二滩水电站大型水轮机调速器国产化实践

二滩水电站大型水轮机调速器国产化实践
田开华　袁小燕
(二滩水力发电厂　四川省攀枝花市　617000)
【摘要】　介绍了二滩水电站对进口瑞士H V微机水轮机调速器电气控制部分进行国产化
改造的实践过程和成功经验。

【关键词】　调速器　改造　P LC　触摸屏
【数据库分类号】　SZ02
0　概述
我国自改革开放以来,水电建设速度大大加快,一批百万级大型水电站开工建设。

如隔河岩、五强溪、漫湾、岩滩、水口等水电站都是在20世纪80年代开工建设的,在90年代初相继投产发电,为缓解我国电力紧张形势和调整我国电力结构起了巨大作用。

二滩水电站1993年正式开工建设, 1998年第1台机组投产发电,在当时单机容量为我国最大(550MW),调速器为瑞士HY DRO VE VEY MIPREG600微机调速器(以下简称H V调速器),两套冗余调节控制器,通过数字计算以程序的形式执行各阶段的转换、调节功能,其技术性能和功能受到一定的限制。

自投运以来,调速器(主要是电气控制部分)暴露出不少缺陷和隐患,影响到机组和电站的安全稳定运行。

H V调速器存在如下主要问题:
(1)导叶位置传感器为角位移型,输出电流为0～5mA。

其外壳为铝,因而抗干扰能力差,例如在水车室使用对讲机的时候会出现接力器大幅抽动;导叶位置传感器零位容易发生漂移,在停机时低于低限设定值,导致两个调速器头都大故障。

(2)调速器头在故障切换时,会出现当主调速器头发出切换命令后,由于从调速器头未能接受到切换命令,导致主/从调速器头均不工作。

(3)转速装置虽然有3套,但其中蠕动测量只在转速20%以下起作用,测量20%以上的两套测速由于原理一样,安装位置也相同,不满足两套不同原理的测速装置的要求。

(4)直流电源存在两个问题:一是调速器的直流电源两路进线经二极管隔离形成双电源冗余,存在环流问题,使直流系统绝缘检测装置无法正常工作,而且在直流电源串入交流电源或两套直流交叉接地时,二极管到调速器电源模块的输出将出现过高电压,导致调速器大故障引起事故停机(2005年2月2日曾发生因直流电源串入220V交流电引起2台机组同时停机事故);二是机械柜的电源取自电气柜,如电气柜电源消失则不能远动停机。

(5)机组常出现负荷波动。

为彻底解决调速器系统存在的以上问题,通过充分的专家论证和公开招标,选择武汉事达电气有限公司的WT-SP LC-ST ARS双P LC调速器电气柜(以下简称ST ARS调速器),对水轮机调速器电气控制部分实施设备改造。

收稿日期:2006-08-10。

将进口设备更换为国产设备,是一项艰巨的工作,具有很大的风险和困难。

从2001年以来,二滩水电站从论证到招标,从方案设计到生产制造,从安装调试到试运行,从出现问题到不断完善,每一步都做出了大量艰苦的工作。

首台调速器改造2003年5月完成,迄今为止,已完成了4台水轮机微机调节器的改造,另外2台正在制造之中,改造后的调速器功能逐步完善,技术指标达到或超过国家标准,部分技术指标优于H V调速器。

1　改造方案
1.1　2号机调速器
(1)将原2个调速器电气柜改为2个武汉事达电气公司为二滩研制的WT-SP LC-ST ARS双P LC调速器电气柜。

(2)两路直流电源完全隔离,内部各电源模块均采用冗余配置。

(3)安装输出电流为4～20mA的角位移传感器及其传动机构,用于测量机组导叶位置。

(4)新装测速探头、测频探头、蠕动探头来进行机组转速测量,采用FX2N系列编程软件,用于转速继电器检测装置,与调速器完全独立。

(5)两套调速器均采用齿盘和残压两种测速方式。

齿盘测速在开机过程中起作用,当机组达到额定转速后切换至残压测频方式。

齿盘测速和残压测频可以手、自动切换。

(6)P LC输出的模拟量信号分为电压型和电流型,电压型模拟量通过二极管切换,电流型模拟量通过继电器切换,所有的模拟量最后通过电磁隔离后输入、输出。

(7)采用西门子触摸屏,通过RS232串口(C OM2)100M以太网与两套P LC通信,实现调速器电气柜与监控系统的通信,具有监控、试验和录波等功能。

(8)核心控制元件采用Quantum系列P LC,可编程控制器的编程软件采用C oncept2.2软件,2套P LC通过集线器和通信线进行通信并实现实时的数据交换。

1.2　5号机调速器
根据改造后的2号机调速器运行维护情况,相对于2号机调速器进行了以下改进:
(1)转速测量装置的安装方式改为抽屉式,以便于维护。

(2)由于电压型模拟量是通过二极管切换后输出到表计,在此过程中伴生有电压损失,导致表计指示不准确,遂将电压型模拟量改为通过继电器切换。

(3)增加“调速器转速信号故障”信号送监控系统。

(4)Quantum系列P LC编程软件采用C oncept2.6软件。

1.3　4号机调速器
根据改造后的2、5号机调速器运行维护情况,相对于5号机调速器进行了以下改进。

(1)由于2号、5号机组调速器柜运行温度高、运行维护不便,将一个调速器电气柜改为两个柜。

(2)由于2号、5号机组调速器角位移导叶位置传感器多次出现传动机构发卡故障,造成接力器抽动、甚至停机现象,遂将其更换为拉线式传感器(先在2号机实施,运行不到12h,就出现拉线卡死、不能回卷,造成机组溜负荷)。

于是又将其改为3个MTS直线移传感器,并且采用了三取二方案判断传感器故障并能自动切换。

(3)在每套CPU电源前增加一个电源开关,可以实现对任何一套的CPU单独断电,便于检修。

(4)P LC模拟量输出均改为电流型模拟量(除送电转信号外),不经过电磁隔离直接输出。

1.4　1～3、6号机调速器改造方案
根据改造后的调速器运行维护情况,相对于4号机调速器进行了一下改进。

(1)由于5号机调速器导叶位置传感器配置按4号机调速器方案更换为3个直线传感器后出现了故障,并且此型号传感器已停止生产,因此改为两个MTS角位移传感器(KI NAX WT707143E 1051/H)作主用,1个巴罗夫直线位移传感器(BT L5-E10-M0750-P-S32)用于监视比较和备用,仍然采用三取二方案判断传感器故障,并能自动切换。

(2)除了水头信号外,其他均取消了光电隔离模块。

(3)将转速继电器分散布置,并增加了电源开关。

(4)增加了触摸屏电源开关。

(5)将网频测量信号源由原来的相电压改为线电压,以减小电压谐波的影响,提高网频测量精度。

(6)对硬件布置进行调整、优化。

2　改造实施
2.1　2号机调速器
改造于2003年3月至5月实施,为了防止因改造可能失败而带来的严重后果,,保留原两个调速器电气控制柜、外部元件及接线。

新调速器电气控制柜因为安装位置的限制,全部安装在一个柜内。

改造后2号机调速器的各项性能指标基本满足要求,但存在以下问题:
(1)功率变送器精度不能达到标准,后改用原H V调速器功率变送器。

(2)电磁隔离模块线性度差,模拟量只有在程序中做线性化修改。

(3)电转信号波动较大,频率和幅值均不满足要求(12.5H z,0.13V),功放板输出高频信号谐波,查找近10天原因不明,只能用原H V功放板代替,使2号机组投入运行。

(4)触摸屏与P LC部分开关量状态不一致。

(5)触摸屏试验和参数修改功能未实现。

2.2　5号机调速器
5号机调速器2004年5月完成,改造后5号机调速器的各项性能指标基本满足要求,仍存在以下问题:
(1)导叶位置传感器的传动机构转动不灵活,发卡。

(2)电磁隔离模块线性度差,模拟量只有在程序中做线性化修改。

(3)触摸屏仍未实现试验和参数修改功能。

2.3　4号机调速器
4号机调速器2005年4月完成,改造后的4号机调速器的各项性能指标基本满足要求,但仍存在以下问题:
(1)触摸屏与监控系统的通信未正常实现。

(2)触摸屏上功能不够完善。

2.4　1号机调速器
1号机调速器2006年5月完成,改造后的1号机调速器的各项性能指标基本满足要求,触摸屏试验和参数修改功能完善,存在一块功放板输出谐波较大的问题。

3　一次调频功能
2005年,根据华中电网的要求,二滩水电厂在3号机、4号机进行了一次调频试验,并在12月投入一次调频功能,投运以后基本运行正常。

2006年3月发现,ST ARS调速器一次调频频繁投退,原因为测频跳变引起(最大达到0.09H z)。

经过厂家几天的检查未找到根本原因,只得暂时停止处理工作,准备在1号机调速器改造中进行解决。

经过认真分析,认为主要是测频电压谐波所致,提出了如下解决办法供试验验证:
(1)将PT电压信号由原来的相电压改为线电压,这样可以消除定子一点接地保护信号(12.5
H z)、发电机3次、6次和9次等谐波的影响。

(2)采用10次测频结果进行平均,减少测量误差。

在1号机调速器出厂试验期间,首先采用10次测频结果进行了平均试验,效果良好。

现场试验检验,将PT电压信号由原来的相电压改为线电压后,测频跳变已经在0.01H z以下,再经过10次平均,效果就更好了,一次调频投运后运行正常。

在此之后,将其他3台机调速器进行了相同的改进。

4　改造后运行情况
改造后的ST ARS调速器能够满足二滩水电站安全、稳定运行的要求。

在2005年2月2日,2～5号机组并网运行,1号机组停机备用,6号机组检修;由于直流系统故障,H V调速器的1号机、3号机、4号机调速器报大故障,3号机、4号机跳闸停机,而ST ARS调速器的2号机和5号机均运行正常。

2006年7月1日21点,系统发生振荡,在振荡过程中,二滩电站总负荷响应达到580MW,调速器经受住了严峻的考验。

运行中出现的问题:
(1)2号机调速器角位移导叶位置传感器多次发卡:其中2004年4月24日引起接力器抽动,5月2日导致导叶全关;在2005年1月经厂家推荐,更换为拉线传感器,运行几小时就出现了两个传感器同时发卡,影响了机组正常运行。

5号机组调速器角位移导叶位置传感器也出现过发卡现象。

(2)2004年6月3日,5号机调速器过速保护误动,停机落进水口闸门一次。

(3)2005年5月20日,5号机调速器出现了CT回路开路,造成发电机端子箱部分端子烧毁。

(4)2005年7月18日,5号机调速器的一个直线传感器的内部探头牵引螺丝脱落,测量不到实际开度,因采取了三取二防范措施,故未影响机组正常运行。

(5)2005年12月28日,2号机调速器触摸屏因硬盘分区不足死机导致机组自动开机拒动。

5　改造总体评价
4台水轮机调速器经过改造并不断完善后,调速器的静态指标、空载扰动、自动开停机、空载工况、转速摆动、双机冗余切换、机组甩负荷等项目的主要性能指标达到或优于国家标准和原H V调速器的相应数据。

调速器电源、测速装置及控制模块实现了冗余配置,调速器功率响应快速、单调,动态稳定性高,保障了电站的安全可靠运行。

同时,维护成本降低,技术支持及售后服务及时。

5.1　与进口HV调速器差异的比较
与进口H V调速器差异的比较见表1。

表1　与进口HV调速器差异的比较
项　目H V ST ARS
制造工艺定型产品,工艺好设备不够定型,工艺相比较差软件技术保密透明
服务比较困难比较方便
CPU工控机P LC
电源两套不隔离完全双重化、隔离
测速系统仅有齿盘测速齿盘和残压
导叶位置传感器0～5mA角位移,抗干扰能力差;传动机
构可靠
4～20mA角位移,抗干扰能力强;有故障
冗余功能
触摸屏功能参数修改方便,试验、调试功能全;检修
维护方便;无录波功能
试验、调试和录波功能完善;检修维护
不方便
调节品质好(满足国际标准)好(基本满足国标)
稳定性有原因不明负荷波动有负荷波动,已解决一次调频功能基本满足要求完全满足要求
5.2　与国家标准(DL/T563-95)的比较
表2　与国家标准(DL/T563-95)的比较
项 目标　准　数　据试　验　数　据
转速死区0.04%0.0126%
空摆试验不超过±0.15%频率波动±0.08(H z)
480MW甩负荷超过额定转速3%的次数不超过2次;
调节时间不大于40s;T p小于10T m
超过额定转速3%.的次数为1次;调节
时间38s
5.3　现国产S TARS调速器控制系统的优点
(1)系统采用P LC控制,易于编程和修改,厂家技术对电厂完全公开,有利于检修维护。

(2)导叶位置传感器更换为4～20mA的角位移传感器,解决了导叶位置传感器易受干扰的问题;同时三取二的工作方式可以解决导叶位置传感器发卡时,无法判断信号正确与否的问题。

(3)系统采用双P LC控制,系统间通过通信线联系,使切换快速、无扰动,解决了原系统的切换失败问题。

(4)采用残压测频和齿盘测频两种测频方式,解决了测速部分的冗余配置问题。

(5)电源系统采用模块化冗余接线方式,解决了电源系统的隐患。

(6)有防止并网信号误动导致误减负荷的功能。

(7)转速继电器独立于调速器控制系统,能在调速器失去控制的时候,达到保护机组的目的。

(8)具备完善的一次调频功能。

5.4　有待完善的内容
(1)在触摸屏上不能强制DO输出功能,与监控系统核对信号必须进入程序,增加了风险性,检修维护不方便。

(2)自制功放板和测频板的质量、工艺有待提高。

功放板输出波形谐波较大。

(3)调速器运行参数还未达到最优化。

(4)主用导叶角位移传感器线性度调整不方便。

从二滩水电站水轮机调速器改造成功的经验可以看出,尽管国产设备存在工艺、质量相对不
高,标准化程度差,设备不够定型,程序化管理差等不足,但是经过不断改进、完善,是能够满足大型水轮机发电机组运行的安全、稳定要求的。

国产设备具有价格低廉、适应性强、功能齐全、服务及时等优势。

因此,走独立自主的发展道路,积极推进水轮机调速器国产化应该成为我国水电设计、建设和运行管理者的义不容辞的责任。

图1　改造后调速器总原理框图
田开华　男,总工程师,高级工程师,从事水电厂生产技术管理工作。

袁小燕　女,助理工程师,从事水电厂自动化检修维护工作。

图7　导叶接力器反应速度慢波形
(上接第136页)
(16)导叶接力器反应速度慢相应波形(见图7)
反应速度慢的原因:K p 值过小。

调整方法:顺时针转动P4,K p 值增大,增加反应速度。

(17)K p 值调整好后的波形(见图8)
(18)调速器静态调试全关时间14.88s ,满足要求;全开
时间13s 。

图8　K p 值调整好后的波形3　结束语
通过对VG CR211型调速器综合输出放大卡VC A1的调
整,使得调速器静态试验符合水利行业标准,#1机投入运行
正常。

工作人员凭借调整旧VC A1卡的经验,重新调试出
VC A1卡作为#1机备用,提高了设备正常运行保障。

赵旭春　女,工程师,从事水电厂自动化设备维护工作。

王忠强　男,工程师,从事水电厂自动化设备维护工作。

蔡　路　男,工程师,从事水电厂自动化设备维护工作。