模擬開停機試驗在萬家寨水電站的應(yīng)用

沈浩躍

（黃河萬家寨水利樞紐有限公司，山西 忻州 036412）

0 引言

為提高水輪發(fā)電機組的運行效率，每臺機組每年都會進行相應(yīng)等級的計劃檢修[1]。當檢修進行到后期，在一次設(shè)備和機械設(shè)備檢修完畢，且保護裝置校驗、勵磁系統(tǒng)開環(huán)試驗、調(diào)速器無水調(diào)試試驗等二次設(shè)備試驗工作全部完畢后，需在無水工況下進行監(jiān)控系統(tǒng)模擬開停機試驗。模擬開停機試驗的主要目的是檢驗計算機監(jiān)控系統(tǒng)自動開停機流程、事故停機自啟動流程、水機保護回路以及檢修后的各系統(tǒng)運行是否正常，并及時處理發(fā)現(xiàn)的問題，確保監(jiān)控系統(tǒng)安全可靠投運。本文從監(jiān)控系統(tǒng)模擬開停機試驗全過程出發(fā)，圍繞試驗條件、試驗準備、試驗項目和方法進行討論，以確保試驗順利開展。

1 工程概況

萬家寨水電站位于黃河北干流托克托至龍口河段峽谷內(nèi)，左岸隸屬山西省偏關(guān)縣,右岸隸屬內(nèi)蒙古自治區(qū)準格爾旗。水庫總庫容8.96 億m3,調(diào)節(jié)庫容4.45 億m3。電站共安裝6 臺單機容量180 MW的水輪發(fā)電機組，總裝機容量1 080 MW，設(shè)計多年平均發(fā)電量27.5 億kW·h。1998 年11 月首臺機組并網(wǎng)發(fā)電，2000 年6 臺機組全部投產(chǎn)發(fā)電。

萬家寨水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)于2013～2014 年進行改造，改造后的計算機監(jiān)控系統(tǒng)采用了南京南瑞生產(chǎn)的分層分布式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由廠站層系統(tǒng)（上位機）和現(xiàn)地控制單元系統(tǒng)（下位機）組成，廠站層系統(tǒng)和現(xiàn)地控制單元各子系統(tǒng)采用雙星型光纖以太網(wǎng)連接進行數(shù)據(jù)交互。上位機主要包含計算機服務(wù)器（工作站）、UPS 系統(tǒng)和時鐘同步系統(tǒng)，采用NC2000 應(yīng)用系統(tǒng)，下位機包括6 套機組現(xiàn)地控制單元、1 套220 kV 開關(guān)站現(xiàn)地控制單元、1 套公用現(xiàn)地控制單元，均采用SJ-600 型單元監(jiān)控裝置。模擬開停機試驗是檢驗機組現(xiàn)地控制單元能否正常投運的重要步驟。

2 試驗條件

模擬開停機試驗前，需將監(jiān)控系統(tǒng)上電，并做好安全措施，以滿足無水工況下試驗的條件。試驗前需執(zhí)行的安全措施有：落機組進水口快速閘門至全關(guān)，并做防提措施；全開機組蝸殼放空閥，排空蝸殼積水；全關(guān)技術(shù)供水蝸殼取水閥，防止技術(shù)供水反送至蝸殼；發(fā)電機風洞及水車室轉(zhuǎn)動部分無人工作。試驗時發(fā)變組一次設(shè)備需在檢修態(tài)，并將技術(shù)供水系統(tǒng)、水導外循環(huán)泵控制系統(tǒng)、頂蓋排水控制系統(tǒng)、機械制動系統(tǒng)、調(diào)速器及油壓裝置恢復(fù)運行，同時投入主軸密封水。為使開機條件滿足，還需將發(fā)變組保護系統(tǒng)、勵磁系統(tǒng)上電。

3 試驗準備

模擬開停機試驗一般在監(jiān)控系統(tǒng)下位機進行，試驗設(shè)備有計算機監(jiān)控系統(tǒng)專用調(diào)試筆記本、頻率信號發(fā)生器、多功能信號校準儀、磁鐵等。調(diào)試筆記本接入現(xiàn)地交換機，用于聯(lián)機監(jiān)視監(jiān)控系統(tǒng)上、下位機相關(guān)信息；頻率信號發(fā)生器分別接入監(jiān)控下位機轉(zhuǎn)速測控裝置和調(diào)速器電氣柜測速回路，用于模擬機組轉(zhuǎn)速；多功能信號校準儀接入溫度量回路，用于模擬現(xiàn)場上導、推力、水導等軸承瓦溫；磁鐵作用于壓力油罐和回油箱磁翻板液位計上安裝的磁性液位開關(guān)，用于模擬油罐和回油箱油位信號。

試驗開始前，需進行現(xiàn)場檢查，確保水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)動部分無人工作?，F(xiàn)場檢查發(fā)電機風洞，確認無人工作后，將風洞門上鎖；同時檢查水車室，確認無人工作后，在水車室門口設(shè)置“禁止進入”警示牌。另外，檢查調(diào)速器、技術(shù)供水、機械制動等系統(tǒng)狀態(tài)及監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)信號，確保相關(guān)系統(tǒng)均已恢復(fù)運行且上送監(jiān)控系統(tǒng)信號均正確。

試驗開始前，需使機組開機條件滿足。機組開機條件主要有：①發(fā)電機出口開關(guān)、主變高壓側(cè)開關(guān)至少有一個在分位；②發(fā)電機出口隔離刀閘在合位；③快速閘門不在全關(guān)；④機組導葉在全關(guān)；⑤接力器鎖錠投入；⑥壓力油罐隔離閥在關(guān)；⑦主軸密封水投入；⑧油壓裝置電源正常；⑨發(fā)電機出口開關(guān)操作電源正常；⑩監(jiān)控系統(tǒng)水機回路電源正常；?水導外循環(huán)泵電源正常；?調(diào)速器電氣柜電源正常；?勵磁系統(tǒng)電源正常；?發(fā)變組保護裝置電源正常；?機組無事故。以上條件全部滿足后方可開機。

模擬開停機試驗與機組正常運行時的工況不一樣，因發(fā)變組一次設(shè)備在檢修態(tài)，發(fā)電機出口開關(guān)、主變高壓側(cè)開關(guān)、發(fā)電機出口隔離刀閘均在分位，發(fā)電機出口開關(guān)操作電源未投，故需短接“模擬開停機試驗標志”信號，或通過調(diào)試筆記本聯(lián)機PLC將該信號由0 強制為1，跳過一次設(shè)備狀態(tài)的判斷。另外需將“快速閘門全關(guān)”信號接線拆除，或?qū)⒃撔盘栍? 強制為0，方可使機組開機條件滿足。

開機流程的執(zhí)行還要求機組在停機態(tài)。停機態(tài)的邏輯為：發(fā)電機出口開關(guān)、主變高壓側(cè)開關(guān)至少有一個在分位，且發(fā)電機中性點刀閘在合位、機組轉(zhuǎn)速小于1%Ne、機端電壓小于10%Ue、機組檢修標記在退。由于機組檢修時，發(fā)電機中性點刀閘在分、檢修標記在投，故需將“發(fā)電機中性點刀閘合閘位置”由0 強制為1，并在監(jiān)控系統(tǒng)上位機將“機組檢修標記”退出，機組狀態(tài)才能轉(zhuǎn)為停機態(tài)。

為防止檢修過程中監(jiān)控系統(tǒng)下位機狀態(tài)的變化導致PLC 誤開出，機組檢修時會將“調(diào)試”鍵按下。而模擬開停機試驗時，需執(zhí)行機組開停機流程，對各系統(tǒng)設(shè)備進行控制，所以在確認機組轉(zhuǎn)為停機態(tài)后將“調(diào)試”鍵彈起，開放控制輸出，以保證流程的正常執(zhí)行。

4 試驗項目和方法

4.1 正常開停機流程試驗

（1）監(jiān)控系統(tǒng)自動開停機流程如圖1 所示，模擬開停機試驗時開機流程只執(zhí)行“停機至空轉(zhuǎn)”部分流程，停機流程中只執(zhí)行“空轉(zhuǎn)至停機”部分流程。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)自動開停機流程

（2）正常開停機試驗方法：

1）將計算機監(jiān)控系統(tǒng)下位機控制把手切至現(xiàn)地，在觸摸屏上執(zhí)行“空轉(zhuǎn)”操作，檢查流程是否被正確調(diào)用，檢查技術(shù)供水、油壓裝置、水導外循環(huán)泵、機械制動、接力器鎖錠、調(diào)速器系統(tǒng)等信號動作是否正確，待機組導葉開啟后，用頻率信號發(fā)生器模擬機組轉(zhuǎn)速至額定值，將機組“開”至空轉(zhuǎn)態(tài)。然后現(xiàn)場檢查各系統(tǒng)是否運行正常，相關(guān)信號是否上送正常，水、油系統(tǒng)是否有跑冒滴漏等異?，F(xiàn)象。

2）確認各系統(tǒng)運行正常后，在觸摸屏上執(zhí)行“停機”操作，檢查流程是否被正確調(diào)用，當導葉全關(guān)后，模擬機組轉(zhuǎn)速緩慢降至零，檢查各系統(tǒng)運行情況。

3）機組到停機態(tài)后，將計算機監(jiān)控系統(tǒng)下位機控制把手切至遠方，在上位機依次執(zhí)行“空轉(zhuǎn)”、“停機”操作，檢查對應(yīng)流程執(zhí)行是否正常。

4.2 事故停機流程試驗

事故停機流程是計算機監(jiān)控系統(tǒng)下位機PLC中的自啟動流程，當PLC 檢測到有事故停機信號動作時，相應(yīng)事故停機流程會自動啟動，及時將機組停機，避免事故的擴大。事故停機流程有3 類，分別是電氣事故停機流程、機械事故停機流程和緊急事故停機流程，每類事故停機流程的啟動源不同，流程動作的結(jié)果也不同。通過模擬機組各事故停機信號，檢查相應(yīng)事故停機流程自啟動功能是否完備，以及流程是否執(zhí)行正確。

（1）各事故停機流程區(qū)別

1）電氣事故停機流程是指發(fā)生電氣事故時啟動的事故停機流程，流程動作結(jié)果是跳發(fā)電機出口開關(guān)、跳滅磁開關(guān)，投停機電磁閥，發(fā)調(diào)速器停機令，發(fā)勵磁停機令，然后執(zhí)行相關(guān)停機流程[2]。

2）機械事故停機流程是指發(fā)生機械事故時啟動的事故停機流程，流程動作結(jié)果是先投停機電磁閥、發(fā)調(diào)速器停機令進行減負荷，待負荷降至跳閘范圍內(nèi)或到限定時間時，跳發(fā)電機出口開關(guān)、跳滅磁開關(guān)、發(fā)勵磁停機令，然后再執(zhí)行相關(guān)停機流程[2]。

3）緊急事故停機流程是指發(fā)生緊急事故時啟動的事故停機流程，流程動作結(jié)果比電氣事故停機流程多兩步：關(guān)機組進水口快速閘門、發(fā)水機事故令至發(fā)電機保護裝置。

以上3 種事故停機流程中，緊急事故停機流程優(yōu)先級最高，機械事故停機流程優(yōu)先級最低，也就是執(zhí)行機械事故停機流程時，如果發(fā)生電氣事故，會終止機械事故停機流程，然后啟動電氣事故停機流程；如果發(fā)生緊急事故，會終止電氣事故停機流程和機械事故停機流程，然后啟動緊急事故停機流程。

（2）各事故停機啟動源

表1～表3 分別列出了各事故停機流程啟動源，其中表2 中“發(fā)電機保護電氣事故停機令”主要是發(fā)電機差動保護、定子接地3U0 保護、低壓記憶過流保護、定子匝間保護、勵磁變速斷保護、勵磁變過流保護等動作后影響機組安全穩(wěn)定運行的事故。

表1 機械事故停機啟動源

表2 電氣事故停機啟動源

表3 緊急事故停機啟動源

（3）事故停機流程試驗方法

電氣事故停機流程試驗時，在發(fā)電機保護裝置投上停機出口連片后，進行相關(guān)保護傳動即可。

機械事故停機流程及緊急事故停機流程試驗時，能實際動作設(shè)備的動作設(shè)備、不能動作設(shè)備的在信號源頭模擬。其中，按鈕信號可通過直接按下按鈕試驗，油位信號可用磁鐵滑動磁翻板液位計上對應(yīng)磁性液位開關(guān)進行模擬，溫度信號用多功能信號校準儀輸出電阻進行模擬。

試驗時各事故停機流程僅需完整執(zhí)行一次，檢查其動作結(jié)果是否正確；而各事故停機啟動源必須逐一進行試驗，在流程啟動后檢查各啟動源所啟動的事故停機流程是否正確，然后便可將流程終止。

4.3 水機保護回路試驗

萬家寨水電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)下位機中配置了用于水力機械事故保護的簡化的獨立繼電器回路（水機保護回路），其電源、輸入信號均與下位機相獨立。在發(fā)生重要的水機事故或現(xiàn)地控制單元冗余系統(tǒng)全部故障或工作電源全部消失時，水機保護回路可實現(xiàn)機組的停機控制[3]。

表4 列出了水機保護回路的事故啟動源，當LCU 事故停機按鈕動作或中控室事故停機按鈕動作時，水機保護回路動作結(jié)果為跳發(fā)電機出口開關(guān)、跳滅磁開關(guān)、投停機電磁閥、發(fā)調(diào)速器停機令以及發(fā)勵磁停機令。當LCU 緊急停機按鈕動作、中控室緊急停機按鈕動作或者機械飛擺動作時，除上述動作結(jié)果外，水機保護回路還將關(guān)機組進水口快速閘門。

表4 水機保護回路事故啟動源

水機保護回路試驗時，需將監(jiān)控系統(tǒng)下位機切至“調(diào)試態(tài)”，或?qū)⑾挛粰C交直流電源全部斷開、僅保留水機保護回路電源，檢查相關(guān)事故停機啟動源動作時，水機保護回路動作結(jié)果是否正確。

5 結(jié)語

為檢驗檢修后的監(jiān)控系統(tǒng)運行情況，需進行全面的模擬開停機試驗。通過試驗，檢驗并確認計算機監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)地及遠方指令下發(fā)正確，停機至空轉(zhuǎn)、空轉(zhuǎn)至停機流程執(zhí)行正確，機組水、油、機械制動、調(diào)速器等系統(tǒng)運行正常，各事故停機啟動源動作信號上送正確，相應(yīng)事故停機流程執(zhí)行正確，水機保護回路動作正確。準確、充分的模擬開停機試驗，可確保計算機監(jiān)控系統(tǒng)安全可靠投運，也為檢修后機組啟動試驗的順利開展做好準備。