浅谈尼那电厂调速系统改造的必要性

浅谈尼那电厂调速系统改造的必要性

李倩周灵美

（水电四局投资开发有限公司）

摘要：通过介绍尼那电厂的调速系统，针对实际运行状况及经常出现的问题，提出改造的必要性，通过改造提高调速系统的性能、效率、稳定性。

关键词：水轮机；调速系统；可靠性；稳定性

前言

尼那水电厂机组是20世纪90年代末从天津阿尔斯通公司引进的灯泡贯流式机组，装机4台，单机容量40MW，总装机容量160MW，额定转速107.1r/min，飞逸转速337r/min，发电机效率：98.05%。电厂负责该地区的民用及工业用电的供电任务，同时也负责保证负荷高峰期时地区电网稳定和供电质量。

调速器作为水轮机自动调速核心装置，承担着重要作用，关系到机组的性能和安全稳定。本文重点针对原调速系统存在的问题及改造后的性能进行了论述。

一、原调速器系统状况及存在问题

1、原调速系统简介

原调速系统由电液调节装置和可控系统组成闭环系统。为实现水轮机调节及相应控制作用而设置电气装置、液压部件、控制机构及指示仪表的组合，能实现转速调节或输出功率调节，并能实现启动、停机、紧急停机等操作。电子调节器，将被调量偏差按一定调节规律转换成电气输出信号偏差的一些环节的组合。随动装置使输出复现输入信号变化规律，具有功率放大能力，电子和液压部件组成的随动装置，在阶跃输入信号的作用下，系统输出信号随时间变化。采用齿盘、残压测频方式，齿盘测速有大齿盘、小齿盘，探头共有2个，分别送至ZKZ转速测控装置及SJ-22C转速测控装置，用于调速器测速和监控系统。残压取自机组PT。该系统自出厂以来运行超过十年，电子元件逐渐老化，设备故障率逐年提高，经常出现拒动、误动、超调现象，为电厂的安全生产埋下隐患。

2、存在问题

2.1稳态精度差。按照青海省调度控制中心要求，尼那电厂AGC投入使用，因调节能力差，在调度下发指令后，机组摆动厉害，负荷稳定速度慢，经常在7MW左右摆动，导致机组抽动严重，轴承瓦温升高；另外，单机负荷在38MW时，容易超调。某日，1#机、2#机、4#机有功负荷从23MW窜至52MW，大幅波动，有功PID调节退出，此类事情对机组伤害颇大。

2.2一次调频功能不能满足。一次调频投退功能通过把手接引，但一次调频动作信号不能实现，不能满足关于智能电网的要求。

2.3未引入水头信号，水头值长期保持一个值，使机组效率较低。

2.4长时间运行后，导叶、桨叶反馈值及主配值会发生变化，机组推力、前机架等部位存在振动、导叶不能关至零的现象，进行手、自动切换及主、备用切换时，机组发生振动。

2.5拐点、主配的位置调节难度大。

二、设计原则

调速器是并联PID双微机双调节电液调速器，电液转换器采用比例阀式。调速器具有出力控制、转速控制、开度控制、水位控制、涌浪控制、电力系统频率自动跟踪、导叶限位、导叶和桨叶协联、自诊断和容错、稳定等功能。人机接口显示系统可在线修改，实时清楚地显示调速器工作状态的各项参数、各种故障信息。可以方便地进行操作及运行参数监视。调速器机械部分电液转换单元采用高性能比例伺服阀作为控制系统。机械液压部分和电气控制柜分开设置，机械柜布置在回油箱上。当接到开机令后，闭环调节投入，将机组频率与频率给定值或电网频率相比较，进行PID运算和调节。同时设置两个开限，一个为机组启动开限，保证机组启动快速；另一个为空载开限，保证机组开机超调量小，甚至无超调量，快速并入系统。这两个开限由软件通过水头值和机组特性查表确定，也可由用户在操作显示面板上直接给定。导叶则根据PID运算的值控制机组直至额定转速。对于双调节型调速器，桨叶控制系统同样始终处于闭环调节状态。开机前，导叶开度及机组转速均为零，桨叶开至启动角，自动开机后，当机组转速上升到80%左右，根据协联关系，桨叶将自动关闭到零。开机全过程实现闭环控制并且设有两个开限，这样可以实现机组开机过程快速稳定且无超调，方便机组快速并入系统。

三、性能及特点

1、稳定性：空载运行和并网运行时，调速系统能稳定地控制机组转速，机组在电网中与其它机组并联运行时，调速系统也能稳定地在零线到最大出力范围内控制机组出力。在接力器处安装位移传感器，利用控制系统的软、硬件闭环反馈提高系统调节精度和稳定性。

2、静态特性

静态特性曲线近似为一直线，其最大非线性度不超过5%。

转速死区：在任何导叶开度和额定转速下，接力器的转速死区不超过额定转速的0.02%。

3、动态特性：

（1）由电子调节器动态特性示波图上求取的Kp、Ti与理论值偏差不超过±5.0%。

（2）机组甩100%额定负荷后，在转速变化过程中偏离额定转速3%以上的波峰不超过2次。

（3）机组甩100%额定荷后，从接力器第一次向开启方向移动起，到机组转速波动值不超过±0.5%为止所经历的时间应不大于40s。

4、频率测量与调节：可测量机组和电网的频率，并实现机组频率的调节和控制。

5、频率跟踪：当跟踪功能投入时，机组频率自动跟踪电网频率，可实现快速自动同期并网。

6、自动调整与分配负荷：机组并入电网，调速器将根据其整定的bp值和电网频差，自动调整机组的出力。

7、负荷调整：可接受上位机控制指令，实现发电自动控制功能（AGC）。机组并网后，频给自动整定为50Hz，bp置整定值，实现有差调节，切除微分作用，并投入人工失灵区。

8、开停机操作：接受中控室或上位机指令，实现开停机操作。

9、手动操作：具有电手动和机械手动操作功能，并可无条件、无扰动实现自动运行与手动操作的相互切换。导叶控制部分手动和自动的相互切换可做到无条件、无扰动地进行。自动运行时，当电气部分发生故障，驱动装置的控制信号将自动被切断，调速器无扰动地自动转为手动运行，无需人为切换。必要时，也可进行手自动切换操作，将调速器切为手动运行。手动运行时，可编程计算机调节器能自动采集反馈信号（相当于导叶接力器开度信号），并使调节器的输出与其相等。因此，只要电气部分正常工作，即可做到将手动工况切换至自动工况，接力器不会产生摆动。

10、能采集并显示调速系统的主要参数，如：机组频率、电网频率、导叶开度、调节器输出和调节器的整定参数等。

11、有完善的通讯功能，标准、可靠的接口，能方便地实现与上位机的通讯。

12、当有水头信号参与调节计算时，调速器采集4－20mA的水头信号，通过A/D采样计算，得到适时的水头信号（即自动水头信号）。

13、导叶桨叶协联关系优化：有可靠的电气协联，使转轮桨叶按导叶接力器与转桨叶接力器之间的最优关系来使水轮机转轮桨叶定位，运行过程中，桨叶开度与导叶开度保持最佳配合关系，减少了耗水率，提高了水轮机的运行效率。

14、实现一次调频功能，一次调频响应滞后时间、目标偏差等均符合电网对一次调频参数的要求。

15、安全保护装置

（1）故障保护：发生系统故障或电源消失，除了停机回路和导叶开度限制机构保留可操作性外，调速器保持导叶在事故之前的位置，对于大事故，机组停机，电气柜上的指示灯指示故障，调速器有失灵接点信号输出。

（2）分段关闭信号：调速器给出导叶分段关闭信号，便于调整。

（3）防飞逸保护信号：当油压装置的油压低于事故低油压时，自动操作重锤直接关闭导叶，同时有2对以上电气上相互独立的接点引出。

（4）当调速器主配压阀拒动及转速升高到115%额定转速后，自动操作事故配压阀快速停机。当机组转速继续升高到140%额定转速时，自动操作重锤关机，同时分别给出2对以上电气上相互独立的引出接点。

四、结束语

该调速系统满足调频、调峰、调相和事故备用各项要求。解决了一直困扰水电厂的配置、功能、控制策略等问题。通过改造，机组及调速系统的各项技术性能、机组出力、可靠性、稳定性都得到了较大提高。