大峽水電站機組增容改造后調速器失電關機功能的實現

張沛鈺 薛斌

摘 要：大峽水電站調速器采用以失電自復中型主配壓閥為核心的電液比例閥伺服系統，但此類型電液控制系統已滿足不了國家電網相關要求。鑒于此，以機組增容改造為契機對調速器進行優化，利用新型伺服比例閥自身具有“失電保護”位的特性，實現調速器系統控制電源消失后導水機構自關閉功能。增容改造后機組失電關機功能實驗良好，同時也滿足了國家相關標準要求。

關鍵詞：調速器;主配壓閥;伺服比例閥;失電關機

0? ? 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境內黃河干流上，為日調節水庫，以發電為主，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75 MW，于1998年正式并網發電，保證出力154.1 MW，多年平均發電量14.92億kW·h，電站以220 kV一級電壓出線，接入甘肅電力系統，在電力系統中擔任基荷和調峰、調頻任務，是甘肅電網的骨干電廠之一。

1? ? 機組增容改造前調速器概況

大峽水電站水輪機調速器采用了SAFR-2000H型32位雙微機雙通道冗余控制結構電氣柜和ZFL/D型調速器液壓控制柜，主要由液晶平板工控機、各數字/模擬模件、A/B套系統插箱、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、節流閥及液壓管路等主要部分組成，主要實現以下調節控制功能：（1）執行機構在接收到操作指令后動作，實現機組的開/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負荷自行調整有功功率，使機組轉速控制在標準范圍內，或按某一預定的規律變化;（4）根據當前水頭實現開機過程的最優控制和負荷限制，實現協聯工況運行;（5）自動調整與分配負荷，機組并網后，按照永態轉差值系數的大小，根據機組頻率與給定頻率的差值自動調整水輪發電機組的出力，實現電網的一次調頻等。

2? ? 機組增容改造后調速器存在的問題及分析

大峽水電站調速器目前采用的是以失電自復中型主配壓閥為核心的電液控制系統，在機組帶負荷運行過程中，如出現控制系統電源消失的事故情況，導葉開度維持不變，機組繼續運行，使得機組有效避免了甩負荷現象，減小了系統負荷波動。但控制電源消失調速器還是存在一定的失控風險，容易導致機組飛逸等事故的發生。同時，《防止電力生產事故的二十五項重點要求》（國能安全〔2014〕161號）[1]中明確提出：“大中型水電站應采用‘失電動作規則，在水輪發電機組的保護和控制回路電壓消失時，使相關保護和控制裝置能夠自動動作關閉機組導水機構。”本電站目前采用的失電自復中型控制系統不能滿足這一要求。

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，對調速器系統進行了重新分析與設計，將調速器控制機構由原來的失電自復中型改為失電自關閉型，并對其保護和控制回路進行了優化改進。

3.1? ? 主配壓閥更換

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

失電自關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。

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

其動作原理為當調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換成相應流量控制信號并輸出，為滿足相關要求，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，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控制，因此控制精度很高（行程控制精度達1‰），閥的滯環和不重復性均很小。在調速器機械液壓柜斷電的情況下，即供電電壓小于DC18 V時，伺服比例閥切換至“失電保護”位，導葉主配壓閥控制腔（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，使得接力器關機，實現失電關機的功能。

3.3? ? 電源系統改進

大峽水電站對調速器機械液壓柜的電源系統進行了優化改進，如圖3所示。

其電源系統主要采用一路AC220 V輸入，兩路DC220 V輸入，交流經過變壓器隔離，再通過兩個雙路供電模塊和兩路直流并聯，送到兩個開關電源，最后兩路DC24 V輸出通過兩個二極管并聯為整個系統供電，并實現電源冗余，單個電源容量已達250 W，足夠滿足系統用電容量。此外，增加了相應的電源監視繼電器，包括：K1—AC220 V輸入電源監視，K2—DC220 V Ⅰ路輸入電源監視，K3—DC220 V Ⅱ路輸入電源監視，24 V電源監視接點則從兩個開關電源引出。在電源監視繼電器K1、K2、K3中各取一個常閉接點并串聯（圖4），送出“失電關機”故障信號至監控系統。