2022水电机组提高控制系统可靠性措施

水电机组提高控制系统可靠性措施作者：职场人（2022）目录13969_WPSOffice_Level11、仪表取样装置和管路的安装要求 16226_WPSOffice_Level12、控制系统信号的处理 227442_WPSOffice_Level13、监控系统的配置要求 43995_WPSOffice_Level14、提高水机保护的可靠性 631477_WPSOffice_Level24.1水机保护的配置要求 724593_WPSOffice_Level24.2《XXXX公司水电热工与自动化技术监督制度》对保护的要求： 726736_WPSOffice_Level3A3主要水力机械保护系统 824746_WPSOffice_Level3A4其他电气故障保护系统 823210_WPSOffice_Level3A5失电动作保护停机系统 816527_WPSOffice_Level3A6原动力失效保护 824417_WPSOffice_Level24.3水机保护存在的主要问题 827866_WPSOffice_Level15、对水机保护的配置的建议 913394_WPSOffice_Level25.1温度保护 917718_WPSOffice_Level25.2过速保护 1130676_WPSOffice_Level25.3一次元件的防误保护 127823_WPSOffice_Level25.4保护系统的电源和电磁阀 1325420_WPSOffice_Level23.5手动紧急停机、下闸回路的设置 141、仪表取样装置和管路的安装要求热工仪表取样装置和管路的安装对测量的准确性和可靠性非常重要，是提高控制系统可靠性的最基本的措施，对于水电厂来说，无论是基建单位，还是运行维护单位，热工仪表的安装都是比较薄弱的环节，因此加强热工仪表的安装质量是热工技术监督的重要工作。对于热工仪表的安装有以下要求：1.1含有悬浮物介质（技术供水）的取样应安装在管路的上半部分，必要时要有吹扫（洗）措施。压力表和压力变送器的取样管，不应该从水管道的正上方垂直方向取样，正确的方式应该倾斜45度或水平方向，避免水管道内可能存在的空气产生扰动。1.2敷设在气温较低处的取样装置和管路必须有防冻的措施，测量油压的取样管路（包括从取样点到表计），以及重要的气动执行机构的控制气源管的通径均不得小于10mm。1.3取样管路在满足被测介质压力抖动不过大的前提下，应尽可能短，以减少测量管路过长带来的积水、积气、迟延，甚至堵塞等各种问题。1.4敷设测量管路和电缆时，不应与其它设备相磨擦；穿越结构物时应加保护套，以免振动摩擦而导致取样管爆裂。1.5流量测点应该安装在水平或垂直的足够长度的直管段。流量测量元件附近应避开阀门，弯头和其它的测量元件，前后保持足够距离。1.6测量压力时，还应考虑高差对示值的修正；测量真空或风压的变送器应放置在高于测点的地方。管路敷设坡度应满足《电力建设施工及验收技术规范第5部分：热工自动化》（DL/T5190.5）的要求，不允许出现可能引起积气或积水的弯曲，一般要求水平敷设并有100:1以上的坡度。1.7冗余信号的取样点、取样装置、取样阀门和管路必须互相独立分开设置。冗余信号的一次元件和导线必须互相独立分开配置。1.8一次测量元件应在工艺设备上安装牢固，并有防止振动和被测介质冲刷、磨损而造成损坏的措施。1.9一次元件引线应有防止振动磨擦或过热而破坏绝缘或断线的措施，接线应牢固，防止因振动而松脱开路。2、控制系统信号的处理2.1输入监控系统的重要开关量保护信号，如果该信号错误可能影响机组的安全，应采用同时输入一开、一闭二付接点或一付转换接点，由监控系统对该信号进行“质量”判别，当出现二个接点同时闭合或断开时应立即发出报警信号，并判断该信号错误（这是提高重要信号可信性的一个思路）。2.2进入监控系统的用于机组和主要辅机跳闸保护的输入信号不应取自没有被测参数监视的开关仪表，不允许使用死区和磁滞区大、设定装置不可靠的开关仪表，以及普通的电接点压力表作为保护信号仪表。2.3监控系统的开关量信号的查询电压应有电源监视，当电源消失或电压降至不允许值时，应立即发出报警。2.4监控系统的输出指令一般应采用短脉冲，可以在每个控制回路中设置自保持。电磁阀如果必须采用单线圈电磁阀，控制指令应采用持续长信号。如果没有特殊需要，一般应采用双线圈电磁阀，如某厂技术供水总阀采用单线圈电磁阀，当电磁阀故障时，导致技术供水中断。机组投运时要仔细检查随工艺设备供应的电磁阀型式，并使其满足上述规定要求。2.5所有重要的模拟量输入信号必须设置采用量程、变化率超限等方法对信号进行“质量”判别。在有条件的情况还应采用相关参数来判别保护信号的可信性，并及时发出明显的报警。2.6当用于自动和保护的参数严重异常时，监控系统应自动推出其趋势画面及相关参数画面，以便运行人员及时判别该信号的可信性、变化趋势，并及时采取对策（现在还没有厂家做，是我们下一步的进步方向）。2.7新建工程，重要变送器、执行器及开关柜应逐步推广采用具有故障诊断和分析功能的现场总线智能设备，借助设备管理系统及早发现故障。2.8为隔离或增加容量等需要而在监控系统的I/O回路中加装隔离器时，应采取有效的防止积聚电荷而导致信号失真（输入），或漏电流而导致执行器位置漂移等的措施（输出）。3、监控系统的配置要求3.1监控系统中的操作员站、控制器、实时数据服务器和通讯网络必须采用可靠的冗余配置。服务器、通讯站、工程师站一般应采用上机架设计，原则上不要布置在中控室中。3.2监控系统响应时间应尽可能短，任何时候任何指令从操作员站发出到监控系统的输出不应大于1秒；从操作员站发出指令到开始执行并返回显示器上反应的总时间不应大于2秒。3.3计算机监控系统（CSCS）配置应能满足电厂任何工况下的监控要求（包括紧急故障处理），CPU和网络负荷率应控制在设计指标之内并留有适当裕度。CSCS主系统及与主系统连接的所有相关系统（包括专用装置)的通讯负荷率设计必须控制在合理的范围之内（保证在高负荷运行时不出现“瓶颈”现象)，其接口设备（板件)应稳定可靠。定期进行各控制站、计算站、数据管理站、数据通讯总线的负荷率在线测试工作。用户应用组态软件变更后,应对各控制站、操作站、通讯网络等进行负荷率重新测试。并建立技术档案登记本，做到定期测试不逾期，不漏项。3.4主要控制器应采用冗余配置，重要I/O点应考虑采用非同一板件的冗余配置。冗余配置的过程控制单元、通讯接口、通讯环路必须处于良好的热备用工作状态。每一个模拟变送器的供电回路、每一个数字量输入、输出模件都应有单独的熔断器或其它保护措施。3.5CSCS系统现地控制单元（LCU）和常规水机保护电源应设计有可靠的两路供电电源（如一路为工作段电源，一路为直流电源)，并可自动切换，切换时应保证控制器不能初始化。LCU的工作电源必须满足220VAC（85－115％），220VDC（80－115％）的电压要求，满足50HZ±2％的频率要求。人机接口站如无双路电源切换装置或对于电源波动敏感的操作员站，则必须将两路供电电源分别连接于不同的操作员站，以确保不会因电源波动而导致全部操作员站同时失去。系统电源故障（LCU、水机保护和人机接口站）必须在中控制室内设有声光报警。定期检查电源回路端子排、配线、电缆接线螺丝无松动和过热现象，电源保险丝容量是否保持与设计图纸相一致。加强对CSCS系统的UPS电源管理，UPS的输出电源必须满足220VAC±2％，50HZ±1％的要求，定期对用于UPS的蓄电池进行充放电试验。严禁非CSCS系统用电设备，接到CSCS系统的UPS电源装置上。网络交换机所用电源应采取冗余配置，应取自不同机组的电源。定期检查CSCS系统现地控制单元(LCU)内置电池，及时更换超期内置电池。3.6操作员站及少数重要操作按钮的配置应能满足机组各种工况下的操作要求，特别是紧急故障处理的要求。紧急停机下闸的按钮配置，应采用与CSCS分开的单独操作回路。3.7工程师站及现地控制单元机柜间的空气质量、温度、湿度应符合《水电厂计算机监控系统基本技术条件》的要求，保证热工自动化设备在良好的环境条件下运行。有条件的现地控制单元机柜建议进行封闭。3.8公用系统的重要设备（如集水井水泵、空压机系统的辅机）应纳入机组控制网，并有完善的控制方案，避免由于公用系统的设备事故扩大为全厂机组的重大事故。3.9在没有充分技术保证的情况下，严禁将机组控制网、船闸控制网、水情信息网相互连接，合并标签库成为一个网络。机组控制网与其它信息系统联网时，应采取有效的隔离措施（机组CSCS系统只单向发送指令）。3.10建立严格的CSCS系统安全防护措施。CSCS系统中严禁拷贝、存放、运行非CSCS系统软件。机组通讯网络不得与社会网络联网。除调度端通讯系统外，监控系统与厂内MIS信息管理系统等联网必须采取可靠的隔离措施，并应符合《电网和电厂计算机监控系统及调度数据网络安全防护规定》、《电力二次系统安全防护规定》，《电力二次系统安全防护总体方案》、《发电厂二次系统安全防护方案》等规定的要求。3.11监控系统应与全厂时钟系统(或GPS时钟)同步，并结合机组停运进行电源、网络、控制器切换试验。提高水机保护的可靠性4.1水机保护的配置要求《水轮发电机组自动化元件(装置)及其系统基本技术条件》“5.2.7机组发生下列情况时，机组自动化元件及其系统要求发出事故停机并报警：1)机组各轴承及发电机定子过热；2)水润滑轴承主、备用水均中断或降低到一定值并超过规定时间；3)机组调相运行时失去电源，与电网解列，机组转速下降至规定值；4)电气事故保护动作；5)机组火警；6)机组振动、摆度过大；7)按事故停机按钮；8)安装有圆筒阀或进水口快速闸门的机组，在圆筒阀或进水口快速闸门下滑到事故位置时”。“5.2.8机组发生下列情况时，机组自动化元件及其系统要求发出紧急事故停机并报警，同时应动作过速限制器并可延时关闭进水阀，只有进水阀没有过速限制器的机组，可直接进行关闭进水阀：1)机组甩负荷，机组转速上升到110%～115%额定转速，又调速器主配压阀拒动，再经过延时；2)机组过速到最大瞬态转速的规定值加3%额定转速，电气转速信号器动作；3)机组过速到最大瞬态转速的规定值加5%额定转速，机组液压过速保护装置动作或机械过速开关动作；4)油压装置紧急事故低油压或油位降低到事故低油位；5)事故停机时剪断销剪断。4.2《XXXX公司水电热工与自动化技术监督制度》对保护的要求：水电厂热工与监控系统、调速系统的主要控制装置系指关系到机组安全运行、经济运行状态的监控仪表、调节、控制和保护装置。各发电厂应根据本厂机组的具体型式结构、监控系统（水轮机盘）、调速系统控制装置的实际配备情况,参照下列划分项目对全厂主要控制装置进行统计造册。A3主要水力机械保护系统推力轴瓦瓦温过高、上导轴瓦瓦温过高、下导轴瓦瓦温过高、水导轴瓦瓦温过高、发电机冷热风温度过高、推力油槽液位过高或过低、上导油槽液位过高或过低、下导油槽液位过高或过低、水导油槽液位过高或过低、各轴承油槽外循环油流中断、各轴承油槽冷却水中断、主轴密封润滑水中断、导叶剪断销剪断、水轮机顶盖水位过高、事故低油压，机组过速。A4其他电气故障保护系统发电机过负荷、发电机定子接地、发电机转子一点接地。A5失电动作保护停机系统调速器紧急事故停机电磁阀（装设失电动作电磁阀）、发电机电气保护回路直流电源消失、机组控制回路直流电源消失、机组励磁回路直流电源消失。A6原动力失效保护机组出口断路器原动力降低至保护极限值、机组进水阀或快速闸门等油压降低至保护极限值。4.3水机保护存在的主要问题根据某集团公司的要求，对其4个电厂的水机保护情况进行核实，发现存在的主要问题有：1）温度保护项目不全，配置不合理，没有可靠的防误和防拒的有效措施；水导瓦的油槽进水检测不完善，油槽液位高的保护投入率不高。2）没有落实集团公司关于不得以单点作为主机保护的要求，事故低油压，润滑油中断，轴承润滑水中断，事故（高位）油箱低油位信号没有采用三取二或其它可靠的防误措施。压油槽事故低油位紧急事故停机保护基本没有配置。3）部分机组的水机保护的设计不太规范，没有配备机械过速保护，电气过速保护的保护装置没有冗余配置；个别机组的机械过速保护配置不完善，没有事故配压阀；一级过速保护没有投入的问题比较突出。4)手动紧急停机、下闸回路的设置不合理。5）监控系统、水机保护和事故闸门的电源配置不合理，事故闸门的下闸电磁阀没有冗余配置；6)机组的在线监测装置测点完好率不高，管理不规范，抬机报警及振动报警没有投入或效果不明显，进入保护根本谈不上。7)水机保护的电源端子排、重要保护端子排和就地的一次元件没做明显标志，没有防止误触误碰的措施，安装也有不合理的问题，和继电保护差距很大。对水机保护的配置的建议5.1温度保护现在水机轴瓦温度保护现在多采用制动柜的温度表计，采用2/4取1的方式，该方案存在一些问题，一是不全，如推力有16块瓦，16瓦都有热电阻（进了温度LCU），只选择其中2/4点作为温度保护存在不全的问题，同时采用2取1的方式容易因为温度表计故障引起保护误动（现在的温度表可靠性不高，特别是A1200的抗共模干扰能力差），如果采用2取2容易发生保护拒动。对于温度保护，我们提供两个方式，一是进LCU中所有点取1点的保护方式，但是信号必须进行坏质量、量程、变化率超限判断，该方法在火电的辅机保护用得比较多，水电厂目前只有洪江等少数厂采用，优点在防止拒动方面作用大，缺点是大多数水电厂的监控系统难以具备强大的质量判断功能。二是采用进LCU中所有点取2或3点的保护方式（注意可能有些瓦的双支热电阻两点都进了LCU，作保护时只要选择一点），另外温度测点的布置应遵循分散控制的原则，如推力16块瓦的温度全部被分配在了一块卡件上，这种情况的危害性是如果该块卡件故障，将无法监视到推力瓦温了，保护可能误动或拒动，该方法在湖南省公司的电厂应用比较多。发电机冷热风温度过高，也可以采用轴瓦温度相同的保护逻辑。推力油槽液位过低、上导油槽过低、下导油槽液位过低、水导油槽液位过高或过低保护现在投入率不高，主要是担心单点保护误动，建议采用油槽液位＋相应的轴瓦温度高一值，轴瓦温度高一值的处理逻辑可以和轴瓦温度高保护一样。（该保护没投在外循环机组上已经出现过轴瓦损坏的问题）。油槽油温过高的保护建议采用油槽油温过高＋相应的冷却水流量低＋延时。此方案在柘溪新机组（250MW）实施后没有再发生过误动的情况。各轴承油槽外循环油流中断、各轴承油槽冷却水中断由于示流计的可靠性不高，建议＋相应的轴瓦温度高一值，主轴密封润滑水中断＋主轴密封块温度高一值（没有温度测点尽量增加）。5.2过速保护机组一级过速保护设计的一般是115％过速＋主配拒动。目前的调速器主配一般有两种，一是采用步进/伺服电机，一种采用电液伺服阀，对于前者，主配的行程信号比较好处理，对于采用电液伺服阀的机组，主配的行程信号是难以处理，建议采用以下方案：115％过速＋“调速器结合各种情况判断的主配拒动（由调速器厂家编写程序发出信号）”。机组如果没有事故配压阀，机组一级过速保护应该下闸。对于电气过速保护的设计，应采用两种不同的测量原理（齿盘测速和残压），用于保护、控制的测速系统有条件应实现“三取二”逻辑方式（目前各电厂只有黑縻峰实现该功能，东江电厂有齿盘、残压、编码器三套测速系统，可惜没有实现“三取二”逻辑方式，残压没有作为保护），过速保护装置应定期检验，并正常投入，电气过速保护可以采用调速器发出的过速信号。对于大型机组，机械过速应是标准配置，目前有许多老机组没有机械过速，建议安装，对于中小型机组，如果实现“无人值班”，应该配备机械过速。部分测速装置输出接点按照说明书只能接在220VAC或者24VDC回路中或者220VDC工作电流在0.3A以下，但水机保护接受该接点信号的中间继电器一般是220VDC工作电源。建议在中间继电器（还包括115％超速和电气超速的中间继电器）线包上反向并联一个二极管，型号、规格与制造厂联系。以后选型时采用带大接点容量的测速装置。目前火电机组的超速保护的设置方法如下：汽机制造厂配备机械超速保护，动作保安油系统，动作值为109～111％，可以进行在线试验。配备一套OPC（过速限制系统，事故配压阀是过速限制器的一种方式）保护，保护动作值为103％或机组负荷大于30％且机组脱网（可以根据电网实际情况设置）。两个电磁阀，带电动作，一般采用厂用110VDC。电气超速保护设置两套，一套由调速器（DEH）的三个齿盘测速（一般采用磁阻式原理）“三取二”发出过速信号，一套由机组在线监测系统（TSI）的三个齿盘测速（一般采用电涡流原理）“三取二”发出过速信号，根据反措的要求，DEH和TSI的测速探头选择安装在机组不同的地方（一般一个在机头，一个在发电机和汽机之间）。采用双通道四跳闸线圈失电设计。5.3一次元件的防误保护事故低油压保护最可靠的办法是油压开关三取二，如果有常规水机保护，采用三个带双接点的压力开关，组合形成三取二的逻辑，事故低油压和高位油箱事故低油位可以采用低一值＋低三值或低二值＋低三值的方法。润滑油总管中断和轴承润滑水总管中断可以参考火电的发电机冷却水中断保护，安装一个孔板，三个取样口再安装三个差压（流量）开关的方式。每个取样口增加带排油阀，利用排油阀降压进行压力开关的实际传动试验。压油槽带自动补气的机组，需要考虑事故低油位保护，事故低油压可以采用低一值＋低三值或低二值＋低三值的方法（如果没有三个油位开关，考虑由变送器信号取一个）。5.4保护系统的电源和电磁阀目前水机保护系统采用单路电源的问题比较突出。水机保护系统需要采用双路电源，一般机组只有一路完全独立的220VDC（使用二极管隔离的不算），建议可以采用UPS电源经整流后生成另一路直流电源，成为可自动切换的双路供电电源，当然也可以从升压站或闸门室取一路电源，改为可自动切换两路直流电源。高度重视快速闸门控制电源的问题，快速闸门控制电源应具备热备用功能（可在就