紧水滩电厂水轮机调速器失控策略的研究与应用

束炳芳，段文华，李 璋

（国网浙江省电力公司紧水滩水力发电厂，浙江 丽水 323000）

紧水滩电厂水轮机调速器失控策略的研究与应用

束炳芳，段文华，李 璋

（国网浙江省电力公司紧水滩水力发电厂，浙江 丽水 323000）

随着现代水轮发电机组控制技术的不断发展，对调速器系统的控制逻辑要求更加严密。本文结合水轮发电机组实际情况，运用现代传感器及控制技术，通过研究调速器失控的状态，提出一种新的诊断调速器失控的策略，该策略通过PLC采集调速系统接力器电气反馈信号，与调速器控制信号综合比较，就能表征调速器系统运行工况，可靠判断水轮机调速器的失控状态，并输出故障信号送入监控系统。

水轮机调速器；失控；策略；应用

1 引言

紧水滩电厂总装机容量385.8 MW，下辖紧水滩水电站（以下简称紧站）和石塘水电站（以下简称石站），其中紧站装机6×50 MW，石站装机3×28.6 MW，以担任系统调峰、顶事故出力为主要任务。

紧水滩电厂目前采用的是PSW（S）T比例数字式冗余可编程控制水轮机调速器，电气部分采用高性能法国施耐德MODICON TSX系列可编程控制器PLC，机械部分主要由比例阀与数字阀冗余电液转换机构、机械手动操作机构、引导阀、主配压阀、紧急停机电磁阀组成，具备自动、电手动和机械手动3种操作方式。

2 存在问题

水轮机调速系统失控信号判断的正确与否对于真实反映调速器失控状态、确保机组安全稳定运行有着极其重要的意义。因而对其可靠性也提出了更高的要求。紧水滩电厂调速器失控信号一直采用主配发卡接点表征，此信号引自主配压阀安装底座上安装的一只位置接点开关。当调速器主配压阀朝关方向移动时接点开关闭合；当主配压阀回中或朝开方向移动时接点开关断开。此接点动作信号上送给监控系统，若同时发电机组在空载状态下转速超过115%，将启动紧急停机流程，保护发电机组，防止事故扩大。该策略在实际运行中存在诸多问题，不能有效反映调速器失控状态。

（1）主配发卡接点不能确切的表现调速器失控状态。采用单一微动开关接点只能表现主配未关，有些工况下会导致机组PLC误判，机组水机保护误动。例如发电机组甩负荷试验中，机组开关跳开后，当转速上升到顶点开始下降时，此时频率虽然还是超过额定频率，但频率是快速下降的，经过调速器PID运算，导叶需要打开才能保持空载状态，这时此节点就会动作，机组PLC误认为调速器失控，引起紧急停机误动作。见图1所示。

图1机组甩100%负荷调速器响应录波示意图

（2）正常情况下接力器调节速率见图2。主配发卡节点不能表现水轮机调节系统控制导叶的速率。若主配实际发卡，正好又使导叶缓慢动作，此时导叶关闭时间大大超过调保计算时间，就可能导致严重事故。

图2接力器调节速率图

（3）行程开关接点容易因抖动误发信号或因接点老化而拒动，可靠性不高。

（4）由于接点与阀体的结构、位置配合问题，检修时极难调整至合适位置。

（5）原方式下无法通过模拟调速器失控状态进行相关试验。

3 失控策略研究

3.1 调速器失控的判断策略

当调速器收到命令要开启或关闭导叶时，其控制输出（导叶需要到达的目标值）和实际导叶开度会存在差值，当此差值大于设定的死区值时，主配会接受PLC的PID运算控制信号朝目标方向打开一定量的开口，控制导叶朝目标方向移动。然后通过PLC程序周期扫描读取实际导叶开度是否朝目标移动，并且判断移动速率是否达到调保计算开关机时间的要求。若在一定延时时间（此时间由调保时间确定）内所读取的导叶开度变化值未达到朝目标方向的变化速率，则判断调速器失控。

3.2 技术原理

水轮机控制系统基本控制原理如图3所示。

图3调速器控制原理框图

水轮机调速器主配的动作速率表达式见公式1。

式中：K——导叶开（关）方向放大倍数

△Y——导叶控制偏差（即导叶与目标值之间的距离）

k——主配放大系数

△y——主配开（关）方向打开角度

U——主配移动速率

从公式1中可以看出，导叶控制偏差 （△Y）越大，主配移动速率越快。主配移动后，△y变大，主配移动速率将减缓。

导叶移动速率与主配打开角度之间的关系表达式见公式2。

其中：△y——主配开（关）方向打开角度

Y——接力器全行程

t——调保计算的接力器全关（开）时间A——速率系数

将公式2变换得到A与主配位移的表达式见公式3。

综合公式1和3，且当主配开或关到某一位置不动时，即U=0，又可得到A与导叶控制偏差的表达式4。

将上述原理编写入PLC控制程序后，根据机组水力调节系统调保计算开关机时间t及现场调速器性能试验实际所得的导叶放大系数K，主配放大系数k，即可根据上式得到A，通过PLC程序周期扫描读取导叶开度是否朝目标方向移动，并且判断移动速率是否等于A。若小于A，则表明调速器自动控制出现问题。延时500 ms，向机组PLC发出报警信号。

4 现场应用

（1）将上述调速器失控判断策略与技术原理通过编写PLC逻辑程序在调速器上实现，PLC梯形图逻辑如图4及图5所示。图4程序通过比较当前导叶开度与前一扫描周期开度值，再与导叶开度偏差值相比，判断导叶正在开启或关闭过程。图5程序的功能是，不管比例阀工作还是数字阀工作，在开度给定不为零的工况下，当控制输出与导叶开度的偏差大于4%，就判断导叶“未开”或者“未关”，报警“机械拒动”，即调速器失控，无法自动控制，并向监控系统送出“调速器自动控制退出”信号。

图4调速器动作方向判断PLC逻辑图

图5调速器失控判断PLC逻辑图

（2）结合现场实际需求，新的调速器失控策略，还同时满足下述要求：在发电机负载状态时，若比例阀工作，此时比例阀出错，且无数字阀出错，切到数字阀，自动控制不会退出，即此时切到数字阀时可以正常工作；若数字阀再报出错，则自动控制退出，且不能自动由数字阀切回比例阀工作，表明调速器失控。非负载状态时，不管比例阀出错或数字阀出错，其中任意一个报警，都将使导叶自动控制退出，反映调速器失控，且不会直接切换至数字阀。

（3）调速器失控判断策略在紧水滩6台水轮机组调速器进行相关调试、试验，并投入运行，效果良好。

5 结论

号误动或者拒动。

（2）新的失控策略表征了所有可能引起调速器失控的故障，可反映控制机构故障、执行机构故障、导叶故障、主配故障、电气控制输出信号故障等导致接力器未按设定速率动作的故障。大大提高了机组过速保护回路的可靠性。解决了原主配发卡接点只表现主配未关的局限性和不科学性。

（3）该策略的应用使得日常检修维护非常方便，试验验证方法直观、简洁，也便于对参数进行调整优化。

（1）通过软件逻辑判断调速器失控的策略表征水轮机失控，PLC程序精确计算，具有智能性，有效避免硬件接点故障及老化产生的误差，杜绝失控信

[1]魏守平.现代水轮机调节技术[M].武汉：华中科技大学出版社，2002.

TV734.4

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1672-5387（2017）11-0004-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.11.002

2017-08-30

束炳芳（1982-），男，高级工程师，从事水电厂机电设备管理工作。