浅析导水机构安装间隙过大对一次调频的影响

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(1.四川二滩国际工程咨询有限责任公司，成都，610072；2.四川小金川水电开发有限公司，四川 小金，624200；3.中国水利水电第九工程局有限公司，贵阳，550081；4.贵州新中水工程有限公司，贵阳，550000；)

1 机组一次调频的意义

机组一次调频是指当电网频率超出规定的正常范围后，电网频率的变化将使参与一次调频的各机组的调速系统根据电网频率的变化自动增加或减小机组功率，从而达到平衡状态，并且将电网频率的变化限制在一定范围内的功能，所以，一次调频功能是维护电网稳定的重要功能和手段。

一般情况下，系统调度机构要求投运机组的一次调频功能长期投入，未经调度批准，运行人员不得擅自退出该功能，而一次调频是否需要动作则是根据电网的系统频率与额定频率差值幅度决定的。春堂坝机组并网运行时调速系统工作模式为开度调节模式，有功闭环在监控系统侧，调速器实际收到的是监控系统发出的开度增减令(脉冲控制)，而当一次调频动作后调速系统工作模式会自动切换为频率调节模式，负荷的变化实际是根据系统频率与额定频率之差通过相应的传递函数计算得出的(华中电网水电机组一次调频的负荷变化限制幅度为额定负荷的±10%)，同时监控系统有功闭环调节不参与有功的控制，保证一次调频动作的最优先级。

2 设备概述

春堂坝水电站位于四川省小金县境内的沃日河上，为引水式电站，电站为沃日河干流日尔—春堂坝段梯级规划开发的第四级，电站采用引水式开发，水库正常蓄水位2449.80m，相应总库容为85.4万m3；调节库容25.6万m3，具有日调节性能，电站安装3台立式混流机组，单机容量18MW，总装机容量54MW。机组选用乐山东风电机厂水轮发电机(水轮机型号：HLD307-LJ-150)，调速器选用武汉长控高油压微机调速器(型号：GVT-7600-16)，调速器并网时采用开度模式，受南自监控系统有功闭环控制，而当一次调频动作时会自动闭锁南自监控系统有功闭环，同时调速器控制PID自动由并网PID变为一次调频PID，其开度反馈信号是由安装在接力器上的磁致伸缩式位移传感器反馈，功率反馈信号是由安装在调速器电柜内的功率变送器反馈的机组出口功率，水轮机导叶传动机构采用调速器动作经接力器动作控制环，由联系控制环与导叶的双头连杆带动导叶动作。

3 机组一次调频过程

调速器试验由四川中鼎科技有限公司进行，试验设备采用“TG2000系列水轮机调速器测试系统”。在进行机组一次调频试验前，进行了调速器静态特性、空载摆动、空载扰动等相关试验，试验结果为：调速系统转速死区ix为0.03%，空载摆动频率波动范围在±0.08Hz以内，空载扰动波形到位迅速、稳定。

根据调速器带负荷前的相关试验，机组进行一次调频设置PID参数为：KP=5、Ki=8、Kd=0，bp=4%，开度限幅6%，人工死区±0.035Hz(华中电网水电机组一次调频人工死区控制在±0.05Hz范围内)，进行模拟频率扰动时(如图1所示)，在50Hz频率(红线)基础上增加0.1Hz后，开度信号(蓝线)与功率信号(绿线)相应降低，当撤去扰动信号，频率重新回到50Hz后，开度信号基本返回原位置，但功率信号却没有返回原位置。

图1 机械死区存在示意

从机组负荷变化情况可看出，调速器能正确响应而机组负荷未能发生相应变化，说明机组调速系统包括接力器动作正常，而实际导叶开度未能发生相应变化，初步判定机组导水机构存在一定的机械死区。

4 原因分析

结合一次调频试验情况，试验人员、设备厂家、电厂人员组成检查组认真分析认为可能存在以下几点原因：①试验接线是否正确，采集数据是否真实；②机组出口PT/CT、系统PT一次/二次接线是否正确、牢固，是否有存在干扰；③各类传感器(如功率变送器、接力器位移传感器)等是否工作正常；④机组导叶开度是否在接力器动作后真实响应。

针对以上分析原因，检查组首先对试验设备、试验接线、测量回路、各类传感器等进行了仔细的检查核对，均未发现问题。故初步判定导叶存在开度死区。

为确认该疑问，检查组在两只接力器臂末端设置两只百分表，在水车室分四个方向选取4只对称导叶，分别在导叶轴颈处设置四只百分表，操作调速器开/关导叶相同开度，对导叶实际响应进行核对检查。通过试验确认，接力器存在一定死区，而导叶存在较大死区。

死区存在的原因，主要是加工件的制造精度不足，导致导水机构各部连接处存在较大空腔间隙，为确认导水机构实际安装间隙，由主机厂家派专人对导水机构进行了拆卸复测，重点测量了接力器底座与接力器联接销孔配合间隙、接力器杆与控制环联接销孔配合间隙、双头连杆分别与导叶及控制环联接销孔配合间隙，导叶拐臂与导叶轴颈定位精度与强度。经复测确认接力器底座与接力器联接销孔配合间隙为左0.09mm、右0.11mm(设计为：φ65H8/e7)；接力器杆与控制环联接销孔配合间隙为左0.05mm、右0.04mm(设计为：φ65H8/e7)；20只双头联杆分别与控制环及导叶联接销孔配合间隙均在0.05mm～0.09mm之间(设计两端配合均为：φ30H7/m6)；导叶拐臂与导叶轴颈定位精度较好，导叶键打紧满足要求。由于整个导水机构传动零部件加工配合精度存在缺陷导致实际安装间隙大大超过了设计间隙，使整个导水系统形成了固有的机械传动死区。

5 处理结果

由主机厂家将导水机构不合格零部件返厂严格按设计要求重新制造，运抵现场严格按标准要求重新安装。再次做一次调频试验时，机械死区有明显好转，已达到一次调频合格的要求，如图2所示，频率(红线)下扰动0.1Hz，持续一段时间后回到50Hz，开度与功率都能正确响应，并且回到初始值。

图2 一次调频试验结果

6 结论

从春堂坝水电站一次调频相关试验结果出现问题可看出，即使调速器功能正常，但由于导水机构各连接处制造精度或安装精度达不到设计及规范要求，而在安装过程中也未及时发现问题并进行反馈及提出处理，必将导致导水机构在执行调速器动作时存在较大的机械死区，造成调速器固有死区与导水机构死区叠加，导叶实际动作不到位、功率也增减不到位的情况发生，致使机组一次调频达不到电网安全运行要求。此类问题的预防措施主要包括：①机组各类传感器采购到位后应进行精度测试确保采集数据真实可靠；②设备接线应严格按各类规程、规范要求防止信号干扰；③试验设备应定期检测，试验接线应正确牢固，防止信号干扰；④加强机组部件制造精度检查，充分发挥驻厂监造人员的职能，严禁不合格品出厂；⑤设备部件到货后应严格按规范进行到货验收，做到早发现早处理；⑥安装过程中应严格“三检”制，不能对设备制造缺陷采取欺瞒不负责任的态度，设备及安装质量问题不管大小，均应报各方协调解决完善；⑦加强设备驻厂监造、到货验收及安装验收过程中的管控。

水电站机电设备安装调试过程除了体现安装水平外，也是检验设备制造质量及水工建筑物质量的过程，该问题虽然主要是设备制造原因，但有经验的安装单位和个人都应该能够检查到，完全可以消除在安装阶段，安装单位切不能因为进度或某些原因而忽视设备本身存在的制造缺陷，给电厂运行带来困扰和安全隐患。