緊水灘電廠水輪機調速器失控策略的研究與應用

束炳芳，段文華，李 璋

（國網浙江省電力公司緊水灘水力發電廠，浙江 麗水 323000）

緊水灘電廠水輪機調速器失控策略的研究與應用

束炳芳，段文華，李 璋

（國網浙江省電力公司緊水灘水力發電廠，浙江 麗水 323000）

隨著現代水輪發電機組控制技術的不斷發展，對調速器系統的控制邏輯要求更加嚴密。本文結合水輪發電機組實際情況，運用現代傳感器及控制技術，通過研究調速器失控的狀態，提出一種新的診斷調速器失控的策略，該策略通過PLC采集調速系統接力器電氣反饋信號，與調速器控制信號綜合比較，就能表征調速器系統運行工況，可靠判斷水輪機調速器的失控狀態，并輸出故障信號送入監控系統。

水輪機調速器；失控；策略；應用

1 引言

緊水灘電廠總裝機容量385.8 MW，下轄緊水灘水電站（以下簡稱緊站）和石塘水電站（以下簡稱石站），其中緊站裝機6×50 MW，石站裝機3×28.6 MW，以擔任系統調峰、頂事故出力為主要任務。

緊水灘電廠目前采用的是PSW（S）T比例數字式冗余可編程控制水輪機調速器，電氣部分采用高性能法國施耐德MODICON TSX系列可編程控制器PLC，機械部分主要由比例閥與數字閥冗余電液轉換機構、機械手動操作機構、引導閥、主配壓閥、緊急停機電磁閥組成，具備自動、電手動和機械手動3種操作方式。

2 存在問題

水輪機調速系統失控信號判斷的正確與否對于真實反映調速器失控狀態、確保機組安全穩定運行有著極其重要的意義。因而對其可靠性也提出了更高的要求。緊水灘電廠調速器失控信號一直采用主配發卡接點表征，此信號引自主配壓閥安裝底座上安裝的一只位置接點開關。當調速器主配壓閥朝關方向移動時接點開關閉合；當主配壓閥回中或朝開方向移動時接點開關斷開。此接點動作信號上送給監控系統，若同時發電機組在空載狀態下轉速超過115%，將啟動緊急停機流程，保護發電機組，防止事故擴大。該策略在實際運行中存在諸多問題，不能有效反映調速器失控狀態。

（1）主配發卡接點不能確切的表現調速器失控狀態。采用單一微動開關接點只能表現主配未關，有些工況下會導致機組PLC誤判，機組水機保護誤動。例如發電機組甩負荷試驗中，機組開關跳開后，當轉速上升到頂點開始下降時，此時頻率雖然還是超過額定頻率，但頻率是快速下降的，經過調速器PID運算，導葉需要打開才能保持空載狀態，這時此節點就會動作，機組PLC誤認為調速器失控，引起緊急停機誤動作。見圖1所示。

圖1機組甩100%負荷調速器響應錄波示意圖

（2）正常情況下接力器調節速率見圖2。主配發卡節點不能表現水輪機調節系統控制導葉的速率。若主配實際發卡，正好又使導葉緩慢動作，此時導葉關閉時間大大超過調保計算時間，就可能導致嚴重事故。

圖2接力器調節速率圖

（3）行程開關接點容易因抖動誤發信號或因接點老化而拒動，可靠性不高。

（4）由于接點與閥體的結構、位置配合問題，檢修時極難調整至合適位置。

（5）原方式下無法通過模擬調速器失控狀態進行相關試驗。

3 失控策略研究

3.1 調速器失控的判斷策略

當調速器收到命令要開啟或關閉導葉時，其控制輸出（導葉需要到達的目標值）和實際導葉開度會存在差值，當此差值大于設定的死區值時，主配會接受PLC的PID運算控制信號朝目標方向打開一定量的開口，控制導葉朝目標方向移動。然后通過PLC程序周期掃描讀取實際導葉開度是否朝目標移動，并且判斷移動速率是否達到調保計算開關機時間的要求。若在一定延時時間（此時間由調保時間確定）內所讀取的導葉開度變化值未達到朝目標方向的變化速率，則判斷調速器失控。

3.2 技術原理

水輪機控制系統基本控制原理如圖3所示。

圖3調速器控制原理框圖

水輪機調速器主配的動作速率表達式見公式1。

式中：K——導葉開（關）方向放大倍數

△Y——導葉控制偏差（即導葉與目標值之間的距離）

k——主配放大系數

△y——主配開（關）方向打開角度

U——主配移動速率

從公式1中可以看出，導葉控制偏差 （△Y）越大，主配移動速率越快。主配移動后，△y變大，主配移動速率將減緩。

導葉移動速率與主配打開角度之間的關系表達式見公式2。

其中：△y——主配開（關）方向打開角度

Y——接力器全行程

t——調保計算的接力器全關（開）時間A——速率系數

將公式2變換得到A與主配位移的表達式見公式3。

綜合公式1和3，且當主配開或關到某一位置不動時，即U=0，又可得到A與導葉控制偏差的表達式4。

將上述原理編寫入PLC控制程序后，根據機組水力調節系統調保計算開關機時間t及現場調速器性能試驗實際所得的導葉放大系數K，主配放大系數k，即可根據上式得到A，通過PLC程序周期掃描讀取導葉開度是否朝目標方向移動，并且判斷移動速率是否等于A。若小于A，則表明調速器自動控制出現問題。延時500 ms，向機組PLC發出報警信號。

4 現場應用

（1）將上述調速器失控判斷策略與技術原理通過編寫PLC邏輯程序在調速器上實現，PLC梯形圖邏輯如圖4及圖5所示。圖4程序通過比較當前導葉開度與前一掃描周期開度值，再與導葉開度偏差值相比，判斷導葉正在開啟或關閉過程。圖5程序的功能是，不管比例閥工作還是數字閥工作，在開度給定不為零的工況下，當控制輸出與導葉開度的偏差大于4%，就判斷導葉“未開”或者“未關”，報警“機械拒動”，即調速器失控，無法自動控制，并向監控系統送出“調速器自動控制退出”信號。

圖4調速器動作方向判斷PLC邏輯圖

圖5調速器失控判斷PLC邏輯圖

（2）結合現場實際需求，新的調速器失控策略，還同時滿足下述要求：在發電機負載狀態時，若比例閥工作，此時比例閥出錯，且無數字閥出錯，切到數字閥，自動控制不會退出，即此時切到數字閥時可以正常工作；若數字閥再報出錯，則自動控制退出，且不能自動由數字閥切回比例閥工作，表明調速器失控。非負載狀態時，不管比例閥出錯或數字閥出錯，其中任意一個報警，都將使導葉自動控制退出，反映調速器失控，且不會直接切換至數字閥。

（3）調速器失控判斷策略在緊水灘6臺水輪機組調速器進行相關調試、試驗，并投入運行，效果良好。

5 結論

號誤動或者拒動。

（2）新的失控策略表征了所有可能引起調速器失控的故障，可反映控制機構故障、執行機構故障、導葉故障、主配故障、電氣控制輸出信號故障等導致接力器未按設定速率動作的故障。大大提高了機組過速保護回路的可靠性。解決了原主配發卡接點只表現主配未關的局限性和不科學性。

（3）該策略的應用使得日常檢修維護非常方便，試驗驗證方法直觀、簡潔，也便于對參數進行調整優化。

（1）通過軟件邏輯判斷調速器失控的策略表征水輪機失控，PLC程序精確計算，具有智能性，有效避免硬件接點故障及老化產生的誤差，杜絕失控信

[1]魏守平.現代水輪機調節技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2002.

TV734.4

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1672-5387（2017）11-0004-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.11.002

2017-08-30

束炳芳（1982-），男，高級工程師，從事水電廠機電設備管理工作。