抽水蓄能电站调速器系统重点问题分析

陈 新，陈启宏，梁 力

(江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司，江苏溧阳 213334)

0 引言

溧阳抽水蓄能电站装有6台单机容量为250 MW的混流可逆式水泵水轮机-发电电动机机组。溧阳抽水蓄能电站调速器系统目前存在的典型问题主要有两个。第一，导叶位移传感器的滑环拉杆部分，与接力器活塞杆上的固定支架孔高度不一致。连接杆较短，导致传感器滑环接头在机组运行产生震动时受力，存在接头断裂的风险。滑环接头曾在机组启机时发生断裂，导致导叶位移反馈失效，致使机组过速。第二，调速器系统在发电过程中出现过因水头测值不准确，致导叶开度达到水头对应开限值，但未达空载开度值，造成同期过程中机组转速升不到额定转速，开机并网失败。

1 问题简述

1.1 导叶位移传感器概述及缺陷分析

导叶位移传感器安装于调速器导叶接力器上，作为现场测量元件实时反馈接力器行程至SPC中，用以控制导叶开度，调整机组出力。现场共有两种导叶位移传感器：品牌型号为MTS RPS0450MD601A01的调速器用传感器和品牌型号为西安江河XAJH-MSL的监控用传感器。两种导叶位移传感器分别安装于控制环两接力器上，将接力器行程分别送到调速器电气柜和LCU柜中。调速器用导叶位移传感器为双通道冗余设计，当主用通道出现断线等开度信号丢失时可自动无扰切换至备用通道。导叶位移传感器通过滑环磁铁在轨道上的移动距离，测量接力器行程。经长时间使用或震动较大时，滑环磁铁有可能出现破裂并与接力器支架分离，无法反馈接力器行程。此时，滑环磁铁仍停留于轨道上，主要通道未出现断线故无法自动切换到备用通道上。由于开度无变化，SPC将持续增加或减小导叶开度，造成机组过速或因出力骤降而与电网解列。企业曾因该缺陷发生两次机组过速事故，短时间内最大转速超过130%Ne，触发机组电气过速保护和机械过速保护动作。

1.2 水头传感器工作原理及缺陷分析

我厂使用的是赛尔瑟斯V10型智能水头传感器，这是一种以微处理器为基础的为过程控制设计的两线制智能型水头传感器。V10型智能水头传感器适用于不同测量范围及各种复杂的工况环境，输入输出信号具有超强的抗电磁、抗射频干扰能力。V10是一种带微处理器的多传感现场通信装置，双向通信时，按照HART协议将移频键控信号(SFK)加载到4～20 mA输出信号上。根据相应的通信协议，管理软件V10F-EA允许用PC机对变送器进行组态、扫描和测试，也可用手操器与设备通信，也可以使用仪表本身的液晶按键进行调整。

该水头传感器从流道中取源，流道水源压力通过两侧或一侧的隔离膜片、灌充液传至中心室的中心测量膜片。中心膜片是一个张紧的弹性元件，它对于作用在其上的两侧压力差产生相应变形位移，其位移与差压成正比，位移约0.1 mm，这种位移转变在电容极板上形成差动电容，由电子线路把差动电容转换成二线制的4～20 mA DC信号输出。并将该信号送达至调速器的电气柜中，计算出相应的水头值。

该过程主要应用液体核定流能量方程：总水头H=z+p/r+u×u/2g，设压差为P，全部转化为动能水头，则p/r=u×u/2g，所以u×u=2gp/r，式中：u为流速；u×u为流速的平方；g为重力加速度；r为液体的容重。理想状态下，流速与管径无关，流量等于流速乘管截面积。

关于水头传感器缺陷，分析如下[1]：机组并网后，导叶异常摆动、关闭(或导叶持续保持空载开度)或打开较慢，可能会造成短时逆功率。在此过程中水头传感器的测量值直接影响了导叶的开度，水头传感器测值异常可能是直接影响因素。在此过程中，电网频率偏高，同期机组频率低，导叶开度无法维持机组额定转速，机组需要吸收部分有功来维持50 Hz的频率[2]。发电机运行维持额定转速，会向系统吸收功率。同期瞬间导叶开度小于设定开度，导致机组吸收负荷，可能出现逆功率现象。同期并网时间较短，转速惯性上升后，导叶开度回调过快，导致机组吸收负荷保持额定转速。发电机失磁引发振荡，造成功率变化，可能吸收有功出现逆功率现象。

2 处理方案

2.1 导叶位移传感器及信号改造

针对企业导叶位移传感器存在的缺陷，通过分析、讨论，制定出导叶位移传感器机械改造方案并已在全部6台机组上实施改造。改动内容如下：将接力器活塞杆固定支架原有突出部分切除并重新焊接钢板。在与两传感器轨道齐平处上方约1 cm处开两孔径为5 mm的圆孔。将拉杆球头的一端用螺母固定到支架上，另一端连接到一约16 cm长的延长杆上，再将延长杆的另一端接到滑环磁铁上。该改造实质上是增加了滑环到固定支架的距离，改善了滑环及其球头的受力情况，增加了滑环在震动时的可摆动幅度，最大程度降低了接头断裂的风险，保证机组可靠运行。同时，在改造完成后，为避免电气控制精度因机械改造发生变化，将导叶全开、全关行程重新进行电气标定，并进行了调速器静特性试验，验证导叶控制精度的准确性均达到调节要求，满足国家标准《水轮机调速器与油压装置技术条件》要求：静态特性曲线应近似为直线，其最大非线性度不超过5%；大型电调的接力器转速死区不超过0.05%[3]。6台机组改造后均安全稳定运行，仅在2号机改造时由于误用过期的螺纹锁固胶，导致安装完成后延长杆脱落；涂抹合格锁固胶并重新紧固后使用正常。在对导叶位移传感器的日常检查中也未发现异常，机械改造后导叶位移传感器机械结构稳定可靠，同时缩小了滑环虚位，确保了导叶开度调节的可靠性。

为了进一步提高机组运行的安全性，除机械结构方面的改造外，还计划对导叶位移传感器电气信号线路作改造。目前由于调速器控制软件的限制，在主用导叶位移传感器出现断裂等反馈信号异常时，调速器控制系统不会自动切换到备用通道，仅在主用通道断电时才会自动切换。为改进主备用通道的切换机制，计划引入监控用导叶开度传感器反馈值作为参考，新增PLC等设备对各开度信号进行逻辑判断，在异常时通过控制继电器进而断开主用通道的电源，实现备用通道无扰切换。

电气改造针对的导叶位移传感器反馈异常情况主要有以下几类(监控传感器与任一主、备用传感器同时发生异常的概率较小，已排除)：

(1) 主用传感器异常、备用传感器正常、监控传感器正常。

(2) 主用传感器正常、备用传感器异常、监控传感器正常。

目前，主用和备用导叶位移传感器开度信号直接送入调速器电气柜内主用SPC和备用SPC中。监控用导叶位移传感器开度信号直接送入机组LCU A4柜中。计划在调速器电气柜中增加2块模拟量隔离器，将主用和备用位移传感器信号分送到A4柜的PLC中；在LCU A4中增加1块模拟量隔离器，将监控用导叶位移传感器开度信号分送到A4柜的PLC模块中；新增一继电器控制主用导叶位移传感器电源通断(SPCN:1)。

PLC辅助冗余切换程序中有以下逻辑：

(1) 在监控传感器与备用传感器开度一致的情况下，当主用传感器另外两个开度不一致时，断开主用传感器电源，系统自动切换使用备用传感器。

(2) 在监控传感器与主用传感器开度一致的情况下，当备用传感器另外两个开度不一致时，监控送出报警。

逻辑一主要在主用传感器出现损坏或脱落时作用断开主用传感器电源，此时UPC将导叶反馈自动切换至备用通道。逻辑二主要在备用传感器出现损坏或脱落时作用送出报警到监控，提醒运行人员该反馈装置备用通道不可用，反馈装置冗余失效；达到及时发现缺陷、消除缺陷，提高机组可靠性的目的。

冗余切换程序只提供断电和报警功能，促使UPC取用正常传感器通道，将导叶反馈装置的主备用可靠性最大化。

2.2 水头传感器

针对水头传感器存在的缺陷，现提出以下两套改造方案。目前，两套方案还未在企业实施，第二套方案正在审核和完善中，待后续机组检修时实施。

(1) 将现有的上下游压差管转分成三组接头，通过水利测量柜改造，增设两个其他型号的压差传感器，将模拟量信号送至监控柜内，由监控PLC进行比较计算，在计算水头的时候取平均数，同时进行比较。如果单只水头数值较其他传感器出现10%的偏差，将判定该传感器故障并输出报警信号，取另外两只正常读数的水头传感器数值作为平均数。通过三只水头传感器同时测量能避免单只水头漂移影响到水头测量值的准确性，从而提升水头测量的准确性，提升机组可靠性。

(2) 增设SWJ-3型水位监测装置分别接受上游、下游两路液位传感器送来的模拟信号，经A/D转换送CPU处理计算，通过液晶屏直观显示上游水位、下游水位和水头值，并输出三路模拟量分别对应上游水位、下游水位和水头。每组监测量有六对继电器报警、RS485通讯、4～20 mA输出。通过该装置将水头测值送入调速器电气柜，调速器电气柜可以将该测值与水头传感器的测值进行比较，如果测值大于设定阈值，系统可以判定水头传感器测量存在误差，取信SWJ-3水位监测装置水头测值。

3 结论

调速器系统在运行时承担着机组启停和随时调节的任务，对调速器系统的速动性、可靠性有着较高的要求。目前我厂调速器系统运行相对稳定，但仍存在部分可控缺陷；对调速器系统的导叶开度反馈装置、水头测量装置、事故配压阀等设备的改进对提高机组可靠性有着重要意义。上述的导叶开度反馈装置改造方案，具有改造成本低、冗余可靠性高、主备用切换快等特点；利用部分现有的元件，通过新增信号回路和程序逻辑，实现导叶开度反馈装置的辅助冗余切换功能。上述的水头传感器改造方案减少了水头传感器的测值出现误差的几率，避免出现逆功率等缺陷，提高该测值的可靠性。该方案采用多个取源减小误差，或者通过其他可靠的自动化设备，进行佐证判断，从而成功对真实值实施采信，以保证机组的稳定可靠运行。上述两个方案能在较大程度上解决调速器系统遇到的问题，提升机组的运行可靠性，助力工程创优和提高启机成功率。