求,滿足調速器正常功率調節的需要。

4 結束語

水電廠機組轉速測量是電站控制系統重要的、不可或缺的基本參量,轉速測量的精準與否直接影響到機組控制流程的正確執行及調速器的調節性能。而轉速測量除需要依靠性能穩定、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節,只有嚴格遵從相關規程規范的要求、結合本電站設備的實際狀況,設計、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正常運轉,滿足電站長期安全穩定運行的需要。

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,從事水電站生產技術管理工作。