GE水轮机调速器在水电厂的运用及优化

GE水轮机调速器在水电厂的运用及优化

水轮机调速器是水轮发电机组的一个重要辅助 设备，除了完成调节机组频率任务外，还有多种控制 功能，如机组启动、停机、增减负荷等。水轮机调速 器通过外部开入开出、模入模出板件与发电机控制系 统交换数据并实行控制，调速器控制系统的运行直接 影响到发电机能否正常运行。本文以某电厂调速器改 造为例，阐述了 GE水轮机调速器在水电厂的运用及 优化。

1 概述

某电厂 #3水轮机调速器最初为 1990年投运的挪 威克瓦纳公司生产的“ LV26b'型机械调节柜和1998 年投运的南瑞电气控制公司“ SJ- 721”型双微机电气 调节柜。随着运行时间的增加，该调速器系统出现电 气柜板卡金手指接触不良、开关电源模件故障率、伺 服阀滤网易堵塞等故障现象，且故障率逐年增加，机 组负荷波动频繁发生，一次调频性能难以满足系统要 求。2010年 2 月，该厂决定水轮机调速器改造为美国 GE公司生产的Micronet /FCS00（调速系统，该调节系 统由一套 Micronet Plus 电气控制柜和一套由 FCS000 阀为主组成的机械液压控制柜组成。

2 调速器系统的运用及优化 为确保水轮机调速器控制部分与电厂原有自动控 制系统正确配合，确保整个系统安全运行。电厂组织 技术力量对调速器测速系统、 控制流程、保护、接口、 供电、PID参数等进行了优化，以实现对水轮发电机 的最优控制行。

2.1 转速测量优化 转速测量优化包括调节器测速系统优化和自动控 制系统测速优化。调节器测速包括 2 路齿盘测速、一 路 PT 测速；为保证安全性与独立性，专门设计另外 2 路齿盘测速供自动控制系统使用，且采用不同厂家、 不同测速原理产品。

测速装置与调节柜相对独立，用于产生满足机组 自动控制所需要的转速信号及过速保护使用。为保证 可靠性，调节柜也可输出转速信号（ 为备用方式 ），若 测速装置严重故障，则改用调节柜之转速信号输出。

测速装置以Siemens S7-200 PL硬件平台为核心，采 用Braun转速继电器D521、接近开关为主要元件，当

其中一套测量元件接近开关掉电或发生其它故障时， 装置能进行自动判断，并将转速测量信号切换到备用 通道，保持测速装置的正常运行。

2.2 控制流程优化

为与自动控制系统配合，设计有手动、自动开机 程序，手动开机时，开度由手动增减开度控制；自动 开机时，设计为：收到开机令与开度限制增命令时， 打开导叶至 15％开度，机组升速至 20％额定转速时， 调整导叶开度，转速以 1.3％／秒的速率升至 95％Ne 后，转速以 0.5％／秒的速率升至额定转速 Ne。

2.3 保护优化 设计上，调节器本身无事故信号，仅有故障报警 信号，调节器严重故障时，将执行自复中操作，维持 导叶开度不变，机组负荷不变。为保证安全，设计为 2路自复中串联，分别由冗余的 PLC控制，两套系统 均判断为时才执行自复中操作。在测速装置中，为保 证安全，设计有电气过速启动机械事故停机功能，机 械柜部分保留原有机械过速紧急关闭导叶回路，当主 配压阀处于自复中运行状态时，若发电机并网开关跳 闸（偷跳或者远方切机跳闸时 ），机组将过速，为防止 此现象发生，增加了调速器自复中状态运行时，若发 电机并网开关跳闸，则启动机械事故停机回路，紧急 停机电磁阀动作关闭导叶，保证机组运行安全。多重 保护，确保安全。

2.4 接口优化

发电机自动控制系统以S5—115U型PLC为核心， 其主要控制功能包括：机组运行状态判别、启动允许 判别，开机流程执行、停机流程执行、紧急停机流程 执行等。为实现发电机正常控制，要模拟出：机械开 度限制机构位置 （全关位置、启动位置、全开位置 ）、 停机阀位置（工作位置、停机位置）反馈给PLC以保证 发电机PLC各种控制流程能正常进行。

经优化组合，模拟开度限制机构位置方法为：在 调速器软件中，增加用户程序，用电气开限模拟原开 度限制机构位置，增加、减少开度限制的命令送至调 速器开关量输入板，在调速器软件中设置与机械开度 限制位置相对应电气开限值 （0、 10％、 100％开度 ）， 通过开关量输出板反馈给机组PLC分别模拟PLC控 制所需要的全关位置、启动位置和全开位置。启动位 置的大小可在触摸屏上手动调整，以适应不同的水库 水位。

模拟停机阀位置的方法是：用两个继电器构成自 保持互锁回路，由PLC或者手动操作控制，分别模拟 停机阀工作位置，停机位置反馈给PLC用于满足PLC 顺控流程的正常执行。

2.5 系统供电优化 两路直流电源分别取自电厂两段直流母线，一路 交流电源取自机组自用电，经大容量开关电源隔离变 换，供电给调节器使用；测速部分电源也取自 2 段直 流母线，冗余电源结构，确保系统安全可靠供电。

2.6 调节参数优化 离线转速控制下，转速阶跃测试：

P=3.0 I=0.3 D=0.01； 并网后：负荷控制下的 PID 测试：

P=4.0 I=2 D=0.1； 经反复试验，导叶快速关闭时间为 11.6 秒甩 100％ 负荷时，系统动态调节质量较好。

2.7 导叶开度位置反馈回路优化 原导叶开度测量点为主配处，修改测量点为导叶 接力器，直接测量导叶实际开度，且为双路测量，精 度、可靠性均有所提高。

3 结语

通过对调速器测速系统、 控制流程，保护、接口、 供电、PID参数等方面的优化，解决了调速器与发电 机自动控制系统的配合问题，提高系统运行可靠性， 设备安装后，经多次静态、动态调整试验，系统主要 性能指标符合要求。该型调速器自 2010 年 2 月在该厂 3#机组投运以来，开机并网速度快，负荷调整快速， 精确，运行稳定可靠，较好地满足了运行要求。