大峽水電站機組增容改造后調(diào)速器失電關(guān)機功能的實現(xiàn)

張沛鈺 薛斌

摘 要：大峽水電站調(diào)速器采用以失電自復中型主配壓閥為核心的電液比例閥伺服系統(tǒng)，但此類型電液控制系統(tǒng)已滿足不了國家電網(wǎng)相關(guān)要求。鑒于此，以機組增容改造為契機對調(diào)速器進行優(yōu)化，利用新型伺服比例閥自身具有“失電保護”位的特性，實現(xiàn)調(diào)速器系統(tǒng)控制電源消失后導水機構(gòu)自關(guān)閉功能。增容改造后機組失電關(guān)機功能實驗良好，同時也滿足了國家相關(guān)標準要求。

關(guān)鍵詞：調(diào)速器;主配壓閥;伺服比例閥;失電關(guān)機

0? ? 引言

大峽水電站位于甘肅省白銀市和榆中縣交界處的水川鄉(xiāng)境內(nèi)黃河干流上，為日調(diào)節(jié)水庫，以發(fā)電為主，兼顧灌溉等綜合利用效益。大峽水電站共4臺機組，單機容量為75 MW，于1998年正式并網(wǎng)發(fā)電，保證出力154.1 MW，多年平均發(fā)電量14.92億kW·h，電站以220 kV一級電壓出線，接入甘肅電力系統(tǒng)，在電力系統(tǒng)中擔任基荷和調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù)，是甘肅電網(wǎng)的骨干電廠之一。

1? ? 機組增容改造前調(diào)速器概況

大峽水電站水輪機調(diào)速器采用了SAFR-2000H型32位雙微機雙通道冗余控制結(jié)構(gòu)電氣柜和ZFL/D型調(diào)速器液壓控制柜，主要由液晶平板工控機、各數(shù)字/模擬模件、A/B套系統(tǒng)插箱、主配壓閥、電液伺服比例閥、容錯及手動控制閥、緊急停機閥、油路切換閥、節(jié)流閥及液壓管路等主要部分組成，主要實現(xiàn)以下調(diào)節(jié)控制功能：（1）執(zhí)行機構(gòu)在接收到操作指令后動作，實現(xiàn)機組的開/停機、緊急停機等命令;（2）檢測并診斷各元器件和模塊的運行情況，實現(xiàn)故障自診斷功能并進行容錯控制的切換;（3）在不同工況下機組根據(jù)負荷自行調(diào)整有功功率，使機組轉(zhuǎn)速控制在標準范圍內(nèi)，或按某一預定的規(guī)律變化;（4）根據(jù)當前水頭實現(xiàn)開機過程的最優(yōu)控制和負荷限制，實現(xiàn)協(xié)聯(lián)工況運行;（5）自動調(diào)整與分配負荷，機組并網(wǎng)后，按照永態(tài)轉(zhuǎn)差值系數(shù)的大小，根據(jù)機組頻率與給定頻率的差值自動調(diào)整水輪發(fā)電機組的出力，實現(xiàn)電網(wǎng)的一次調(diào)頻等。

2? ? 機組增容改造后調(diào)速器存在的問題及分析

大峽水電站調(diào)速器目前采用的是以失電自復中型主配壓閥為核心的電液控制系統(tǒng)，在機組帶負荷運行過程中，如出現(xiàn)控制系統(tǒng)電源消失的事故情況，導葉開度維持不變，機組繼續(xù)運行，使得機組有效避免了甩負荷現(xiàn)象，減小了系統(tǒng)負荷波動。但控制電源消失調(diào)速器還是存在一定的失控風險，容易導致機組飛逸等事故的發(fā)生。同時，《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項重點要求》（國能安全〔2014〕161號）[1]中明確提出：“大中型水電站應(yīng)采用‘失電動作規(guī)則，在水輪發(fā)電機組的保護和控制回路電壓消失時，使相關(guān)保護和控制裝置能夠自動動作關(guān)閉機組導水機構(gòu)?！北倦娬灸壳安捎玫氖щ娮詮椭行涂刂葡到y(tǒng)不能滿足這一要求。

3? ? 方案實施

針對以上存在的問題，大峽水電站以機組增容改造為契機，對調(diào)速器系統(tǒng)進行了重新分析與設(shè)計，將調(diào)速器控制機構(gòu)由原來的失電自復中型改為失電自關(guān)閉型，并對其保護和控制回路進行了優(yōu)化改進。

3.1? ? 主配壓閥更換

為滿足失電關(guān)機的功能，大峽水電站調(diào)速器導葉主配壓閥和槳葉主配壓閥均更換為MDV1150（DN150）失電自關(guān)閉型，結(jié)構(gòu)如圖1所示，電液轉(zhuǎn)換單元采用高性能的伺服比例閥組成的雙冗余控制系統(tǒng)，并配置有電手動綜合控制模件、緊急停機電磁閥等結(jié)構(gòu)，能夠滿足失電關(guān)閉功能的要求。此系列主配壓閥在主配行程位移傳感器上實現(xiàn)了冗余配置，最大程度地保證了電站安全、穩(wěn)定運行。

失電自關(guān)閉型主配壓閥主要組成部分包括活塞、閥體、閥套、主閥芯、上端蓋和下端蓋等，主閥芯上、下部分別為恒壓腔（H）和控制腔（C）。當恒壓腔通入恒壓油（或接通回油）時，控制腔接通回油（或通入壓力油），因各活塞桿作用面積不同，其受力也不相同，以此來實現(xiàn)對閥芯位置的控制。此功能由比例伺服閥完成。

恒壓腔活塞上部設(shè)置有定位塊，定位塊的上端為關(guān)機時間調(diào)節(jié)螺母，下端為開機時間調(diào)節(jié)螺母，通過調(diào)節(jié)螺母與定位塊的直線距離來限制主閥芯動作的極限位置，調(diào)節(jié)油口開口面積的大小，從而達到調(diào)整調(diào)速器開關(guān)機時間的目的。

其動作原理為當調(diào)速器液壓控制柜控制電源消失時，比例伺服閥切換至“失電保護”位，導葉主配壓閥控制腔（C）接通回油，此時，閥芯在恒壓腔（H）壓力油的作用下向下運動，使得接力器關(guān)機。

3.2? ? 伺服比例閥更換

伺服比例閥能夠把輸入的電氣控制信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)流量控制信號并輸出，為滿足相關(guān)要求，大峽水電站選用型號為0811404603的伺服比例閥組成的雙冗余控制系統(tǒng)，其閥位機能圖如圖2所示。該伺服閥閥芯裝備了位置控制傳感器反饋，可將反饋信號引入電路形成閉環(huán)控制，因此控制精度很高（行程控制精度達1‰），閥的滯環(huán)和不重復性均很小。在調(diào)速器機械液壓柜斷電的情況下，即供電電壓小于DC18 V時，伺服比例閥切換至“失電保護”位，導葉主配壓閥控制腔（C）接通回油，此時，閥芯在恒壓腔（H）壓力油的作用下向下運動，使得接力器關(guān)機，實現(xiàn)失電關(guān)機的功能。

3.3? ? 電源系統(tǒng)改進

大峽水電站對調(diào)速器機械液壓柜的電源系統(tǒng)進行了優(yōu)化改進，如圖3所示。

其電源系統(tǒng)主要采用一路AC220 V輸入，兩路DC220 V輸入，交流經(jīng)過變壓器隔離，再通過兩個雙路供電模塊和兩路直流并聯(lián)，送到兩個開關(guān)電源，最后兩路DC24 V輸出通過兩個二極管并聯(lián)為整個系統(tǒng)供電，并實現(xiàn)電源冗余，單個電源容量已達250 W，足夠滿足系統(tǒng)用電容量。此外，增加了相應(yīng)的電源監(jiān)視繼電器，包括：K1—AC220 V輸入電源監(jiān)視，K2—DC220 V Ⅰ路輸入電源監(jiān)視，K3—DC220 V Ⅱ路輸入電源監(jiān)視，24 V電源監(jiān)視接點則從兩個開關(guān)電源引出。在電源監(jiān)視繼電器K1、K2、K3中各取一個常閉接點并串聯(lián)（圖4），送出“失電關(guān)機”故障信號至監(jiān)控系統(tǒng)。