锦屏一级水电站齿盘测速系统改造案例分析

华宏举,刘娟莉

(雅砻江流域水电开发有限公司,四川 成都 610000)

锦屏一级水电站齿盘测速系统改造案例分析

华宏举,刘娟莉

(雅砻江流域水电开发有限公司,四川 成都 610000)

介绍了锦屏一级水电站机组齿盘测速系统改造前后的运行状况对比及改造后的效果评价,为同类型电站在相关设备设计、制造、安装调试及运行维护方面提供一定的参考依据。

锦屏一级水电站;齿盘测速应用;问题分析;改造过程;效果评价

0 概况

锦屏一级水电站位于四川省凉山彝族自治州盐源县和木里县境内,是雅砻江干流下游河段(卡拉至江口河段)的控制性水库梯级电站,电站安装有6台额定容量为600 MW的水轮发电机组,总装机容量3 600 MW,多年平均发电量166.2亿kW·h。水轮发电机为立轴伞式结构,转子上方设有上导轴承,转子下方分别设有推力及下导轴承,额定转速142.9r/min,水轮发电机组的主轴采用二根轴结构,水轮机轴与发电机轴通过法兰直接连接,机组旋转方向为俯视顺时针。

2013年8月,锦屏一级水电站首台机组投产发电,2014年7月,全部6台机组投入商业运行。

1 测速齿盘应用

锦屏一级水电站水轮发电机组设有一套完整的齿盘测速装置,包括测速齿盘及测速探头、蠕动齿盘及蠕动探头,及其相应的测速及蠕动装置。调速器和计算机监控系统共用测速齿盘,测速探头分别设置。其中测速齿盘齿数42齿,蠕动齿盘齿数120齿,齿盘直径2 100 mm。

1.1 测速齿盘在监控系统上的应用

锦屏一级水电站计算机监控系统控制流程内,转速信号作为一个重要的判断依据在流程内多次被引用。主要包括:S_0(机组转速为零)、S_20(机组转速小于20%)、S_95(95%>机组转速>105%)。其中: S_0是机组全停的判断条件;S_20是当机组转速停机至20%以下时投入制动风闸命令的主要依据; S_95是判断机组达到额定转速的主要条件,也是停止高压油润滑系统、机组启励的重要前提,在机组并网态的判断中也被使用。

计算机监控系统使用的速度测量源为某公司生产的可编程转速监控装置,该测速装置有一路齿盘脉冲信号输入、一路残压信号输入,10路开关量信号(转速<1%、转速<20%、95%<转速<105%等)和1路模拟量转速信号输出。当测速装置一路齿盘脉冲信号输入与一路残压信号输入都存在时,内部逻辑判断优先选择齿盘脉冲信号输入作为信号源,只有当齿盘脉冲信号输入存在故障时,才会以残压信号输入为信号源,所以机组正常运行时,通常是采用齿盘脉冲信号输入作为信号源。

1.2 测速齿盘在调速系统上的应用

锦屏一级水电站调速器以“残压测速为主、齿盘测速为备用”的测速方式工作,每套PCC有3个独立的测频通道:残压、齿盘1、齿盘2通道,齿盘测速共用4个探头,每套PCC用2个。运行中优先顺序为“主运套PCC残压＞备用套PCC残压＞当前主运套PCC齿盘1＞当前主运套PCC齿盘2”。

1.3 测速齿盘在蠕动保护方面的应用

锦屏一级水电站蠕动齿盘与测速齿盘采用一体化设计制造,上下分布、孔数不同,蠕动齿盘为120齿设计。蠕动测量传感器设置2个,接入蠕动测试仪,当机组产生蠕动时,蠕动测试仪发出报警信号送入计算机监控系统,此时,监控系统检测当前无开机流程、停机流程等其他程序正在执行,则会启动蠕动保护流程,投入高压油润滑系统及制动风闸。

2 改造前测速齿盘存在的问题

锦屏一级水电站测速齿盘原设计为齿带结构(如图1),并非传统意义上的“齿盘”。一套齿带共分四瓣组圆、螺栓把合。其中上面的方孔42个,用于监控系统和调速器系统的转速测量;下面的圆孔120个,用于蠕动保护监测,该齿盘厚度仅仅为4.5mm,不满足《水电厂自动化元件基本技术条件》(DL/T1107-2009)中关于对齿的宽度和高度大于20 mm的要求。

2.1 原测速齿盘对机组控制流程的影响

因为测速齿盘存在的问题,导致机组运转过程中测速传感器“丢齿”现象严重,单位时间内测速装置计算的脉冲数量不正确,测速装置速度测量不准确、转速模拟量跳变、转速开关量误开出。首台机组安装调试期间,由于测速装置输出的转速模拟量信号跳变幅度经常低于95%或超过105%,而监控系统机组LCU程序中判断S_95(机组转速达到95%)的逻辑为:测速装置电源正常、机组转速>95%的开关量到达、转速模拟量大于95%且小于105%。当测速装置输出的模拟量转速跳变时,将直接影响S_95信号的正常到达,进而影响到机组发电态的判断,导致有功不可调,机组负荷无法调整。额定转速下转速测量波形如图2所示:

图2 改造前机组额定转速下转速测量波形

图2可以看出,机组在额定转速下稳定运行时,转速测量波形出现频率极高的毛刺,且上下波动,导致监控系统内转速跳变,控制及调节流程均无法正常执行。

此外,机组停机流程内,当转速下降至20%以下时,流程正常应该发出投入制动风闸的命令,因为齿盘本身存在的问题,导致测量转速偏差较大,流程无法正常执行风闸投入命令,只能靠运行人员现地手动投入风闸。同时,也存在正常运行时测量装置误开出转速小于20%的信号、从而导致风闸误顶起的重大隐患。

2.2 原蠕动齿盘对蠕动保护流程的影响

蠕动齿盘同样存在厚度及高度不满足规范的情况,蠕动报警信号测量不准确,无法正常起到保护的作用。当机组真正出现蠕动的状况,蠕动报警装置无法感知,报警信号不能正常开出,存在对机组推力轴瓦造成损伤的风险。

2.3 原测速齿盘对调速器系统的影响

同理,因调速器齿盘测频与监控系统测速共用同一齿盘,调速器的齿盘测频值出现在±0.05 Hz范围内波动的现象,导致调速器测频严重超出《DL/T 1245-2013水轮机调节系统并网运行技术导则》中对于水轮机调节系统频率分辨率的要求:大型机组及重要电站的机组应小于0.003 Hz。锦屏一级水电站一次调频动作值为±0.04 Hz,在调速器残压测频通道故障的情况下,调速器会自动切换齿盘测频作为机组频率参与控制,将出现一次调频频繁动作复归,引起调速器频繁调节,造成液压系统抽动及负荷波动。

3 测速齿盘改造及效果评价

3.1 测速齿盘改造

基于原测速齿盘存在的问题,以及对机组安全稳定运行带来的隐患,电厂决定联系设备厂家对测速齿盘进行改造,将原齿带结构更换为高精度线切割齿盘,保证齿盘的高度和宽度满足规程规范的要求。新测速齿盘及蠕动齿盘分别加工、叠加安装,内径2 100 mm,齿高度60 mm。采用整体线切割的方式,沿中间两个齿保证间隙2 mm割开,表面发蓝处理后,分两瓣运至现场。齿盘分瓣面采用12颗M16连接螺栓,每瓣中间位置对称布置销钉螺栓,使测速齿盘及蠕动齿盘贴合的更加紧密,且相互之间不会滑动。连接螺栓及组合面耳板强度均在出厂前进行校核确认,保证了长期稳定运行的安全性。

3.2 新齿盘及探头安装

安装新的测速及蠕动齿盘前,必须保证安装在主轴上的平面与水轮机主轴垂直,首先清理掉拆除旧齿盘后遗留的油渍、表面毛刺等。安装时,将齿盘的两个半圆垂直安装在水轮机主轴选定的位置上,同时重新在主轴上画线以保证齿盘安装高程不出现偏差。

探头安装时,使用塞尺测量探头与齿盘间隙,调整探头与齿盘间隙达到安装要求后,紧固探头固定螺丝。其中调速器A/B套齿盘1路、齿盘2路测速探头的安装要求:使用水平尺保证测速探头安装位置垂直于主轴中心线,探头与齿盘的间距保持在2～3mm之间;监控系统测速探头安装要求:使用塞尺测量测速探头与测速齿盘间隙,间距保持在2.5 mm,调整测速探头与测速齿盘间隙达到要求后,紧固探头安装螺栓与齿盘固定螺栓,若间隙不合要求,则需要反复调整,直至间隙合格。此外,所有探头支架应保证安装牢固、无晃动现象,探头出线电缆绑扎牢固、接线正确。新齿盘现场安装效果如图3所示:

图3 新测速齿盘现场安装图

3.3 改造效果评价

利用检修时机,锦屏一级水电站陆续完成全部机组测速齿盘的改造工作,改造后的测速齿盘经过近2年时间的运行验证,监控系统测速装置转速测量结果准确、稳定,基本误差未超过±0.5%Nr。监控系统各类控制流程能够正常执行,未再出现因转速测量问题导致的流程执行失败、发电态无法正常指示、机组有功无法正常调节等问题。改造后的转速测量波形如图4所示。

图4 改造后机组额定转速下转速测量波形

另外,改造后的机组均开展了机组蠕动试验,验证机组超低速情况下蠕动报警装置能否正常报出蠕动信号、蠕动流程能否正常启动,经过试验验证,全部结果正常。同时,改造后的齿盘运用至电站调速器系统中后,调速器系统齿盘测频信号精度完全可以满足相关规程规范的要求,满足调速器正常功率调节的需要。

4 结束语

水电厂机组转速测量是电站控制系统重要的、不可或缺的基本参量,转速测量的精准与否直接影响到机组控制流程的正确执行及调速器的调节性能。而转速测量除需要依靠性能稳定、工作可靠、精度满足要求的测量装置及传感器外,测速齿盘的选择和加工精度同样也是重要的一个环节,只有严格遵从相关规程规范的要求、结合本电站设备的实际状况,设计、制造、安装符合要求的测速齿盘,配合传感器及测速装置,才能保证整套测速系统正常运转,满足电站长期安全稳定运行的需要。

TK730.4

B

1672-5387(2017)07-0068-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.07.021

2017-04-27

华宏举(1974-),男,工程师,从事水电站生产技术管理工作。