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安康水力发电厂发电机组调速器与运行工作

邹刚

（安康水力发电厂陕西省安康市725000）

【摘要】安康水力发电厂水轮机调速器采用了南京电力自动化研究院生产的SAFR-2000调速器。

该水轮机调速器除具备一般调速器所必备的各种调节及控制功能外，在可靠性、操作性、维护性、扩展性以及模块化智能化和完善友好的人机界面上具有更大的优势。

该水轮机调速器在安康水电厂的运用证明，其完全满足电站对调速系统灵敏性、速动性、稳定性和可靠性的要求，提高了安康水电厂机组自动化控制水平和安全经济运行水平。

本文简要介绍SAFR-2000型调速器的构成，主要针对已投入运行的4台机组的调速系统日常工作中的检查维护项目和调速器近期故障分析，并提出改进意见。

【关键字】安康水电站调速器运行维护故障分析改进意见

【概述】安康水电站位于汉江上游，装有四台200MW混流式水轮发电机组，在系统中主要担任调峰、调频和事故备用任务，是陕西电网和汉江上游梯级开发中装机容量最大的水电站。

1990年底第一台机组并网发电，1992年底四台机组全部投入运行。

水轮机调速器是水电厂的重要机电设备之一，其技术性能将直接关系到电网和机组的安全、经济运行，影响电能质量。

水轮机调速器的主要作用是当电力系统负荷发生变化时，及时调节被控水轮发电机的导（轮）叶开度，从而使机组（系统）的频率在允许的范围之内，并与发电厂的计算机监控系统一起完成水轮发电机组的自动开停机、负荷调整、自动发电控制（AGC）及事故状态下的紧急停机等操作控制功能。

安康水电厂发电机组调速器由SAFR-2000调速器电气柜（以下简称电气柜）和DDT-150液压调节柜（以下简称机械柜）两部分组成,其控制原理图如下图所示。

电气柜主要接收处理远方自动控制命令，向机械部分发出自动控制和调节指令。

机械柜主要接收电柜自动控制指令，将电气调节信号转换成流量信号，进而操控水轮机接力器，开关导叶，控制机组转速；也可以进行手动操控，达到调节机组转速的目的。

SAFR-2000调速器的系统结构如下图

容错控制阀

电柜伺服比例阀伺服缸主配压阀主接力器水

轮

位移传感器手动操作机构机

数字式位移传感器

一．安康水电厂发电机组调速器的构成

（一）SAFR-2000调速器电气柜

1．主要功能：

1）保证水轮发电机迅速开机、停机、并网及增减负荷；

2）保证水轮发电机稳定运行于空载、发电、调相、停机和手动等工况；

3）保证无冲击地进行手动/自动的相互切换及双机切换；

4）保证在空载运行时使机组频率按预先设定的频差自动跟踪系统频率；

5）具有自动水头和手动水头双重输入功能，从而有效克服水头波动及水位变送器失效的影响并保证无扰动切换；

6）实时诊断容错及故障保护功能：

●双机冗余：

采用两套完全相同的微机系统（A、B），互为备用；通过故障自诊断进行双机无扰动切换；严重故障时可自动切换至手动运行。

●频率容错：

实时自动诊断机组频率及系统频率，保证全部调节任务的正常完成且不造成负荷冲击。

●行程容错：

实时自动诊断导叶行程输入，保证水轮发电机自动稳定运行。

●水头容错、液压容错、电源容错、功率容错

2．SAVR-2000调速器运行界面由5个窗口组成，分别为：

1）主控窗：

是运行时的主窗口，正中显示当前机组工况状态和调速器的主要状态；

2）设置窗：

用来对运行参数进行设置，如人工水头，一次调频参数等；

3）信息窗：

用来显示系统的主要控制量及内部参数的当前值；

4）开关量：

用来显示外部开关量操作命令，有油开关、开机令、停机令、减少令、增加令；

5）报警窗：

用来显示故障报警和故障诊断处理信息，故障一旦被监测到，在窗口中一直保持报警，直到手动复归，A、B套系统分别报警。

3．SAVR-2000调速器硬件组成

由A、B两个结构、功能完全一致的系统组成，其分别又由一套标准插件及插箱构成，下面分别介绍各模件的原理及功能：

1）主机模件：

SAVR-2000调速器的实时控制软件以及智能调试软件的下位机部分均在主机模件中运行处理。

其基本调节原理：

采用多环变结构变参数的控制系统，整个控制系统由主环和导叶副环组成。

主环控制是变结构的控制机构，变换的原则是适应当时的运行工况和控制方式以获得最优的调节品质，或者在故障情况下弱化故障。

主环的变参数决策是由下述的条件来决定的：

运行情况（空载运行、跟踪系统频率、并列带负荷运行、甩负荷、过速等工况）、水头、导叶开度，根据上述条件，CPU分析判断后选择适当的参数。

2）采样模件：

主要完成整个装置的多种控制反馈信号的采集工作.

其工作原理为：

系统频率、残压测频信号经隔离变压器输入，经过一系列处理后送主机模件进行处理；导叶主接力器行程信号由WSB-1型数据式位移变送器产生的，经过一系列处理后送主机模件，算出相应的行程采样数据。

3）控制模件：

主要完成控制信号和位移变送器励磁信号的输出控制工作。

其工作原理是：

接收主机模件输出的导叶调节信号，经过一系列电路处理，由输出切换继电器控制切换，最后送到电液转换器线圈上去，由此控制导叶开度从而达到调节机组频率和负荷的目的；同时控制模件上的变送器产生方波信号，作为WSB-1型数据式位移变送器的励磁电源。

导叶输出回路引入了切换继电器，当装置诊断到某种危机机组安全运行的紧急故障时，装置将切除输出继电器，也就是切除了电液转换器线圈上的控制信号，以保证导叶不动。

4）数字模件：

主要完成开关量信号输入采集和输出控制功能。

其工作原理为：

外部开关量输入指令输入后经过一系列电路处理上送主机模件处理；主机模件的开关量输出指令下发至数字模件，控制输出继电器的同断状态。

5）模拟模件：

主要完成模拟信号的输入采集和输出控制功能。

主要采集8路模拟量输入信号，包括水头、功率等；

工作原理是：

外部模拟量信号经模拟模件处理后上送主机模件，输出量下发至模拟模件，经隔离、驱动后输出。

6）双机切换模件：

主要功能是根据A、B系统的工作状态、故障情况进行主从机切换控制。

其工作原理是：

A、B套系统的工作状态、故障信号以及切换按键状态分别送给逻辑电路，通过预设的切换逻辑，选择控制系统的主从机状态。

产生的主从机切换信号返回A、B系统，同时通过对输出切换继电器进行控制，切换控制信号的输出。

切换原则如下（主机运行时对应指示灯亮）：

●当A、B套系统都在运行情况下，且没有任何故障，就以切换按键所选择的系统控制输出，切换按键按下为B机主机，按键弹出为A机主机；

●当A、B套系统中一系统有故障，另一系统工作正常，不管选择那个系统，都由工作正常的系统控制输出；

●当一系统调试，另一系统运行，无论运行系统有无故障，都由运行系统控制输出；

●当双系统都调试，无论故障与否，都由被选系统控制输出；

●当双系统均无控制能力，装置切手动运行。

7）双重供电模件：

主要功能是，自动切换输入的220V交流电源和直流220V电源，经整流、滤波处理后产生直流220V电源输出，保证装置的可靠供电。

8）组合电源模件：

主要功能是，将双重供电模块提供的直流220V电源变换为1路+5V电源输出和2路±12V电源输出，各组电源相互独立，分别为插箱内数字系统及输入、输出系统供电，实现电气隔离。

（二）DDT－150调速器液压调节柜

1．主要功能：

1）水轮机转速单击调节；

2）空载运行时，能自动跟踪系统频率；

3）能保证机组在下列工况下稳定运行：

空载、并列带负荷、调相运行；

4）机组并入系统后能根据系统要求自动调节所带负荷及按照电网的调差要求，自动调节电网频率；

5）当机组出现突然故障时，可自动紧急停机，以保证机组和调节系统安全；

6）实现机组的手动及自动开、停机；

7）实现手动脉冲控制与电柜自动控制之间的无扰动切换。

2．DDT－150调速器液压调节柜由以下几个部分组成：

1）液压控制部件。

包括：

伺服比例阀、容错控制阀（脉冲控制阀）、液压开限缸与伺服缸控制切换阀、伺服控制与容错控制切换阀、节流截止阀、紧急停机阀组、紧急停机缸、伺服缸及液压集成块。

2）液压开限操作部分；

3）液压放大部分：

引导阀、辅助接力器和主配压阀；

4）滤油器、指示表、指示灯、按钮；

5）机柜壳体。

3．DDT－150调速器液压调节柜部件工作原理

1）伺服比例阀控制：

其功能是把输入的电气控制信号转换成输出流量控制。

在电磁铁断电时，阀具有“故障保险“位置。

2）容错脉冲控制：

其是在液压控制回路中是由锥式电磁插装阀来实现的，本装置中容错方式既可以与电柜配合实行闭环控制，又可以作为纯手动控制方式，在现场或远方实行开还控制，插装阀的最大特点是无泄漏和防发卡能力强。

因为它是一个开关阀，经过它的流量是由串于其油路上的节流阀来控制的。

3）伺服缸：

它的作用是将输入流量按比例地转换为位移输出，它是一个差压缸，具有很好地回中性能。

4）液压开限手操缸控制与伺服缸自动控制切换

从液压系统原理图可以看出，由伺服缸切换为液压开限缸控制，也就是将液压开限压下，使平衡杆到达平衡位置即中位，这时，要求伺服缸不再起控制作用，为了不使伺服缸活塞影响平衡杠杆上台（开机动作），因此，在手操缸控制时必须将伺服缸活塞上升到最高位置。

才用双电磁铁带定位地切换阀可达到这一目的，当左边地电磁铁励磁，阀内油路切换为液压手操缸控制时，上述目的便达到。

同时，伺服缸活塞杆上所带碰块会触动行程开关，使之向电柜发讯，并点亮机械柜面板上的指示灯。

5）容错功能切换：

容错功能切换阀是一个带弹簧复位的单电磁铁滑阀，正常工作情况下，电磁铁励磁，伺服缸由伺服比例阀控制动作。

一旦伺服比例阀出现异常情况，则电柜切除容错切换阀电磁铁的电源，该阀弹簧力复位，同时电柜输出信号自动转化为脉宽容错信号，控制伺服缸动作。

6）紧急停机部分

紧急停机是采用停机缸活塞压平衡杆的方法，从而再压引导阀芯导致停机。

为了是停机动作可靠，再控制油路上采用两个单电磁铁的滑阀，构成双保险。

停机缸为差压式油缸，上腔通恒压油，在机组正常运行的情况下，油缸下腔通回油，一旦得到停机信号，只要有一只阀正常工作，就能给停机缸下腔输入压力油，从而实现紧急停机。

这时，停机缸活塞杆上的碰块触动行程开关，使之向电柜发讯并点亮机械柜面板上的指示灯。

7）液压开限控制部分

它主要是作为机械开度限制来使用的。

它包括一只三位四通电磁阀，一只液控单向阀，外缸体、内缸体、活塞、标牌、指针。

与主接力器相连的反馈钢丝绳的另一头跨过内缸体上端的两个定滑轮固定于外缸体上。

液压开限机构－平衡杆－引导阀－主配压阀－主接力器，组成一个闭环控制回路。

8）主配压阀部分

主配部分是由主配阀体，主配阀套、主配阀芯（辅助接力器与主配阀芯做成一体），主配阀芯复中弹簧，引导阀芯、引导阀套、引导阀芯弹簧及开、关机时间调整螺栓组成。

引导阀芯和辅助接力器构成一级液压放大。

主配压阀芯与辅助接力器是联为一体的，所以当引导阀向一个方向动作一个距离时，主配阀芯也同时向跟着向同一方向动作同样一个距离，这就实现了主配压阀与引导阀的1：

1的位置随动关系。

主配压阀与主接力器构成另一级液压放大。

当主配阀芯自中间位置向上升时，接力器活塞向开机侧运动，反之，接力器活塞向关机侧运动。

引导阀芯下端的弹簧及有关零件组成的复中装置，使得充油前机械零点调整方便，可避免充油过程中，接力器得强烈撞击。

主配阀芯下端得弹簧及有关零件组成的复中装置，在压力油失压时，可使机组暂稳于原来的运行状态。

机组的开关机时间是通过调节主配压阀芯上端横板上下的限位螺母来实现的。

调整上端的螺母行程，就可限制主配压阀开机时的最大行程，从而达到调节主接力器全开时间的目的，同样道理，调节下端螺母的距离就可以调节主接力器的全关时间。

但要求，在任何时候必须保证同一端的螺母距离在同一高度，以使限制机构受力均匀对称。

二．日常运行工作中对机组调速器的维护及操作

（一）SAVR-2000调速器装置投入运行的监视：

1.电源监视：

●装置的交、直流电源空气开关合上后，两套下位机双重供电模件上相应的电源指示灯（AC220V、DC220V）应点亮；

●两套下位机双重供电模块开关合上，电源输出指示灯（OUT）应点亮；

●两套下位机组合电源模块开关合上，所有模件上电源指示灯应点亮；

●若有灯不亮，可能是电源断线，空开跳闸，相应的指示灯坏，则相应的系统不能投入。

2.通信监视：

通信正常时，主机模件“RXD0”“TXD0”应不断闪烁，闪烁周期为800毫秒，上位机运行界面上的数据应不断刷新。

若通信不正常，请检查通信电缆、上位机通信口及主机通信电路。

3.下位机监视：

主机模件：

●STATUA灯：

闪烁周期2秒表示正常；周期1秒表示一般故障；周期0.5秒表示严重故障；不闪烁表示系统严重故障；

●RUN灯：

闪烁周期2秒表示正常；

4.上位机监视：

●通信建立后，对工控机运行界面进行监视；

●界面上显示的导叶开度、机组频率、系统频率是否与实际开度、实际频率相符；

●界面上的各种给定值是否正确，界面上水头、有功功率、开县设置值是否符合实际情况。

（二）SAFR-2000调速器装置的正常操作：

1.电气开度限制的设定方法：

●电气开度限制的作用及动作过程与常规的电液调速器中机械开限相类似。

●机组运行于停机工况时，电气开限处于全关的位置上；

●机组运行于空载工况时，开机过程中电气开限位于比当前水头下的空载开度高10％的位置。

开机完成后，电气开限位于比当前水头下空载开度高5％的位置。

●机组运行于发电工况时，机组并网后，电气开限自动打开到当前水头下最大允许导叶开度的位置，若设定的各种水头下的最大允许导叶开度不一样，则在运行过程中水头的变化会引起电气开限的变化。

●当机组甩负荷时，电气开限在跳闸后由发电时的限制值变到空载开限时的限制值。

2.频率给定的设定方法：

对装置而言，频率给定和功率给定使用同一的操作把手，而给定把手操作的功效由计算机根据机组运行的工况来决定。

空载时，操作把手的操作表示频率给定，发电时表示功率给定。

当机组运行于空载工况时，装置具有按预先设定的频率自动跟踪系统频率的功能，故正常情况下不需要运行人员操作给定把手来调整频率给定，只有当系统频率或机组频率的反馈通道发生故障时，报警界面有系统频率或机组频率故障光字显示，才由运行人员操作给定把手来调整频率给定，以满足同期并网要求。

给定的范围是45Hz-55Hz。

给定速率已经固化。

3.功率给定的设定方法：

当机组运行于发电工况时，可由运行人员操作中控室给定把手来调节机组的出力，在对机组进行功率给定操作时，从机系统自动跟踪主机系统，故不需要对从机系统进行设置。

4.机组启动的操作过程

当发出机组启动命令，首先自动化系统按运行规程的要求完成一系列的开机准备操作，在机组具备开启导叶的条件后，再由水机自动化回路向装置发出机组启动命令，装置接到开机命令后将延时2秒以确认开机令的真实性。

然后装置根据当前水头，首先将导叶开启到启动开度，待机组转速上升到90％Ne后导叶逐渐关回到空载开度，并按预先设定的频差自动跟踪系统频率，等待同期并网。

启动开度比相应的空载开度大10％，电气开限则位于启动开度的位置。

5.机组发电的操作过程

机组同期并网后，电气开限将位于当前水头下导叶最大允许开度的位置上，允许运行人员开关导叶来调整机组负荷。

运行人员可修改电气开限使机组限负荷运行。

若机组甩负荷，装置油开关中间接点断开为依据，迅速将导叶开度关闭至空载开度以下，以防止过速。

若机组转速下降过快，导叶将提前开启，防止机组空载低速运行，甩负荷时，油开关断开后，电气开限由发电限制转为空载限制。

6.机组停机的操作及过程

当发出机组停机令，装置收到停机命令后延时2秒以确认停机命令的正确性。

若机组原先处于发电工况，则装置将自动的将导叶开度减少至空载开度，等待运行人员操作油开关跳闸，开关跳闸后，继续减小导叶开度至全关。

然后电气开限也将关回全关位置。

机组停机后，装置上的导叶平衡表始终能观察到关机信号。

再机组空载运行时，停机命令的优先级高于开机令，只要由停机令就执行停机操作。

机组停机过程中，若装置A、B套系统均投入运行，则当运行系统出现故障，首先切换至备用系统运行，若备用系统也出现同类故障，则区别故障性质，一般性故障则装置将按容错控制方式继续运行。

此时，运行人员可以继续按规定操作机组，其运行工况也可改变。

严重性故障则装置将机组切换手动运行方式。

7.装置的故障监测

装置检测到的故障均在上位机故障窗口上有相应的故障光子显示，全部的故障情况分两类：

一般性故障和严重故障，A、B套系统均有相应的故障报警，并自动采取相应的处理措施，以防止危机机组的安全运行。

一般性故障有：

机组频率故障；电网频率故障；导叶故障；水头采样故障；导叶零点漂移；

严重故障有：

导叶液压故障；导叶控制故障；接口电源故障；系统总线故障；

上述一般性故障、严重故障均是对单套系统而言，一般性故障是指该类故障发生，系统能按容错方式继续维持机组的正常运行，不会危及机组的安全。

严重故障指发生故障时，系统无法对机组进行正常控制，可能会危及机组安全运行。

（三）运行方式及运行维护：

1.调速器的控制方式有：

伺服控制方式、自动脉冲控制方式、手动脉冲控制方式、液压开限控制方式。

2.机组在运行、备用中，严禁非值班人员调试、整定参数。

调速器有关参数改变、整定必须征得当值值长的同意。

参数改变要做好记录。

3.“人工水头”的设置应根据实际水头确定，水头的设定值与实际水头值的偏差不得超过±3米，否则，应修改水头设定值。

4.修改水头应尽可能在停机状态下进行，发电状态下修改水头参数时，应注意负荷的变化或停机时的导叶关闭情况。

5.电气开限的设定：

电气开限是随着机组运行工况而改变，正常时不得在设置界面设置电气开限参数，必要时，设定电气开限参数，须征的值长同意，此时应考虑负荷的变化及开停机情况。

6.频率给定在机组空载运行工况下有用，当系统自动跟踪功能投入时，装置自动跟踪系统频率。

当其不投时，接收同期命令，并可人工调整。

7.调速器在“手动脉冲控制”或“液压开限控制”方式时，调速器应定点监视。

8.调速器在“手动脉冲控制”时间不得超过24个小时

9.当调速器机柜面板上的滤芯堵塞指示灯亮或滤油器进出油压指示压力表压差大于0.35Mpa时，应缓慢旋转滤油器手柄，使指针向另一只滤芯运行，并及时通知检修人员更新所堵塞之滤芯。

10.调速器A、B套系统均发生严重故障时，应将机柜“手动脉冲控制”把手“投入”，并定点监视，防止甩负荷时机组过速。

三．近期调速器故障现象及分析

日期

现象

处理

运行分析

2005-06

-07

3F调速器工控机死机

已更换CPU及风扇，试验合格，可以投运

CPU运行温度过高，需加装临时散热风扇降低环境度

2006-08

-23

1F开机运行中，1F调速器电气柜A套信息量死值，B套显示正常但自动无法调节

更换调速器电气柜A套模拟量插件，开机试验，A、B套切换试验正常

电气柜A套模拟量插件损坏，电气柜严重故障且双机切换不良。

将调速器切“手动”运行，及时联系调度停机后处理

2007-01

-13

2F并网后，手动带负荷时电调抽动严重，经双机切换、滤网切换后故障依旧

检查发现电调功放板（PA）输出异常，调整后试验正常

功放板故障导致电气调节信号不稳定产生电调抽动。

处理时先排除电柜单套装置故障、滤网堵塞故障等常规原因，如无法恢复应手动停机处理

2007-03

-04

4F有功负荷从200MW调整至100MW后，负荷又自动加至180MW，且监控无法再次调整

4F电调A套采样板氧化接触不良，经打磨后试验正常

A套采样板氧化接触不良且未自动进行双机切换，致使电柜失灵。

将调速器切至“手动”方式，按调度命令调整负荷；复归信号，将电柜切至B套，监视是否能正常运行；及时联系停机处理

2007-03

-05

4F调速器电柜A套一般故障，AB套相互频繁切换，平衡表来回摆动，调速器抽动。

检查系A套采样板金手指氧化后接触不良引起，经打磨擦拭后实验正常

4FA套采样板经常出现氧化这就应该引起注意：

在安装，擦拭过程中，不能直接用手接触金手指，人手的汗液就留在了金手指上就造成了金手指的氧化；和厂房内的环境湿度大也有关系

2007-03

-26

1F停机时，手动减负荷为零，调速器切“自动”后，有功自动增加；再次手动减负荷至零后，A套“励磁电源故障”且未切换至B套

更换电调比例伺服阀后恢复正常

电柜调节信号通过比例伺服阀将电气信号转换为油流信号。

故障后应立即将调速器切至“手动”，隔离自动控制信号，停机后处理

2007-07

-17

3F有功功率从201MW上升至217MW后，又迅速下降到0MW，监控“3F调速器故障”，现地“A套液压故障”，“导叶行程越限”

经检查3F水车室调速系统反馈钢丝绳脱离，呈松弛状态；停机更换后正常

调速系统钢丝绳脱离，致使调速器电气柜采样量和实际量不符，导致导叶全关。

故障后首先应将调速器切“手动”，按网调令带相应负荷后，对故障进行查找处理；电柜无法正常运行，手动运行时需定点监视且不得超过24小时；及时联系调度停机后处理

2008-01

-20

4月17日，4F调速器机柜油过滤器漏油；

4月20日，4F调速器机柜下游侧滤芯堵塞报警

4F调速器机柜下游侧滤芯已更换

堵塞滤芯已更换

三天内滤芯频繁堵塞报警，可见4F调速系统压力油内存在杂质，经快联系有关部门更换调速系统用油

2008-04

-10

3F调速器B套参数与实际不符，且无法显示开关量状态的变化

3F调速器B套通讯检查工作结束，通讯故障是由插件接触不良所致

3F调速器B套参数与实际不符，且无法显示开关量状态的变化，就应切换为A套主机运行。

及时联系停机检修检查处理。

2009-04

-16-

3F调速器电柜工控机电源取自机组交流，倒厂用电时容易失电并报“3F调速器故障”光字。

目前3F工控机只有交流供电，需申请报批更换电源为直流220V带24V开关电源的工控机

为了机组安全可靠的的运行，尽快更换电源为直流220V带24V开关电源的工控机

四.调速器的改进建议：

根据对调速器近期的故障类型分析可以看出，导致故障发生的主要原因有：

机组震动，环境温度恶劣，滤芯堵塞，插件接线接触不良，元器件损坏、电气柜单套严重故障后未能自动切换，单电源供电。

接触不良主要是由插口氧化引起的；电气柜单套严重故障后未能自动切换则说明在电气柜的软件设计上还需要加以改进；工控机掉电是由于单电源交流供电。

因此，根据故障分析及日常工作中所遇到的问题，建议对调速器以及影响调速器正常工作的方面加以改进：

1.加强对调速器电气柜风机和加热装置的管理，尽量避免电气柜在高温和高湿度环境下连续运行，以及避免长时间在湿度大的环境下工作。

2.对调速器电气柜软件进行升级改进，当仅发生电气柜单套内部严重故障时，能自动切换到备用的一套运行。

3.将电气柜工控机电源改为交直流双供，可提高调速器安全稳定性。

4.尽快接入2F、3F调速器的自动水头。

5.减少机组在震动区内长时间运行，采取开，停机组时手动加减负荷（100MW以下）。

保证各插件不会在震动中松动脱落。

6.改造厂房通风系统，降低发电机层整体环境温度，加装临时落地风扇针对电器柜散热降温（打开盘柜后门后，须做好防鼠措施），使其各元件能在正常温度下工作。

7.