陳少挺

(福建省泉州市山美水庫管理處，福建 泉州 362000)

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山美水電站機組停機流程分析與改進

陳少挺

(福建省泉州市山美水庫管理處，福建 泉州 362000)

山美水電站建于晉江支流東溪上，距離泉州市40km，是一座以灌溉為主、結(jié)合防洪、供水、發(fā)電等用途的綜合性大型水利工程。文章闡述了電站機組停機的分類與啟動源，對山美水電站的基本情況進行介紹，重點對山美水電站機組停機流程進行了分析與改進，以期為電站的安全穩(wěn)定運行提供理論指導(dǎo)。

水電站；調(diào)速器；停機流程；故障分析；啟動源

1　電站機組停機的分類與啟動源

1.1事故停機的分類

根據(jù)電站機組停機原因的差別，可以將其分為以下3類：

1)緊急事故停機，該停機多出現(xiàn)在控制機組的重要設(shè)備出現(xiàn)重大事故的情況，如調(diào)速器、勵磁等設(shè)備出現(xiàn)故障，當出現(xiàn)緊急事故時，首先應(yīng)關(guān)閉進水口閘門，并投入緊急停機電磁閥以及事故配壓閥，然后再執(zhí)行停機流程。

2)電氣事故停機，該類停機多發(fā)生在發(fā)電機、主變壓器等電器的保護動作對機組運行產(chǎn)生影響的情況下，當出現(xiàn)電氣事故時，首先應(yīng)分出口斷路器以及滅磁開關(guān)，然后執(zhí)行調(diào)速器停機命令，投入緊急停機電磁閥以及事故配壓閥，最后執(zhí)行停機流程。

3)機械停機事故，該類停機多發(fā)生在發(fā)電機的軸瓦、振動、水位、油溫超出正常范圍并對機組產(chǎn)生影響的情況下，當出現(xiàn)機械事故時，首先應(yīng)降低負荷，當負荷降至一定范圍內(nèi)后，投入緊急停機電磁閥并執(zhí)行停機流程。

1.2事故停機常見啟動源

根據(jù)上述對電站停機原因的分類，可以得出電站事故停機的常見啟動源主要包括以下3類：

1)緊急事故停機啟動源：主要包括調(diào)速器交直流電源缺失、油壓裝置低油壓，機械液壓過速，停機過程中斷銷被剪斷，人工設(shè)置等。

2)電氣事故停機啟動源：主要包括發(fā)電機差動保護、橫差保護動作，主變重瓦斯保護動作、非電量電氣事故動作等，此類動作信號將由保護裝置傳輸至系統(tǒng)監(jiān)控中心。

3)機械事故停機啟動源：主要包括上導(dǎo)軸承、下導(dǎo)軸承以及推力軸承溫度過高，主軸密封水、冷卻水中斷，油槽油位過低，搖擺保護動作，人工設(shè)置等。電機事故停機源信號如果配有相關(guān)軟、硬件壓板，則必須在執(zhí)行停機流程前確定軟、硬件壓板在投入位置。

2　山美水電站機概況

山美水電站建于晉江支流東溪上，距離泉州市40km，是一座以灌溉為主、結(jié)合防洪、供水、發(fā)電等用途的綜合性大型水利工程。山美水電站有3臺發(fā)電機組，兩臺裝于地下廠房，1972年建成投產(chǎn)發(fā)電，2004年對地下廠房技改并擴容10%，擴容后單機額定功率為16.5MW；1996年擴容新增一座地面廠房，裝有一臺發(fā)電機組，額定功率33MW。3臺發(fā)電機組水輪機控制系統(tǒng)選用的都是由南瑞集團公司設(shè)計并生產(chǎn)的SAFR—2000H型微機調(diào)速系統(tǒng)，微機調(diào)節(jié)器部分采用了貝加萊公司的X20控制器，雙機熱冗余、智能切換，實現(xiàn)調(diào)節(jié)控制；實時診斷容錯(頻率容錯；行程容錯；水頭容錯；液壓容錯；電源容錯；功率容錯)及故障保護；智能調(diào)試、維護與診斷及計算機輔助分析功能

機械液壓部分則采用了BOSCH公司的比例伺服閥作為電液轉(zhuǎn)換單元，主配壓閥為南瑞自主研發(fā)的ZFL—80/D閥。電源模塊、控制模塊、傳感器、電液轉(zhuǎn)換等部分均采用了雙冗余配置，仲裁判斷均為第三方智能切換單元，軟件部分為南瑞公司專有的改進型并聯(lián)PID算法、雙微分算法等，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。

南瑞集團公司研發(fā)的SAFR-2000H系列水輪機調(diào)速器電氣調(diào)節(jié)裝置是基于可編程計算機控制器PCC與實時操作系統(tǒng)等先進技術(shù)的水輪機調(diào)節(jié)器，主要適用于混流式、軸流轉(zhuǎn)漿式、沖擊式、灌流式水輪發(fā)電機組，以及抽水蓄能機組，主要作用是對發(fā)電機組轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、有功功率調(diào)節(jié)的運行控制。SAFR-2000H系列水輪機調(diào)速器專門配置有大屏真彩液晶顯示器，以方便設(shè)備控制人員進行運行監(jiān)視以及調(diào)速器操作，該調(diào)速器還可以根據(jù)不同用戶的具體需求，針對設(shè)備具體型號配置不同的硬件及軟件，系統(tǒng)自身具有一定的兼容性[1]。

SAFR-2000H系列水輪機調(diào)速器的主要特點包括：接口電路集成化；分布式隔離電源；硬件熱冗余與軟件容錯；先進的表貼工藝，電磁兼容性好、可靠度高；可操作性強；維護性好；可擴展性強；故障定位專家系統(tǒng)、超前預(yù)警系統(tǒng)，能及時預(yù)警排查故障。

3　山美水電站機組停機流程分析

3.1事故經(jīng)過

2014年6月22日110kV山井線零序二段保護動作，3臺機組高頻保護動作；具體動作情況是：#1機出口斷路器跳閘，機組過速155%，關(guān)主閥事故停機；#2機出口斷路器跳閘，轉(zhuǎn)速115%、機組主配拒動，關(guān)主閥，事故停機；#3機出口斷路器跳閘，機組進入空載狀態(tài)。#3機于1996年投產(chǎn)，未設(shè)置導(dǎo)葉分段關(guān)閉。由于機組甩負荷時轉(zhuǎn)速迅速升高，若調(diào)速器不能及時關(guān)閉導(dǎo)葉，發(fā)電機轉(zhuǎn)速持續(xù)上升，會在轉(zhuǎn)輪室內(nèi)產(chǎn)生較高真空，嚴重時會引起機組部件損壞。但如果導(dǎo)葉過快關(guān)閉會引起上游壓力鋼管壓力增大、嚴重時會引起機組抬機及壓力鋼管損壞。為了防止擴容后機組甩負荷后破壞導(dǎo)水部件及抬機現(xiàn)象，我站2004年對地下廠房機組技改安裝了導(dǎo)葉分段關(guān)閉裝置和過速保護，在發(fā)生事故甩負荷時導(dǎo)葉第一階段快關(guān)，第二階段慢關(guān)，降低水壓及轉(zhuǎn)速上升速率；若導(dǎo)葉關(guān)閉較慢，機組轉(zhuǎn)速持續(xù)上升達到155%或轉(zhuǎn)速達到115%時調(diào)速器主配壓閥沒動作，發(fā)電機監(jiān)控系統(tǒng)LCU判斷調(diào)速器異常，自動發(fā)出關(guān)閉主閥命令[2]。正常甩負荷時,調(diào)速器反應(yīng)足夠靈敏時，機組會轉(zhuǎn)入空載狀態(tài)而不會停機。但在本次過程中，除#3機組動作正確，#1、#2機均出現(xiàn)機組過速并關(guān)閉主閥的問題。

3.2故障分析

根據(jù)上述現(xiàn)象認真分析，發(fā)現(xiàn)#1機組轉(zhuǎn)速到115%是雖然沒發(fā)生主配拒動，但轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升觸動“155%事故停機信號”關(guān)閉主閥；#2機雖然沒到155%，但機組轉(zhuǎn)速到115%時“調(diào)速器主配拒動”，也觸發(fā)關(guān)閉主閥命令。經(jīng)排查發(fā)現(xiàn)#1、#2機組的導(dǎo)葉分段關(guān)閉裝置可能損壞，#2機主配壓閥行程開關(guān)的接點位置偏移致使“調(diào)速器主配拒動”信號誤動，導(dǎo)致調(diào)速器在機組轉(zhuǎn)速達到115%未能及時投入主配壓閥關(guān)閉導(dǎo)葉，電氣事故停機。調(diào)整#2機調(diào)速器主配行程開關(guān)至正確位置后，對#1、#2機進行試驗，以驗證分段關(guān)閉閥是否正確動作：

1)空載擾動動態(tài)特性試驗：機組開機至空載(轉(zhuǎn)速50HZ)，調(diào)速器設(shè)置于自動調(diào)節(jié)狀態(tài)，啟動調(diào)速器工控機調(diào)試軟件，選擇動態(tài)試驗界面，然后再選擇空載擾動試驗，在調(diào)節(jié)器內(nèi)給定擾動量：上擾最高頻率52Hz、下擾最低頻率48Hz。發(fā)出擾動試驗命令，調(diào)速器開始擾動，調(diào)試軟件自動記錄頻率擾動發(fā)生后的機組轉(zhuǎn)速信號，測得調(diào)速器的控制參數(shù)為Kp=2.5，Ki=0.25，Kd=1，與整定值相符,動態(tài)特性曲線正常，優(yōu)于國標要求和有關(guān)規(guī)定[3]。

2)甩負荷試驗：將機組轉(zhuǎn)入發(fā)電運行狀態(tài)，帶滿16.5WM額定負荷，斷開發(fā)電機出口斷路器進行甩負荷試驗，斷開發(fā)電機出口斷路器后大約5s時機組轉(zhuǎn)速達到155%額定轉(zhuǎn)速，觸發(fā)機組機械過速信號，引起機組事故停機信號動作，機組事故停機聯(lián)動關(guān)閉主閥[4]。

圖1　甩100%負荷時導(dǎo)葉分段曲線圖

圖2　事故甩負荷后導(dǎo)葉關(guān)閉曲線圖

轉(zhuǎn)速升高的程度與機組當時導(dǎo)葉開度的大小與關(guān)閉速率有關(guān)。根據(jù)獲取的甩負荷時導(dǎo)葉關(guān)閉曲線圖，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉關(guān)閉曲線100%～14%的斜率基本一致，第1段：100%～50%，10S，第2段：50%～14%，13S，第3段：13%～0%，12S，導(dǎo)葉全關(guān)時間為35S。查找投產(chǎn)試驗時試驗數(shù)據(jù)，當時甩100%負荷時導(dǎo)葉全關(guān)時間28S,對比發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉關(guān)閉過程明顯偏慢。

4　山美水電站機組停機流程改進

檢查導(dǎo)葉分段關(guān)閉裝置，發(fā)現(xiàn)該分段關(guān)閉電磁閥已經(jīng)卡死，快速關(guān)閉閥主油路被切斷，使得液壓油經(jīng)過慢關(guān)油路到導(dǎo)葉接力器，導(dǎo)致接力器關(guān)閉速度過慢，未及時抑制轉(zhuǎn)速上升，致使機組過速。

針對該問題，分別從硬件和軟件兩方面對停機流程進行了改進處理。硬件方面：1996年擴建地面廠房時，為削減3臺機同時甩負荷時產(chǎn)生的壓力，我站在進水壓力鋼管上游修建一座阻抗式調(diào)壓井。經(jīng)過技術(shù)部門核算調(diào)壓井現(xiàn)有容積足夠抵消3臺機同時甩滿載負荷時產(chǎn)生的壓力，符合安全運行的要求，決定拆除分段關(guān)閉裝置；軟件方面：刪除機組PLC程序中分段關(guān)閉程序，優(yōu)化停機流程，縮短停機時間。甩負荷時機組調(diào)速器反應(yīng)靈敏，機組轉(zhuǎn)速得到有效抑制，已不會再出現(xiàn)事故停機過速的問題。

5　結(jié)　語

本文主要對此次機組轉(zhuǎn)速上升，過速保護誤動作現(xiàn)象進行查找分析，調(diào)整主配壓閥行程開關(guān)位置，發(fā)現(xiàn)分段關(guān)閉裝置動作不可靠。為解決機組停機流程中存在的問題，對導(dǎo)葉分段關(guān)閉裝置進行了拆除；刪除機組PLC中導(dǎo)葉分段關(guān)閉相關(guān)的程序段，徹底解決了#1、#2機在事故停機過程中調(diào)速裝置未能及時動作引起的事故停機問題。

[1]王劍華.淺析某電廠#2機組停機過程中不能完全執(zhí)行停機流程的原因[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013(05)：77-79.

[2]周克力.某電廠停機流程優(yōu)缺點分析[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2013(35)：55-58.

[3]程遠楚，張江濱.水輪機自動調(diào)節(jié)[M].北京：中國水利水電出版社.2010：2.

[4]李文金.水電廠機組事故停機流程設(shè)計[J].云南電力技術(shù),2015(12)：32-36.

1007-7596(2016)07-0077-02

2016-05-28

陳少挺(1977-)，男，福建南安人，工程師，從事水電站繼電保護及自動化工作。

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