李剛 王浩 常東亮 姜沛東

摘要：本文分析了抽水蓄能電站單導(dǎo)葉非同步故障模式，詳細(xì)分析了單導(dǎo)葉非同步故障的影響，驗(yàn)證了單導(dǎo)葉非同步故障模式在短時(shí)運(yùn)行的可行性，為進(jìn)一步提高抽水蓄能電站保障電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行提供了新的思路。

關(guān)鍵詞：抽水蓄能電站;單導(dǎo)葉;非同步故障模式

某抽水蓄能電站總裝機(jī)容量120萬(wàn)千瓦，是一座日調(diào)節(jié)抽水蓄能電站本機(jī)組，電站位于省電網(wǎng)負(fù)荷中心，承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相以及事故備用等任務(wù)。電站在國(guó)家電網(wǎng)1000千伏特高壓交流示范擴(kuò)建工程大負(fù)荷試驗(yàn)、小浪底調(diào)水調(diào)沙、重大保電任務(wù)及河南電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行中發(fā)揮著重要作用。電站導(dǎo)葉采用20個(gè)單導(dǎo)葉接力器，當(dāng)單個(gè)導(dǎo)葉非同步時(shí)，設(shè)置為偏置3%報(bào)警，偏置5%停機(jī)，由于導(dǎo)葉數(shù)量多，故障率相應(yīng)提高，為機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行提出了挑戰(zhàn)，不利于發(fā)揮抽水蓄能電站調(diào)峰填谷、事故備用等任務(wù)的執(zhí)行。因此分析單導(dǎo)葉非同步故障模式，通過(guò)驗(yàn)證機(jī)組在單導(dǎo)葉非同步故障運(yùn)行時(shí)，是否具備為電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行爭(zhēng)取更多處理時(shí)間的可能。

一、單導(dǎo)葉調(diào)速器的控制結(jié)構(gòu)

根據(jù)某抽水蓄能電站機(jī)組，單導(dǎo)葉調(diào)速器控制系統(tǒng)主要2個(gè)控制器（UPC）和20個(gè)導(dǎo)葉控制卡件（SPC）以及液壓隨動(dòng)系統(tǒng)?？刂破靼║PC（N）和UPC（S），遠(yuǎn)程終端單元向UPC（N）和UPC（S）傳送負(fù)荷控制信號(hào)，二者轉(zhuǎn)化負(fù)荷信號(hào)為開(kāi)度信號(hào)，再向SPC傳遞信號(hào)，SPC不僅負(fù)責(zé)接受導(dǎo)葉的開(kāi)度信號(hào)，同時(shí)還負(fù)責(zé)接受導(dǎo)葉位置信號(hào)。如果某一個(gè)導(dǎo)葉開(kāi)度值超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)范圍，SPC即可上送報(bào)警信號(hào)給UPC，促使機(jī)組跳閘。

SPC同時(shí)作為電流放大卡件，利用控制算法計(jì)算之后控制伺服線(xiàn)圈電流，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)伺服閥工作運(yùn)行。SPC控制工作時(shí)發(fā)出周期性的方波，在避免閥芯卡澀同時(shí)保證了伺服閥的響應(yīng)靈敏。

在伺服線(xiàn)圈電磁力與閥芯對(duì)側(cè)彈簧的共同作用力下，促使伺服閥芯改變供油口和排油口的通路，因此改變導(dǎo)葉接力器的開(kāi)啟腔和關(guān)閉腔的壓力。如果開(kāi)啟腔壓力比較大，將會(huì)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)葉接力器開(kāi)啟導(dǎo)葉，如果關(guān)閉腔壓力比較大，導(dǎo)葉接力器可以驅(qū)動(dòng)關(guān)閉導(dǎo)葉。導(dǎo)葉開(kāi)度的變化，改變了轉(zhuǎn)輪的進(jìn)（出）水量，因此控制機(jī)組運(yùn)行功率。在導(dǎo)葉接力器的頂部直接連接導(dǎo)葉位置傳感器，可以將導(dǎo)葉開(kāi)度值轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)模擬量電流信號(hào)反饋至SPC。

二、單導(dǎo)葉非同步故障模式運(yùn)行試驗(yàn)

結(jié)合該電站單導(dǎo)葉調(diào)速器控制結(jié)構(gòu)，任何原因引起的SPC故障都會(huì)引發(fā)單導(dǎo)葉關(guān)閉或全開(kāi)，導(dǎo)致非同步故障，由于20個(gè)導(dǎo)葉共配置20個(gè)SPC，故大大增加了SPC故障引起的跳機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，因此需要系統(tǒng)性的分析單導(dǎo)葉非同步故障模式運(yùn)行時(shí)對(duì)機(jī)組的影響。因此提出進(jìn)行單導(dǎo)葉非同步故障模擬試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證機(jī)組在單導(dǎo)葉非同步故障運(yùn)行時(shí)，是否具備為電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行爭(zhēng)取更多處理時(shí)間的可能。

（一）試驗(yàn)方案

試驗(yàn)?zāi)康氖窃趩蝹€(gè)導(dǎo)葉故障模式下，保持機(jī)組運(yùn)行5分鐘，即機(jī)組在一個(gè)導(dǎo)葉關(guān)閉或全開(kāi)，而其它導(dǎo)葉正常開(kāi)啟的時(shí)候（單導(dǎo)葉非同步），機(jī)組運(yùn)行一段時(shí)間。從而給開(kāi)啟另一臺(tái)機(jī)組足夠的時(shí)間，以防止意外停機(jī)。

所有試驗(yàn)都在熱穩(wěn)定后進(jìn)行。首先記錄機(jī)組正常工況動(dòng)態(tài)特性，以此與故障模式對(duì)比。水輪機(jī)工況對(duì)于每個(gè)出力，首先記錄機(jī)組在正常運(yùn)行下的動(dòng)態(tài)性能數(shù)據(jù)，然后改變2號(hào)導(dǎo)葉的開(kāi)度偏置±5%和全開(kāi)、全關(guān)，記錄機(jī)組在2號(hào)導(dǎo)葉偏置±5%和全開(kāi)、全關(guān)情況下的動(dòng)態(tài)性能數(shù)據(jù)。抽水工況也分別在高水頭與低水頭進(jìn)行正常模式和故障模式試驗(yàn)，記錄動(dòng)態(tài)性能數(shù)據(jù)。

（二）傳感器安裝

水力測(cè)量傳感器：所有7個(gè)壓力傳感器，型號(hào)PTX5072-TC-A1-CA-H0-PA，測(cè)量范圍10MPa，在安裝前已標(biāo)定。使用1個(gè)差壓傳感器測(cè)量差壓流量。（上、下游壓力傳感器，蝸殼壓力傳感器，尾水壓力傳感器，2個(gè)無(wú)葉區(qū)和1個(gè)上冠壓力傳感器，1個(gè)差壓傳感器）。

加速度計(jì)和距離傳感器及應(yīng)變片：2個(gè)非接觸式傳感器TELEMECANIQUE XS4，測(cè)量水導(dǎo)擺度，并在試驗(yàn)前用進(jìn)行了標(biāo)定。7個(gè)PCB加速度計(jì)測(cè)量振動(dòng)，并在試驗(yàn)前標(biāo)定。測(cè)量點(diǎn)包括：水導(dǎo)擺度，水導(dǎo)徑向振動(dòng)，1、2、3號(hào)導(dǎo)葉徑向振動(dòng)，頂蓋垂直振動(dòng)。在1、2、3號(hào)導(dǎo)葉安裝全橋應(yīng)變片，并在每次試驗(yàn)前調(diào)零。應(yīng)變片安裝在接力器和導(dǎo)葉耳軸連接臂處。

導(dǎo)葉壓力和速度傳感器：型號(hào)PTX5072-TC-A1-CA-H0-PA的壓力傳感器，測(cè)量范圍10MPa，安裝前已標(biāo)定，安裝在2、3號(hào)導(dǎo)葉開(kāi)關(guān)腔。使用TELEMECANIQUE XS4速度傳感器通過(guò)鍵向塊測(cè)量轉(zhuǎn)速。

記錄儀使用一臺(tái)OROS，以及相應(yīng)軟件NVGate8.30，正常模式采樣2分鐘，故障模式采樣5分鐘。分析使用DYNAMX 10.1.1。壓力以及差壓傳感器使用DRUCK DPI 620標(biāo)定，擺度使用塞尺標(biāo)定，加速度計(jì)使用PCB 394C06標(biāo)定，導(dǎo)葉扭矩在試驗(yàn)中進(jìn)行標(biāo)定。

三、單導(dǎo)葉非同步故障模式運(yùn)行試驗(yàn)結(jié)果分析

動(dòng)態(tài)測(cè)量分為，正常工況測(cè)量和故障工況測(cè)量。

擺度在兩種工況下的峰峰值基本沒(méi)有變化;

振動(dòng)速度信號(hào)取振動(dòng)速度有效值，兩種工況下對(duì)振動(dòng)的影響不大;

兩種工況下的壓力脈動(dòng)變化值很小;

非同步導(dǎo)葉，偏置模式下的扭矩波動(dòng)大于正常模式下的扭矩波動(dòng)。 但兩工況下的峰峰值為相同的數(shù)量級(jí)。

基于以上結(jié)論，機(jī)組故障模式（單導(dǎo)葉非同步）在限定時(shí)間內(nèi)可以運(yùn)行（假設(shè)此事件每次缺陷發(fā)生的時(shí)間少于5分鐘）故驗(yàn)證故障工況運(yùn)行5分鐘的動(dòng)態(tài)特性在可接受范圍之內(nèi)，短期操作可行。

結(jié)束語(yǔ)：

單導(dǎo)葉非同步故障關(guān)系到抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，進(jìn)而影響到所屬電網(wǎng)的穩(wěn)定性與安全性，因此進(jìn)行單導(dǎo)葉非同步故障模式運(yùn)行試驗(yàn)并進(jìn)行結(jié)果分析，不僅對(duì)單導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)調(diào)速器，而且對(duì)控制環(huán)導(dǎo)葉控制器都具有借鑒意義。為電網(wǎng)調(diào)度值班員在機(jī)組故障模式下的負(fù)荷轉(zhuǎn)移和應(yīng)急處理提供了寶貴時(shí)間。