天生橋一級水電站調速器系統改造及實施

盧亞萌，潘雪梅，張朝強，楊 益

（1.廣東省能源集團天生橋一級水電開發有限責任公司水力發電廠，貴州 興義 562400；2.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051）

1 電站概況

天生橋一級水電站位于貴州、廣西兩省區的交界處，是南盤江梯級水電開發的龍頭水電站，在系統中主要承擔調峰調頻、黑啟動任務。電站安裝有4臺混流式水輪發電機組，單機容量為300 MW，總裝機容量為1 200 MW，于2000年12月全部投產發電。

2 調速器系統存在的主要問題

電站原有調速器系統于2012年5月改造完成并投運，至改造前已運行9年，電氣柜已到了老化階段，調速器系統也暴露出一些設計上的不足需要進一步改進和優化。目前，調速器主要存在以下問題：

（1）4臺機調速器電氣元器件出現過不同程度的故障，如機柜頻率計故障、觸摸屏故障、測頻模塊故障等。同時，貝加萊PCC2005已停產，備件采購困難，后續軟件升級也已停止服務。

（2）調速器主配壓閥為掉電自復中式，斷電后導葉保持不動，不滿足《廣東能源集團二十五項反措專項查評實施細則》中23.1.8：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葉。

（3）調速器系統觸摸屏內存較小，故障記錄不夠詳細，試驗功能不強大。

（4）事故配壓閥和緊急停機電磁閥同時動作時關機速度加快，會導致蝸殼水壓異常上升。

（5）主配動作時，管道振動較大。

（6）開度模式下調節機組有功，監控系統和調速器系統存在配合不到位導致有功波動的情況。

（7）一次調頻動作時頻繁被電網考核，參與調頻輔助服務市場時性能指標較低等。

（8）功率模式未能投入使用。

天生橋一級水電站調速器系統已不能適應電廠“無人值班”、智能化電廠建設以及工業互聯網相關要求，為了提高機組運行安全性、可靠性，需要對調速器系統進行升級改造。

3 調速器改造配置及主要功能

根據以上調速器系統存在的問題，確定調速器改造主要部件配置及功能如下：

（1）調速系統采用方案具備孤網、孤島、功率模式、大網運行、小網運行、一次調頻功能[1]，能夠滿足最新的交直流混合性輸變電網的苛刻要求。機械液壓系統采用能事達最新WT型閥組，主要元件采用原裝進口產品，導葉電液轉換器采用德國力士樂雙伺服比例閥冗余控制。電源[2]、測頻回路、控制器、功放板、電液轉換器、參與控制的反饋回路（測速接近開關、導葉行程傳感器、主配行程傳感器等）均采用雙套冗余配置，兩套之間滿足無擾動切換要求。

（2）微機控制器采用施耐德可編程控制器，具備IEC61850通信功能，調節器中配有高性能CPU模塊，能完成調速器的各種功能。CPU字長32 b，主頻600 MHz，并實現冗余配置，最快掃描周期時間1 ms。

（3）電液轉換元件及電磁閥采用德國力士樂品牌，電液轉換元件采用雙伺服比例閥實現冗余配置，伺服比例閥采用驅動及本體集成型高檔配置方案。

（4）主配壓閥及集成閥組：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，調速器液壓系統自動動作關閉機組導葉。主配壓閥結構及布置與現場位置相匹配。主配壓閥的主要零部件采用耐磨、耐蝕性能好的優質材料，閥芯采用鍛件結構，閥殼采用鍛件結構，可確保主配壓閥動作靈活、耐磨損、抗油污。

（5）事故配壓閥是水輪發電機組的安全保護設備，天生橋一級水電站事故配壓閥采用將電磁配壓閥、油閥、事故配壓閥集成于一體的組合式集成結構布置方式。事故配壓閥組全部采用插裝閥組成[3]，插裝閥組、電氣先導閥、液壓先導閥采用德國力士樂電磁閥產品。事故配壓閥動作時油路切換時間盡可能短，保證調速器動態品質滿足調保計算要求。同時確保停機導葉關閉過程中事故配壓閥動作時，導葉不加速關閉。

（6）齒盤測頻與PT測頻互為備用，實現冗余配置，選用的測頻模塊具備互換性，抗干擾能力強；機組以齒盤測速為頻率反饋進行頻率控制調整時，測頻精度為0.001 Hz，主配壓閥不會出現抖動情況。

（7）工控機采用中文人機接口界面的彩色液晶觸摸工控機，施耐德品牌，具有足夠的內存和存儲容量，滿足觸摸屏的各項功能正常運行，并預留不少于40%的裕量。調速器機械柜工控機配置：調速器機柜上設置施耐德品牌觸摸屏10.4''工控機人機界面。觸摸屏性能可靠穩定，屏幕能夠常亮顯示，滿足通過工業電視攝像頭監視畫面信息的需要。機柜工控機與調速器電氣柜采用以太網接口通信，可顯示調速器系統全部信息和重要機組狀態信息。

（8）采用隔離變壓器，用于電源回路、測頻PT回路的隔離。

（9）調速器支持多種網絡通信：提供RS232、RS485串口和以太網口，通信規約采用MODBUS和IEC104，支持現場總線Profibus。另提供2個串行通信接口，用于現地與便攜式PC機相連，以便修改、調試程序和設定參數。調速器支持MODBUS/TCP、MODBUS等通信協議，已預留IEC61850通信接口，提供滿足系統內部通信和后期擴展需要的光纖、網口（RJ45）和串口（RS232或RS485）接口。采用串口接線、MODBUS協議和現監控系統通信；后期監控系統改造后，采用光纖或網口、IEC61850協議接入監控系統，為智能化電廠建設預留通信接口。

（10）故障錄波診斷及調試功能[2]：能夠在線顯示系統重要反饋信號、開入開出信號、控制參數、控制輸出信號等；同時實時記錄各信號數據，能夠自主判斷并推送故障類型和處理建議；能夠自主比較判斷數據變化趨勢并推送告警信息。支持歷史錄波數據在線調取查閱和導出分析。

4 改造過程中出現的問題及處理

（1）事故配壓閥切換時間過長

1號機組事故配壓閥配管安裝完成，進行相關無水試驗，試驗內容包含：事故配壓閥關機時間調整及事故配壓閥投入、退出動作試驗等，期間未進行一個接力器行程內依次投入緊急停機閥及事故配壓閥的試驗，相關試驗結果均正常。

2號機組事故配壓閥配管安裝完成，進行相關無水試驗，試驗內容包含：事故配壓閥關機時間調整[4]及事故配壓閥投入、退出動作試驗，同時進行了一個接力器行程內依次投入緊急停機閥及事故配壓閥的聯動試驗。在緊急停機閥投入后，再投入事故配壓閥動作試驗時，發現導葉關閉曲線中存在導葉關閉加速現象，導葉全關時間大約8.5 s（導葉開度100%至0），其中導葉速度加快持續時間大約5.4 s。在事故配壓閥投入后，再投入緊急停機閥試驗時，同樣發現存在導葉關閉加速現象，加速持續時間大約5.4 s，通過錄波曲線核實導葉全關時間大約10.2 s（導葉開度100%至0）。根據試驗結果可知，在事故配壓閥切換過程中，存在主配壓閥關腔壓力油及事故壓力油同時往接力器關閉腔供油的現象，該現象持續時間對應導葉關閉加速過程持續時間，此時間約為5.4 s，表明事故配壓閥切換時間過長。為解決這一問題，現場將事故配壓閥接主配壓閥開腔管道對應壓蓋替換為帶調節螺桿裝置壓蓋，從閥芯行程上進行限位處理，減小事故配壓閥切換閥芯動作時間。經過上述處理，有效減少導葉關閉加速過程持續時間，經試驗可知，加速持續時間約為0.5 s。

3號機組事故配壓閥配管安裝完成，進行相關無水試驗，試驗內容包含：事故配壓閥關機時間調整及事故配壓閥投入、退出動作試驗等，同時在事故配壓閥關機時間調整與緊急停機閥關閉時間調整完成后，進行緊急停機閥投入后再投入事故配壓閥的聯動關機動作試驗。此次針對一個接力器行程內依次投入緊急停機閥及事故配壓閥的動作分別進行兩種試驗。試驗一：在事故配壓閥先導級的液控換向閥控制油口安裝0.5 mm孔徑的節流塞；試驗二：在事故配壓閥先導級的液控換向閥控制油口不增加節流塞。試驗結果顯示：液控換向閥控制油口增加0.5 mm節流塞之后，導葉接力器的全關過程中，其關閉速度未出現增速現象，導葉接力器關閉速度的斜率與設定值（整定數值）一致，但接力器會出現0.8 s的靜止不動時間，這表明增加0.5 mm的節流塞之后事故配壓閥的各閥芯動作出現明顯的先后順序，且能在切斷主配壓閥油路完成后再開啟事故油源關閉接力器。而未增加0.5 mm節流塞的試驗結果與2號機組類似，在一個接力器行程內依次投入緊急停機閥及事故配壓閥時，也會出現導葉關閉加速現象，加速持續時間為0.47 s。

4號機組事故配壓閥配管安裝完成，進行相關無水試驗，試驗結果與2號、3號機組類似。

（2）調試情況分析

根據以上試驗結果可知，兩種狀況下（液控換向閥控制油口增加0.5 mm節流塞或不增加節流塞）接力器關閉時間均能滿足調保計算報告的要求（接力器關閉時間控制在14 s～16 s之間），區別在于液控換向閥控制油口不加節流塞時，模擬緊急停機閥投入后再投入事故配壓閥動作出現接力器加速關閉的現象，將導致水管壓力驟升。選擇液控換向閥控制油口增加0.5 mm節流塞能有效避免上述水管壓力驟升的問題，但是接力器會出現0.8 s的靜止不動時間導致機組轉速上升。

圖1為天生橋一級水電站2號機組甩100%負荷試驗錄波曲線。由圖1可知，機組轉速上升最快時間點為接力器開始關閉時刻，此時轉速加速度換算值約為4.4 r/min，機組最高轉速為186 r/min。考慮機組轉速最高時刻接力器停滯時間約0.8 s，可能導致轉速上升3.52 r/min，則機組最高轉速不會超過189.52 r/min，而實際上轉速最高時刻不會出現在接力器開始關閉時刻，所以189.52 r/min的轉速極限具有較大的安全裕量。本電站機組純機械過速保護裝置的轉速觸發值為額定轉速的145%，約為197.7 r/min，考慮各種最惡劣情況來分析，機組轉速上升也不會達到純機械過速觸發值。

圖1 2號機組甩100%負荷試驗錄波曲線

根據天生橋一級水電站原事故配壓閥試驗結果，緊急停機閥投入后再投入事故配壓閥的聯動關機動作試驗中接力器加速關閉時間為0.6 s，蝸殼水壓從1 560 kPa驟升至1 860 kPa。采用從閥芯行程上進行限位處理后，能將導葉加速關閉持續時間控制在0.5 s內，小于原來的加速關閉持續時間，由此可知在閥芯行程上進行限位處理后機組事故停機過程中的蝸殼水壓上升不會超過1 860 kPa。

(3) 解決方案

綜合上述兩種方案，為避免節流塞孔徑過小引起的堵塞故障，確定采用現場將事故配壓閥接主配壓閥開腔管道對應壓蓋替換為帶調節螺桿裝置壓蓋，從閥芯行程上進行限位處理，減小事故閥切換閥芯動作時間。經過上述處理，在緊急停機閥動作關閉時間、事故配壓閥動作關閉時間均滿足調保計算整定值的前提條件下[5]，再次進行緊急停機閥動作、事故配壓閥動作疊加試驗，事故配壓閥閥芯切換的過渡過程持續時間明顯縮短，導葉關閉加速持續時間控制在0.5 s以內。

通過對2號機組調試過程中問題的有效處理，其他機組事故配壓閥也增加了可調節螺桿，調整后事故配壓閥和緊急停機電磁閥同時動作時導葉全關時間與2號機組基本一致，滿足設備運行要求。

5 改造后試驗及運行情況

4臺機組調速器系統改造完成后，現場進行了建模試驗。下面是2021年11月3號機組的建模試驗結果：

（1）主接力器動作時間實測

主接力器動作時間實測結果見表1及圖2、圖3。由實測結果可知：主接力器的動作時間，符合規程及設計要求。

表1 主接力器動作時間實測數據表

圖2 主接力器動作時間實測結果-自動開機

圖3 主接力器動作時間實測結果-自動關機

（2）調速系統一次調頻死區實測

將調速器切為“自動”運行方式，根據機組運行的實際情況，將主接力器分別開至35%、65%實測上、下一次調頻死區△fY，實測結果見表2及圖4、圖5。由測試結果可知：△fY1=0.052 Hz、△fY2=0.052 Hz、△fY3=0.050 Hz、△fY4=0.052 Hz。根據相關規程規定，調速系統一次調頻死區的實測值△fY=0.052 Hz，滿足要求。

表2 一次調頻死區實測數據表

圖4 調速系統一次調頻死區實測（向上測試）

圖5 調速系統一次調頻死區實測（向下測試）

（3）功率閉環增減負荷實測

調速器切為“自動”運行方式，避開當時水頭下的振動區，將機組調整到250 MW負荷工況穩定運行，投入監控系統有功調節閉環，用功率給定方式，在監控系統上位機進行250 MW→280 MW→250 MW的負荷擾動試驗，實測機組調節系統的負荷擾動性能，試驗結果見圖6。由實測結果可知：負荷調節波動大，無超調。

圖6 功率閉環增減負荷實測

（4）BPA整體仿真與校核

進行了一次調頻頻率擾動仿真，相關參數指標能滿足南網建模導則的要求。

（5）其他試驗

對水輪機及調節系統的機頻測頻回路、主接力器動作時間、數字調節器、調速系統、調節參數、固有死區、一次調頻死區、開度死區等性能參數進行了現場實測與計算；對機組運行工況條件、有功對應導葉開度、一次調頻頻率擾動、常規負載開度擾動、機組慣性時間常數等過渡過程進行了現場實測與分析。

試驗結果表明：水輪機及其調節系統各項性能參數指標滿足規程及設計要求，進行一次調頻頻率擾動仿真時，相關參數指標能滿足南網建模導則的要求。天生橋一級水電站機組一次調頻為非增強型一次調頻，一次調頻限幅為頻率限幅，限值為0.21 Hz。

6 結束語

天生橋一級水電站通過調速器系統升級改造，并對調試過程中出現的問題進行了有效處理，進一步完善和提升了調速系統安全性、穩定性，確保機組能安全穩定運行。