碗米坡水电厂机组水机保护功能完善

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   碗米坡电厂位于沅水支流酉水中游,湖南省湘西土家族苗族自治州保靖县境内,电站装机3台单机容量80MW的混流式水轮发电机组,总装机容量240MW,保证出力18.6MW,设计年发电量7.92亿千瓦时,年利用小时数3300小时。电厂以二回220kV出线一级电压接入湖南电网,接入点为距本站17KM的保靖岩人坡变电站。电气主接线为发电机变压器组单元接线、三进二出单母线接线形式。坝后式厂房结构,厂坝之间布置有上游副厂房和220kVGIS开关站。
  一、设备现状
   碗米坡电厂水轮发电机组水机保护分为紧急事故停机(不落进水口快速闸门)和严重事故停机(落下进水口快速闸门)。根据GB/T11805-2008《水轮发电机组自动化元件(装置)及其系统基本技术条件》相关要求,对于机组非电量保护、水机一级过速保护需启动机组紧急事故停机;而根据国家电监会【电监安全】2号文《关于吸取俄罗斯萨扬水电站事故教训进一步加强水电站安全监督管理的意见》,以及为满足水电厂无人值班相关要求,对于机组事故低油位保护,则应启动严重事故停机。以保证在水轮发电机组在各种极端情况下,水机保护能迅速、有效、可靠动作,切断水轮机组原动力,防止事故的扩大化,保障主设备安全。
   碗米坡水电厂机组各水机保护回路中所采用的传感器及测量元件工作环境通常较差,自动化元器件运行可靠性不高,常存在误动可能。部分水机保护动作逻辑设计简单,采取单个元件动作即出口停机的设计,存在较大的不安全隐患,极易造成机组非停,不能真正发挥水机保护的作用。
  改造前机组水机保护存在如下问题:
   1、机组冷却水中断保护:发电机空冷器冷却水中断、下导及推力油冷器冷却水中断、水导油冷器冷却水中断三者任一条件满足,即延时30S发出“发电机冷却水中断”信号,并出口停机。因判断逻辑过于简单,极易误动引起停机。
   2、机组主轴密封水中断保护:未设计;
   3、发电机定子温度过高、轴瓦温度过高停机保护:机组下导轴瓦温度上上限、推力轴瓦温度上上限、水导轴瓦温度上上限、定子线圈温度上上限、定子铁芯温度上上限任一测点动作,即延时5S发“轴承温度过高”信号,并出口停机。因现场测温元件数量众多,存在误动或瞬时数据异常的可能性较大,极易误动引起停机。
   4、机组水机一级过速保护:厂家的保护逻辑设计存在较大漏洞,未考虑主配引导阀自复中的工作特性,尤其机组在大开度下甩负荷时,一级过速保护均会误动停机。
   5、调速器压油槽事故低油位保护:未设计。
  二、改造思路
  2.1 机组非电量保护完善设计思路:
   结合规程要求和现场实际运行经验,对机组非电量保护启动逻辑进行完善。主要是使用几个(或多个)同类型测点同时动作作为非电量保护动作条件判据,并在保护出口增加适当延时,在一定程度上提高了各保护的可靠性,减小因现场单个自动化元件工作异常、数值跳变而造成主设备非停的可能。因非电量保护涉及到对现场自动化元件(变送器)的模拟量进行运算比对,采用常规继电器回路无法实现,因此在本改造项目中,非电量保护均采用由机组LCU程序判断后出口。
  2.2 水机一级过速保护完善设计思路:
   水机一级过速的定义为“主配拒动+机组转速大于115%Ne”,由于我厂水轮机调节系统为无油步进式自复中微机调速器,机组在开、停机、负荷调节、甩负荷时,主配引导阀在引导主配执行完一个驱动脉冲指令后即回到中位。而根据机组甩负荷试验曲线及主配动作情况录波示意图分析(如下图):
  
  
   2)、天蓝:机组频率曲线
   3)、黄色:监视“主配拒动”的行程开关接点动作情况曲线
   在机组甩负荷开始时(A点),机组转速从100%开始上升,同时主配往关方向运动,引导接力器执行关闭导叶至空载开度的操作,“主配拒动”信号复归。此时机组转速继续上升,当导叶关闭至空载以下时,主配回到復中位置(F点),“主配拒动”信号动作,而此时机组转速仍可能维持在115%Ne以上(E点),尤其是机组甩较高负荷时试验现象更为明显。若根据原来厂家设计,此时机组满足“主配拒动+机组转速大于115%Ne”条件,水机一级过速保护将动作出口。
   鉴于以上原因,需根据设备运行实际情况重新设计保护逻辑,确保在机组甩负荷转速上升过程中,只要主配朝有朝关方向动作过程,则一级过速保护就不应动作。即使主配未朝关方向动作,在转速达到115%Ne后,保护也需经延时后再出口。同时为增强保护动作可靠性,采用机组LCU程序判断和机组水机保护常规继电器回路两套出口。
  1.新增调速器压油槽事故过低油位保护设计思路:
   碗米坡电厂水机严重事故停机保护出口有两套,分别由机组LCU执行严重事故停机流程以及通过严重水机事故保护常规回路(继电器回路)开出。改造前调速器油压系统液位测量装置状况为:
   1)、原“压油槽事故过低油位”信号已通过调速器油压控制柜端子(E1:54、E1:55)中转至机组LCU2#柜内开关量输入模块,但该信号定义为扫查开入量,在动作后仅向监控系统上位机发出报警信号。由于PLC的扫查开入量扫描周期较长、时间标志不能精确到毫秒,因此不能作为事故点,需将其转为中断量。
   2)、原“压油槽事故低油位”信号未送至机组LCU,仅送入了调速器油压控制系统PLC作为一个判断输入点,并且没有对应的开出信号,动作后上位机无相应告警信号。
   改造的主要目标即实现将“压油槽事故过低油位”、“压油槽事故低油位”两信号串接后,来启动LCU严重事故停机流程及严重水机事故保护常规回路。
  三、实施方案
  (一)机组非电量保护完善:
   1、原机组非电量保护在机组LCU中设定为一般事故停机,保护动作出口为下发正常停机令,各子项保护程序定义如下:
   (1)、冷却水中断(LQS_ZD)定义如下:
  
   注:发电机空冷器冷却水中断(KLQ_ZD)、下导及推力油冷器冷却水中断(TL_ZD)、水导油冷器冷却水中断(SD_ZD)三者任一条件满足,即延时30S发出“发电机冷却水中断”信号,出口停机。
   (2)、温度过高(ZC_WD_GG)定义如下:
  
  
   注:下导轴瓦温度上上限(XD_WD_GG)、推力轴瓦温度上上限(TL_WD_GG)、水导轴瓦温度上上限(ShuiD_WD_GG)、定子线圈温度上上限(DZ_WD_GG)、定子铁芯温度上上限(TX_WD_GG)任一条件动作,即延时5S发“轴承温度过高”信号,出口停机。
  2、通过对PLC程序分析,对原各子项保护程序的修改完善如下:
   (1)、新增密封水中断停机(MFS_ZD_TJ)程序
  
  
  
   当冷却水中断水机保护连片投入,空冷器冷却水、下导及推力油冷器冷却水、水导油冷器冷却水示流同时中断及技术供水总管压力低动作(原流程中的“或”改成“与”),延时30s后开出冷却水中断停机。
  注:技术供水总管(冷却水)压力低(LQS_YL_D)
   (3)、修改机组轴瓦及定子温度过高判断条件
   以同类型测温点同时有3点温度越限作为机组超温判据,结合机组各测温点的模拟量和开关量共同进行判断。
   ①首先通过功能块IEC_BMDI将PLC寄存器中3X系列地址(机组温度模拟量通道地址)的数据转换到PLC寄存器中4X系列中的某位地址。
   由于PLC模拟量通道内的数据无法直接进行数据计算和比较,所以通过此功能块将机组下导轴瓦、推力轴瓦、水导轴瓦、定子铁芯、定子线圈的温度模拟量数据转送到寄存器内的4X系列地址中进行运算。功能模块如下图:
  
   SEL_IN:3
   OFF_IN:第一个模拟量地址(后5位,0省略)
   LENGTH:输入通道的数量
   SEL_OUT:4
   OFF_OUT:转换后的第一个寄存器地址(后5位,0省略)
  
  
  
   ②通过增加模拟量越限判据功能块RTD_GE2,判断输入模拟量通道(通过BMDI功能块转换后的地址)的数据是否越限,若越限的模拟量数量超过设定值,则输出OUT为1。功能模块如下图
  
   Off_4X:输入模块的4X系列地址(后5位,0省略)
   Lens::输入通道的数量
   CheK_Num:判断越限模拟量数量的设定值
   Hi_Range:输入工程值的有效值上限
   Lo_Range:输入工程值的有效值下限
   Stop_Val:输入工程值的越限报警值
   OUT:输出的中间变量
   注:此处的工程值为模拟量输入PLC后按4~20mA模拟量量自动转换为0~16000工程值
   通过上述两个功能块判断越限模拟量的数量是否超过设定值,从而开出中间变量:“下导轴瓦温度模拟量越上上限”(XD_WD_GG_AI)、“推力轴瓦温度模拟量越上上限”(TL_WD_GG_AI)、“水导轴瓦温度模拟量越上上限”(SD_WD_GG_AI)、“定子线圈温度模拟量越上上限”(SD_WD_GG_AI)、“定子铁芯温度模拟量越上上限”(TX_WD_GG_AI)。
   ③将中间变量“下导轴瓦温度模拟量越上上限”、“推力轴瓦温度模拟量越上上限”、“水导轴瓦温度模拟量越上上限”、“定子线圈温度模拟量越上上限”、“定子铁芯温度模拟量越上上限”与原程序中机组各部位对应的温度越上上限开关量报警取“与”门,即模拟量越上上限报警与开关量越上上限报警同时动作时,延时5s后开出“温度过高”(ZC_WD_GG),启动一般事故停机流程。
   修改后机组温度越限停机程序图如下:
  
  
  (二)水机一级过速保护完善:
   1、将主配位置监视行程开关的常开接点接入保护回路。当该接点闭合时表示主配在关方向,接点断开时表示主配在复中位置或开方向。调整并固定该行程开关动触头位置,确保当主配向关方向运动时,该接点能及时、准确、可靠闭合。
   2、利用“机组115%过速””和“主配关动作”两信号,分别驱动两中间继电器J97、J98。利用J97常开接点、J98常闭接点驱动一时间继电器T(详见图1)。当机组出现115%过速,且主配未朝关方向动作时,时间继电器T动作,经延时后出口,启动机组紧急事故停机常规回路。以满足规程中关于水机一级过速保护经延时出口的要求,并根据现场试验结果将时间继电器延时设置为1s。同时为便于该保护的投退,在保护出口回路中增加连片LP12,将其命名为“机组水机一级过速保护”。(详见图2)
  
  
   3、为满足“在机组甩负荷转速上升过程中,只要主配朝有朝关方向动作过程,则一级过速保护就不应动作”的逻辑,在“主配关动作”回路中,依靠中间继电器J98的一对常开接点来对J98进行自保持:即当J97、J98继电器均动作后,只有当转速低于115%Ne,即J97继电器返回后,才断开此自保持回路。保证在整个甩负荷过程中,只要主配有朝关方向的动作(J98继电器将动作),则不管转速是否超过115%Ne,保持多长时间,该一级过速保护逻辑均不会动作出口。
   考虑到机组在并网运行过程中为频率调节模式,因此仅当机组甩负荷或并网前调速器系统失控才可能出现115%过速情况,故将TCB、GCB的分闸位置信号并联后串入“电气过速115%Ne”回路以闭锁中间继电器J97,可有效防止机组正常运行时因转速继电器信号误动等原因而造成的保护误出口。(详见图3)
  
  
   2、ZhuPei_FG——主配非关方向动作(即“主配关方向复归”)
   3、ZhuPei_FG_TimeOut——1、2条件同时满足后,延时1s动作的中间变量;
   4、JZ_YJGS_LP——“水机一级过速保护功能投入”连片。
   该流程出口为启动机组紧急事故停机继电器,实现机组紧急停机。
  (三)压油槽事故低油位保护完善
   因“压油槽事故低油位”信号在调速器油压控制系统中还起到了控制作用,为使该信号能同时送入机组LCU与油压控制系统PLC,需通过增加一个中间继电器J13对其进行扩展,并将扩展后无源信号接点一路送至油压控制装置PLC,另一路送至监控LCU2#柜。接线详见图(1)
  
  
   注:FZX3:事故低油位液位开关接点
   LN1:油压装置控制柜内24V电源
   +PA:油压装置控制柜
   2、在机组LCU2#柜内新增“调速器压油槽事故过低油位”、“调速器压油槽事故低油位”信号继电器J106、J107,利用调速器压油槽油位计上液位开关接点及中间继电器J13接点,驱动J106、J107继电器线圈,详见图(2):
  
  
  图(2)监控系统中新增“压油槽事故过低油位”、“压油槽事故低油位”继电器
   3、取消原机组LCU中“调速器压油槽事故过低油位”扫查量信号,利用新增J106、J107各一对常开接点送LCU,在上位机在数据库中断量信号点中分别定义为“机组调速器压油槽事故过低油位”(SG_GDYW)、“机组调速器压油槽事故低油位”(SG_DYW)。并在机组LCU严重事故停机流程内新增压油槽油位过低保护,将“压油槽事故过低油位”和“壓油槽事故低油位”作为与门条件控制输出,启动监控系统严重事故停机流程。
   改造后端子接线见图(3)
   改造前机组LCU严重事故停机流程逻辑见图(4)
   改造后机组LCU严重事故停机流程逻辑见图(5)
  
  四、实施效果:
   按照俄罗斯萨杨电站反事故措施督查整改要求,目前碗米坡电厂3台机组的水机保护功能完善工作已全部完成,模拟试验正常,保护功能已正常投运。消除了电厂长期以来水机保护配置不全、投入率低的隐患,确保机组的安全稳定运行,取得较好的安全效益。
   上述改造项目均得到了设备生产厂家以及湖南省电力科学研究院水机所、热工所的认可与好评,对全省及全国同类型水轮发电机组的水机保护功能完善可起到一定借鉴作用。
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