YMD水電站機組過速保護裝置的邏輯控制探討

張瑞杰

（新疆伊犁河流域開發建設管理局，新疆 烏魯木齊830000）

1 基本情況

YMD水電站工程為結合灌溉發電的引水式電站，取水口經渠道引水到壓力前池，通過壓力鋼管進入地面廠房后經尾水渠投入到原河道中。水電站采用單機單管的布置方式，鋼管長度2006m，由直徑4m漸變為直徑2.5m的管線長9m，直徑2.5m的管線長13.8m，為典型的長壓力鋼管引水式電站。

電站因所處地形地貌無法設置調壓井，布置調壓閥也存在泄水建筑物工程量較大的問題，因此，電站未設置調壓井和調壓閥。

電站工程等別為Ⅲ等，工程規模為中型，主要建筑物為引水渠、排冰閘、壓力前池、溢流堰、泄水槽、壓力管線、電站廠房、尾水渠。

電站裝有3×44MW立軸混流水輪發電機組，設計引用流量3×33m3/s，年發電量6.68億kW·h，年利用小時數：5060h。

YMD水電站從供水灌渠引水發電，且電站發電量在電力系統中的比重不大，根據SL511《水利水電工程機電設計技術規范》的規定并參照電站設計水頭段，設計單位確定該電站在最大水頭下機組甩100%額定負荷的蝸殼末端壓力上升率≤30%，在設計水頭下機組甩100%額定負荷的轉速上升率≤60%[1]。

電站特征參數見表1。

2 過渡過程計算成果

電站引水系統的布置如圖1所示。

表1 電站特征參數

受建設單位委托，按照設計單位確定的蝸殼最大動水壓力值≤207.3m，武漢大學對YMD引水系統大波動進行了仿真計算。計算成果如下：

當YMD電站調速器的關閉規律采用如圖2所示的兩段關閉規律時，蝸殼最大壓力值不超過207.3m、轉速上升率不超過60%，電站大波動過渡過程計算結果滿足設計要求[2]。

（1）計算成果見表2。

表2 大波動仿真計算成果表

（2）按照計算成果，對調速器關閉規律進行了整定，甩負荷試驗成果見表3。

圖1 引水系統壓力管線布置及斷面示意圖

圖2 導葉關閉規律示意圖

表3 3臺機組甩100%負荷的試驗數據表

試驗數據上，除1號機的數據有所偏差外（分析認為是傳感器測量偏差、率定偏差），2號、3號機組的數據與計算成果十分吻合，表明電站調速器導葉關閉規律整定正確。

3 機組甩負荷過程中出現的問題

在機組甩負荷試驗過程中，出現了因電氣過速保護裝置動作而使機組進入了事故停機流程的情況，機組停機。通常，在正常甩負荷的情況下，機組應進入空轉態，并處于熱備態，只有在事故甩負荷時，才進入事故停機流程，進而為停機態。經檢查：在甩100%額定負荷過程中，觸發了電氣過速保護裝置動作，計算機監控系統啟動事故停機流程，造成了機組事故停機。

針對這種情況，最直接有效的辦法是提高電氣過速保護裝置的整定值。但YMD電站機組甩100%額定負荷的最大轉速上升率已達到1.593ne，如果按照電氣和機械過速保護動作值的整定原則，電氣過速保護應該整定為1.62～1.63ne,機械過速保護值應整定為1.64～1.65ne，但這就會產生兩種不利的影響：

（1）由于電站的額定轉速偏高，在甩負荷試驗時現場已明顯感到機組和發電機層樓板的振動很大，如果機組在1.64～1.65ne轉速時觸發機械過速保護裝置動作并通過事故配壓閥關閉導葉，機組的振動勢必更大，對電站的安全運行造成嚴重影響，同時還應考慮此時機組是否可能會在慣性的作用下進入飛逸的情況。

（2）既然過速保護裝置是在調速器故障的情況下，為保護機組安全而設置的裝置，那么我們可以進行超前預判，判斷調速器是否拒動，從而決定電氣過速保護裝置是否投入。當這種控制邏輯有效時，可以降低電氣過速和機械過速保護裝置的整定值，有利于機組和廠房的安全。

4 采取的技術措施

4.1 調整計算機監控系統控制流程

可以考慮對電站監控系統的控制流程進行調整。對水輪機調節系統來說，產生機組飛逸的關鍵因素是導水葉未向導葉關閉方向運動，因此可通過對導葉接力器的運動方向進行識別和預判，正確判斷導葉接力器的運動方向，實現電氣過速保護的邏輯控制。

基本原理見圖3。

在上述機組甩負荷邏輯控制流程中，電氣過速保護本身就是電氣信號，用電氣回路進行邏輯控制很容易實現電氣過速保護的投入或退出，不影響本體的安全性。

4.2 參數整定

當上述的控制流程完成后，YMD電站將電氣過速保護的整定值設置為1.40ne，機械過速保護整定值設置為1.61ne，可滿足電站的安全穩定運行。

圖3 機組甩負荷過程邏輯控制流程圖

5 結語

（1）由于YMD電站不具備設置調壓井的特殊性，裝置調壓閥需要建設閥室且工程布置困難，在冬季運行時需要采取保溫措施，對于電站的運行和維護都存在不利因素。筆者正是考慮在這樣條件下，通過改變電氣保護裝置投入、退出的控制邏輯，來避免機組產生在正常甩負荷情況下進入事故停機流程、造成非事故狀態下的非正常停機問題。

（2）由于機械過速保護裝置整定在機組甩100%額定負荷時的瞬間最大轉速之后，即使電氣過速保護裝置失效，依然能觸發并保護機組的安全。

（3）應該指出的是，水輪發電機組在進行過渡過程計算和分析時，應統籌考慮機組甩負荷時的最大瞬間轉速值和電氣、機械過速保護整定值的匹配原則，并根據水電站引水系統的布置特點和特征參數，合理確定機組的GD2和導葉關閉規律，以滿足電站安全、可靠運行。

（4）考慮到機組振動對電站安全產生的不利影響，額定轉速較高的電站，在設計上可采取提高壓力上升值、降低轉速升高值以減輕機組的振動。

（5）利用裝置于導葉接力器上的直線位移傳感器判斷導葉關閉方向是上述控制邏輯能否實施的關鍵，也是一種新的思路。本文也僅僅是從實現控制的邏輯上進行了理論上的探討，存在的不妥之處，敬請批評指正。