轴流转桨式水轮机协联关系破坏原因浅析

李建清，栗建峰，陈玉林，敬海波

(国电大渡河公司龚嘴水力发电总厂，四川乐山 614900)

1 引言

对水电厂而言，根据水头及流量情况普遍采用混流式机组，轴流转桨式水轮机因控制过程相对较复杂而采用较少。随着电力系统的扩大和自动化程度的提高，特别是四川电网与华中电网联网后，对调速器的控制和调节提出了更高的要求。龚嘴水力发电总厂管辖的龚嘴和铜街子两座水电站的水轮机调速器改造后均采用PLC控制，龚站水轮机采用混流式机组，运行情况稳定;但铜街子水电站采用的是轴流转桨式机组，在调速器改造投运初期经常出现协联关系破坏现象，导致机组蜗壳内水流紊乱，引起顶盖真空破坏阀动作，顶盖水位快速上涨，机组振动和摆度加剧，轴瓦温度升高，发电机定子定位螺栓松动，机架弹性支撑剪断。

2 改造后调速器协联控制逻辑存在的问题及分析

2.1 协联关系设定为“桨叶开度给定值跟踪导叶开度给定值”不合理

轴流转桨式水轮机组的桨叶动作速度较导叶慢，为了提高桨叶的动作速度，调速器协联关系设定为桨叶开度给定值跟踪导叶开度给定值，未跟踪导叶实际开度值。在调速器投运初期，铜街子水电站一台机组有功负荷在由20 MW调整到80 MW过程中发生协联破坏，有功负荷快速飙升，导致过负荷保护动作。当时调速器工控机录波图形见图1。

图1 调速器工控机录波图

调速器协联关系设定为导叶开度给定值大于28%后桨叶开度从零开启。录波图显示，在本次负荷调节过程中，35 s左右桨叶向开启方向移动，说明导叶开度给定值在此之前已经发生变化;从35 s开始到80 s时间内，导叶开度开启速度相当缓慢。由于桨叶开度给定值跟踪导叶开度给定值，同时机组现地控制单元LCU与调速器之间共同构成功率闭环调节，当机组功率增加较缓慢时，LCU的增负荷脉冲不断发送给调速器，使调速器导叶和桨叶开度给定值非常大，桨叶实际全开，导致桨叶与导叶实际开度之间的协联关系完全破坏，70～115 s之间机组发生调相运行工况。120 s后，由于导叶开度快速增加，桨叶、导叶之间的协联恢复，有功负荷快速飚升，造成过负荷保护动作，机组甩负荷。事后查明，导叶开启速度初期较慢、后期较快的原因系分段关闭装置节流点调整值漂移所致。

此次甩负荷暴露出调速器协联关系设定中未考虑到因液压系统等原因使导叶动作速度比桨叶慢这种异常情况，仅设定桨叶开度给定值跟踪导叶开度给定值，从而导致水轮机协联关系严重破坏，机组甩负荷。

2.2 调速器对导叶开度测控采取“取大优先”不合理

改造后的调速器采用两套独立PLC装置主备配置，导叶和桨叶分别采用A、B两套独立的开度传感器进行测量。正常情况下，主用PLC装置采用“取大优先”原则读取导叶开度信号进行控制，即主用PLC装置不仅读取对应的导叶开度传感器信号，还采用通讯方式读取备用PLC装置的导叶开度传感器信号，并将两套导叶开度传感器信号进行比较，取测值较大的信号作为运算控制量，其目的是保证机组不过速、不过负荷。

调速器改造后不久，铜街子水电站一台机组在减负荷过程中发生1只导叶开度传感器卡阻故障，但传感器的输出电流仍在4～20 mA之间，调速器不能正确判断仍按“取大优先”进行控制，从而使导叶开度快速关闭，协联关系严重破坏，导致机组蜗壳内水流紊乱，引起顶盖真空破坏阀动作，顶盖水位快速上涨，机组振动和摆度加剧，轴瓦温度升高，发电机定子定位螺栓松动，机架弹性支撑剪断。

调速器对导叶开度测控采取“取大优先”，在减负荷导叶关闭过程中，调速器计算出导叶给定值同时发出关导叶命令，若主用导叶传感器发生卡阻，导叶实际会全关到零开度;而协联关系中无论桨叶开度跟踪导叶的开度给定值还是开度实际值，都会出现桨叶实际开度与导叶实际开度不协联而发生协联关系破坏。

2.3 负载状态下，桨叶给定值与桨叶实际开度值偏差ΔY＞15%时桨叶切机手动不合理

调速器协联关系设定为桨叶开度给定值跟踪导叶开度给定值而未跟踪导叶实际开度值，经实际运行发现，在幅度较大的负荷调整过程中，由于桨叶动作速度较导叶慢，经常出现桨叶给定值与桨叶实际开度值偏差ΔY＞15%、桨叶切机手动控制现象，导致协联关系破坏。

3 防止协联关系破坏采取的改进措施

针对铜街子水电站调速器改造后在协联关系方面出现的问题，根据运行经验，采取了以下改进措施。

3.1 调速器PLC程序中对协联关系设定进行改进

当导叶给定值与导叶实际开度值偏差ΔY＞3%，协联关系跟踪导叶行程实际值;当 ΔY＜3%，协联关系跟踪导叶给定值。这样改进既可以满足提高调节速度的要求，又可以解决导叶给定值与导叶实际开度值出现偏差时发生协联关系破坏的问题。

3.2 调速器PLC程序中对桨叶切机手动逻辑进行改进

(1)负载状态下，当桨叶给定值与桨叶实际开度值偏差ΔY＞5%，闭锁导叶开启方向输出;当ΔY＞15%，桨叶不切机手动，仅发出“协联关系破坏”告警信号，上送机组LCU;

(2)增加桨叶的双套冗余功能:当两套桨叶开度反馈偏差大于3%时，延时0.5 s报警，桨叶切机手动运行。

3.3 增加第三只即C套导叶传感器，导叶采用“3取2”测控模式，以提高调速器对导叶传感器故障的判断能力

调速器PLC程序修改如下:

(1)告警信号修改:

A、B套导叶传感器断线均报“导叶反馈故障，行程超差”信号，C套导叶传感器断线报“水头反馈故障，行程超差”信号(注:C套导叶传感器信号经未使用的水头测量硬件通道);A、B、C套导叶传感器卡阻报“行程超差”信号;

(2)导叶开度测量逻辑改进:

①正常情况时，采用A、B套传感器采样值中接近C套的传感器采样值作为导叶开度;

②A套或A、C套传感器断线及A套传感器卡阻时，采用B套传感器采样值作为导叶开度;

③B套或B、C套传感器断线及B套传感器卡阻时，采用A套传感器采样值作为导叶开度;

④C套传感器断线，采用A、B套传感器采样值中较大的采样值作为导叶开度;

⑤其它情况的传感器卡阻，均采用A、B套传感器采样值中接近C套的传感器采样值作为导叶开度。

(3)导叶开度控制逻辑改进:

①单套(A或B或C)导叶传感器断线或卡阻时，导叶能开能关，不影响运行;

②A、C或B、C同时断线或卡阻时，导叶只关不开;

③A、B同时卡阻时，导叶只关不开;

④A、B传感器同时断线，导叶切机手动。

4 结语

铜街子水电站机组调速器采取改进措施后，机组运行稳定，未再发生协联关系破坏现象。由于轴流转桨式水轮发电机组协联关系控制复杂，虽然采取了一定的改进措施，但仍然无法完全避免两套导叶开度传感器同时断线或卡阻、桨叶开度传感器故障、液压系统故障等原因导致的协联关系破坏现象的发生。运行中还是应加强协联关系控制设备的检修维护，确保设备健康运行工况，才能更有效地防止协联关系破坏。