1.广东粤电流溪河发电有限责任公司 广东广州 510956;2.武汉三联电工有限公司 湖北武汉 430000
【摘要】随着水电厂调速器运行年限的增加，存在着器件老化、调节不灵敏、无备品备件、故障率高等缺陷，不能满足安全生产要求。结合流溪河发电公司一号机组调速器的技术改造，本文介绍了调速器的配置、功能和工作原理以及安装调试中遇到的一些问题，供读者参考。
[关键词] 水电厂、调速器、改造
1概况
流溪河发电公司位于广州市东北部90km处，地属从化区良口镇，于1958年完工投入发电运行，现有四台1.2万千瓦水轮发电机组，总装机容量为4.8万千瓦。流溪河发电公司最早一台机组调速器是2003年投产，现已运行14年，最晚一台机组调速器是2005年投产的，现已运行12年，经过十几年的运行，调速器面临着以下几个问题：
（1）电气设备元件已基本达到使用寿命的期限，故障率较高；
（2）部分设备元件已无备品，且厂家已将产品换代，难以进行备品采购；
（3）按照电气二十五项反措，一是机组调速器没有一次调频功能；二是机组调速器没有纯机械过速保护功能。
上述问题存在安全隐患，且调速器的使用寿命一般为10-12年，因此，结合2018年机组的检修计划，对一号机组调速器进行升级改造，最终选定的调速器为武汉三联电工有限公司生产的PPWT-80-2.5微机调速器。
2 PPWT-80-2.5微机调速器功能特点
（1）调速系统有三种操作方式：自动操作、电手动操作和机手动操作。其中电手动操作和机手动操作为调试及非正常运行方式，自动操作为正常运行方式。三种模式之间相互跟踪，可无扰动切换。
（2）电气调节器有三种主要的控制模式：频率控制模式、功率控制模式和开度控制模式，其相互间的转换都是由调节器根据当前工况自动完成。
（3）调速器系统具有在线自诊断和故障处理功能，故障的类型可以通过调速器电气调节器前面板上的HMI显示和指示灯指示。并有继电器接点输出，所有故障信息可通过通讯方式发送至发电站计算机监控系统。
（4）调速器接收到开机令，按固定斜率（增量）把导叶开到开机顶点，经过一段时间延时后，当机组频率达到90%额定转速时，调速器输出自动将导叶关到按水头计算的空载开度给定值后进入空载运行工况。
（5）当功率控制模式下功率反馈故障自动切换到开度控制下运行时，根据频率的变化以及负荷或开度的调整对频率引起得变化作为判断大小电网的依据，自动改变运行模式：当在开度调节或功率调节模式下，当判断为小电网或电网故障自动切换到频率调节模式运行。
（6）为防止发电机出口断路器误故障，使得机组甩负荷，调速器在判断甩负荷的条件中增加了机组频率和有功功率判据。若发电机出口断路器信号断开机组频率并未上升，同时功率未大幅度下降，则认为机组仍并网运行。发电机出口断路器信号断开同时机组频率上升，才确认甩负荷状态，调速器进入甩负荷状态。
3 PPWT-80-2.5微机调速器的组成
（1）电气控制部分
调速器的电气控制部分采用以德国西门子S7-300系列PLC为控制核心构成，主要采集水轮发电机组的运行数据、接收来自机组控制系统的命令，并对各数据和命令进行分析和运算，产生控制信号控制调速器机械液压系统，完成对水轮发电机组的开机、停机、紧急停机、增减负荷、频率调节和功率调节等操作。内置一次调频和建模实验功能，并配有建模实验所需模拟量和开关量；具有开度调节和功率调节下的一次调频功能，满足电网要求，采用双PID运算模式，集成了功率调节模式下的PID算法，更好满足AGC要求和一次调频要求。采用3路测频冗错热备模式，1路网频，1路残压，1路齿盘。可编程控制器PLC采用德国西门子公司产品，开关电源采用台湾明伟产品，比例阀驱动器采用德国力士乐产品，采用12寸真彩高清液晶触摸屏为人机界面HMI，人机界面除了常规的显示操作外，还具有参数设置、故障分析、事件记录、在线试验、在线帮助等辅助功能。
图1 调速器电气调节系统框图
（2）机械液压部分
调速器的机械液压系统采用双反馈定位式大流量液压控制阀，整体结构取消了引导阀，减少了一级放大，由此液压系统的响应频率更快，彻底解决了引导阀发卡的问题。机械液压部分采用主配压阀内部液压双反馈闭环技术，实现了液压自动复中，现场不需要零位调整。主配活塞采用衬套结构，可防止在安装过程中的变形而造成的活塞发卡；同时活塞与衬套材料为38CrMoAl且经过氮化处理后洛氏硬度可达到HRC60以上，大大延长了使用寿命。主配活塞衬套高精度的间隙配合经实测静态漏油量小于0.15L/min,可保证油泵启动间隔在5小时以上。主配活塞、衬套与阀体无同轴度要求，方便了检修和维护，对维护人员无过高的技能要求。
图2 机械液压系统图
4 安装过程的技术问题
在施工过程中，由于实际条件的影响，部分设备的安装与设计联络会协商的有所改变。改变主要有两个，第一是事故配压阀的安装，考虑到安全与美观，由计划安装在墙体改为安装在专门搭建的平台；第二是纯机械过速保护装置的安装，由于我公司图纸上标注的大轴直径为415mm，而实际安装的大轴位置直径为409mm，但在设计、生产、安装齿环的时候是按照415mm为内径设计生产的，因此存在安装问题，武汉三联电工有限公司给出了解决方案：在齿环内垫一圈铜片，根据间隙大小来确定铜钱的厚度，齿盘的宽度为40mm，铜片的宽度要大于齿盘的宽度，铜片的宽度为60mm，铜片上下要翻边10mm，确保铜片不上下滑动，两个半环之间的螺栓必须固定牢固，这样安装可以保证运行的可靠性。
5调试试验
在2018年12月初，一号机组调速器及纯机械过速保护改造项目的所有设备均安装完成，通油通电试验动作正常。随后联系广东电科院能源技术有限责任公司进行调速器改造投运前的相关试验：
5.1原动机及调速系统参数实测及建模试验
（1）在流溪河发电公司一号机原动机及调节系统测试中，完成了机频通道校验、控制方式、调节模式切换试验，模拟机频断线、模拟导叶开度反馈、功率反馈故障试验，电液伺服机构最大动作速度测试、试验水头下导叶开度与有功功率对应关系测试、死区测试、增减负荷的测试、频率扰动的测试等性能测试。
（2）依据相关规范，根据现场实测试验数据，通过拟合辨识获取了模型仿真所需的电子调节器PID调节参数（KP、KI和KD）、人工频率死区Ef、永态转差系数bp、执行机构开启和关闭时间常数Tc，To，执行机构PID调节参数（Kp、Ki和Kd），水锤效应时间常数Tw，功率信号延迟时间，导叶开度与机组功率对应关系及机组惯性时间常数Ta等参数。模拟仿真结果表明，所获得的参数是准确的。
（3）依据PSD-BPA暂态稳定程序，搭建的电子调节器（GM\GM+卡）、导叶执行机构（GA\GA+卡）及原动机（TV卡）模型能够准确仿真实际机构的动作，通过将仿真曲线与一次调频动作曲线对比，结果趋势一致，调节过程吻合。
（4）广东电科院能源技术有限责任公司报告最终给出了原动机及调速系统参数实测及建模试验合格，流溪河发电公司一号机组电力系统稳定计算用调节系统及原动机模型及参数，可为系统稳定性分析及电网日常生产调度提供计算依据。
5.2一次调频试验
（1）调速器开启、关闭方向的线性度误差均别为0.23%，满足规程中εx≤5%的要求；转速死区（调速系统迟缓率）为0.0132%，满足相关标准中ix≤0.02%的要求。
（2）永态转差率（速度不等率）实测值与设定值一致，设定为4%，满足《规定》要求。
（3）一次调频死区实测值与设定值一致，设定为±0.05Hz，符合《规定》要求。
（4）调速器开度模式下的一次调频参数设置为bt=8%、Td=3.0s、Tn=0s，该参数下的一次调频性能符合《规定》要求。
（5）一次调频投入后，在电网频率越过一次调频死区后，机组一次调频动作正常，一次调频响应特性符合《规定》要求。
（6）当电网频率越过一次调频死区，AGC无新指令下达时，机组一次调频动作过程AGC调节不进行干预，未出现一次调频与AGC负荷控制矛盾的现象。
（7）在AGC新指令与一次调频同时存在时，调节系统调节结果为一次调频优先，AGC指令被闭锁；一次调频动作复归后，机组负荷与AGC指令一致。
（8）广东电科院能源技术有限责任公司报告最终给出了通过一次调频试验，流溪河发电公司一号机满足一次调频运行管理规定的要求，当电网频率超出50±0.05Hz时，机组能够正常参与网频的调节，一次调频功能可以正常投入，各项指标满足相关规程的要求，可以并入电网运行。
5.3调速器改造后验收试验
（1）广东电科院能源技术有限责任公司报告通过试验测试了调速器各项性能指标，验证了调节参数的合理性及相关逻辑的正确性。结果证明改造后的流溪河发电公司一号机组调速系统技术性能指标良好，达到了相关技术规范的要求，验收试验合格，可保证机组正常安全稳定运行。
（2）模拟线路故障甩100%负荷过程接力器不动时间偏长，机组转速上升率为139.79%，接近140%的过速保护动作值。导叶全程关闭时间（折算值）为4.57s，为降低转速上升值，可缩短关闭时间，但此方式会造成水压上升率的提升，考虑到流溪河发电公司运行时间较长，压力钢管老化，甩负荷造成的水压上升会对过水流道造成水锤冲击，提升水压上升率存在一定的安全风险，因此不建议导叶关闭时间缩短。流溪河发电公司日常运行负荷保持在11MW，极少满负荷工况运行，线路故障造成12MW负荷甩负荷的极端情况基本不会出现。经综合考虑，在保证机组安全的前提下，广东电科院能源技术有限责任公司建议将过速保护值调至141%~142%，避免触发过速保护。经流溪河发电公司生产经营部讨论决定，将一号机LCU过速停机定值改为142%。
(4）纯机械过速保护试验
纯机械过速保护试验时考虑机组运行工况，若真实将机组转速升至145%（725转/分）时，机组各部件震动加大，破坏性大，存在较大风险。并且纯机械过速保护装置已由武汉安施通电气有限公司进行了仿真测试，测试报告结果正常，故经与广东电科院能源技术有限责任公司沟通，此次机械过速试验采用静态模拟试验，以验证过速动作结果正确，其试验结果正确。
6结束语
此次流溪河发电公司一号机组调速器的改造，包括调速器的电气控制部分、机械控制部分、控制柜及相关的油管路进行改造，改造后调速系统新增一次调频功能和纯机械过速保护装置。一号机组新调速器自2018年12月投运至今，安全运行无故障，调节品质优秀，运行工况可靠。
参考文献：
[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
[2]《水轮机电液调节系统及装置技术规程》.DL/T 563-2016
[3]《水轮机电液调节系统及装置调整试验导则》.DL/T 496-2016；
[4]《水轮机调节系统并网运行技术导则》.DL/T1245-2013；
[5]《水轮机微机调速器用户手册》.武汉三联电工有限公司
作者简介:
李宝山，男，广东广州人，电气助理工程师，从事水电厂自动化控制方面的工作。
李东峰，男，长期从事水电厂调速系统设计研发工作，工业自动控制系统设计与集成。
王珍明，男，长期从事水电厂调速系统设计研发及现场技术工作。
万璟，男，长期从事水电厂调速系统技术工作。
论文作者:李宝山1,李东峰2,王珍明2,万璟2
论文发表刊物:《电力设备》2019年第9期
论文发表时间:2019/10/16
标签：调速器论文; 机组论文; 负荷论文; 频率论文; 系统论文; 功率论文; 死区论文; 《电力设备》2019年第9期论文;