大型无人值班水电站开机流程的设计与优化_黄海军.pdf

61黄海军等：大型无人值班水电站开机流程的设计与优化0引言开机流程是发电厂的核心生产过程。机组顺利地开机运行，既是持续发电生产的基础条件，又是及时响应电网调节、提供电能质量保证的重要措施。开机流程是设计院依据丰富的工作经验、综合各设备厂商的技术资料来设计的。但是，由于自动化元件质量不可靠、安装位置不科学1、调试不到位2-3等问题，不少厂站的开机流程中存在一些严重的问题4-5。特别是近年来，众多大型、巨型电站相继投产，呈现出了一些新的特点，亟待解决。例如，大型、巨型电站由于单机容量大，任意一台机组产生的波动，都可能危及电厂设备安全乃至电网稳定；此外，电力市场也在逐步改变电力调度的模式，为保障社会供电，关键电站异常处置的快速性和可靠性的要求也被提到了前所未有的高度。为适应新形势、解决开机过程中的典型问题，根据大型、无人值班水电站的特点，结合多次改造实践，提出开机流程精益化改进方法。1开机流程的典型设计1.1开机流程的概述机组流程，本质上是机组切换状态的操作集合。水电机组一般有停机、空转、空载、发电等基础状态，以及调相压水、旋转备用、抽水、发电调相、抽水调相等高级状态6-7。后者可以理解为前者在步骤的设计和参数上适应性调整的变种，为简化表述，本文仅研究基础状态的流程设计。在流程控制中，机组是按“停机空转空载发电”的过程逐级递进的，也就是说，机组开机发电的过程，必然要经历空转、空载，不能直接跃迁到发电。“无人值班”厂站中，为了保障设备的安全和操作的高效，一般设置系统自检。自检无法通过时，开机令被自动终止。各系统的自检项目，一方面来自设备厂商内部的安全保证逻辑，另外一方面来自设计院等单位的经验。自检可以提前发现异常、解决异常，避免延误开机时限，不利于电网安全。1.2开机自检的设计计算机监控系统（SCADA）对各设备系统进行实时自检，如检测供电情况、冷却系统、网络状态、运行状态、操作机构（如气压操作系统、液压操作系统、弹簧储能机构等）等是否正常，检测当前有无事故，检测有无孤岛或直流停运信号。自检通过时，值班员才能下开机令8。下空转令时，须满足图 1 中的自检流程。下空载令时，须依次满足图 1、图 2 中的自检流程。下发电令时，须依次满足图 1、图 2、图 3 中的自检流程。大型无人值班水电站开机流程的设计与优化黄海军1，张奇1，顾鑫2，李燕波3（1云南华电金沙江中游水电开发有限公司，云南省昆明市650228；2中国电力国际发展有限公司，香港特别行政区999077；3国家电投云南国际电力投资有限公司，云南省昆明市650228）摘要：开机流程是电力生产的核心过程，新建厂站往往在流程设计上经验不足、考虑不周，导致成功率偏低，影响电力系统的稳定。为提高开机的成功率，确保电力系统安全，对大型水电站的设备特性、管理特点、流程特征进行深入研究，提出了完善状态定义、简化自检条件、增加并行操作、优化参数设置等精益化提升方法。经多个大型无人值班水电站的改造实践验证了该方法的有效性。采用上述优化方法，可以明显提高大型无人值班水电站开机的速率和成功率，增加电厂经济效益和提升电力系统安全保障能力。关键词：控制策略；程序设计；自动化元件；设备选型；远程集控；计算机监控系统；精益管理中图分类号：TM612文献标识码：A学科代码：470.4047DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2023.02.01062水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,2023空转自检开始水轮机导叶剪断销无剪断报警退出流程Y调速系统满足远方开机条件机组无事故Y主变压器高压侧接地开关分位YGCB隔离开关合位GCB合位且处远控态Y调速器油压系统正常Y机组各轴承油槽油位正常调速器事故配压阀已复归Y调速器接力器锁定投入筒阀油压系统正常机组各轴承温度正常进水口闸门全开水轮机导叶已全关GCB两侧接地开关分位YYYYYYYY发电机制动块已复归筒阀系统满足远方开机条件保护系统满足远方开机条件YYY辅助系统满足远方开机条件闸门系统满足远方开机条件YY无孤岛或直流停运转态令YLCU系统满足远方开机条件Y空转准备完成YNNNNNNNP0P1.01P1.02P1.03P1.04P1.05P1.06P1.07P1.08P1.09P1.10P1.11P1.12P1.13P1.14P1.15P1.16P1.17P1.18P1.19P1.20P1.21P1.22P2图 1自检流程 1（空转准备检查）Figure 1Self-checking 1（preparation for idling）励磁系统满足远方开机条件Y空载自检开始空载准备完成报警退出流程NP2P2.01P3图 2自检流程 2（空载准备检查）Figure 2Self-checking 2（preparation for no-load）1.3开机流程的设计机组开机令从 SCADA 现地 PLC 触摸屏或远方上位机的人机界面上发出，执行程序则配置在 PLC 内存中以保证流程的高效、可靠。为确保开机流程的有效与可检测性，需要进行过程监测，一方面向上位机指示当前状态，另外一方面则是控制流程是否需要继续执行，如图 4 所示。机组的开机流程采用顺控流程结构，其根据水力发电的需要，依次操作相应的设备。各个操作步骤之间是先后操作的串行关系，即前一步的操作成功或超时且可跳过时，才会执行下一步，否则将自动终止流程，如图 5所示。GCB系统满足远方开机条件同期装置满足远方开机条件Y主变压器冷却系统满足远方开机条件开关站系统满足远方开机条件YY发电自检开始发电准备完成报警退出流程NYNNNP3P3.01P3.02P3.03P3.04P4图 3自检流程 3（发电准备检查）Figure 3Self-checking 3（preparation for generation）2开机流程优化的必要性2.1适应设备特性的必要性开机流程是停机至发电过程中设备操作的集合，如果63黄海军等：大型无人值班水电站开机流程的设计与优化下发开机令空转令PLC顺控流程启动Y执行中（空转）空转态Y无事故YN报警终止开机流程下一步不为空Y未满足空转态Y具备下令权空载准备完成N空载令NY空载态Y无事故Y下一步不为空Y未满足空载态YNY执行中（空载）N发电准备完成发电令Y发电态Y无事故Y下一步不为空Y未满足发电态YNY执行中（发电）NN开机流程结束空转准备完成Y图 4开机流程的监测Figure 4Supervision of start-up流程不适应于实际设备系统，就会发生开机失败现象。研究中的两个大型无人值班电站 A、B 均因自动化元器件的质量不达标、调试不到位等问题，投产后就多次出现开机失败问题，甚至影响了电力系统的稳定。电站 A、B 的基本信息如表 1 所示。表 1厂站基本信息Table1 Basicinformationofhydropowerstation厂站名单机容量/MW机组数量/台SCADA 厂商 PLC 编程语言电站 A4205ABBSFC电站 B6004中水科FBD电站 A 在首台机组投产后 6 个月内，发生了 13 起开机异常事件，其中 5 次处置不当引起了调度影响，如表 2所示。表 2电站 A 开机异常原因统计表Table2 AbnormalcausesofhydropowerstationAstart-up异常原因数量/次影响分析冷却水堵塞7泥沙淤堵致测量不准，主变压器供水 3次、主轴密封水 3 次、上导冷却水 1 次筒阀 SLG 报警3法国著名产品，补油阀孔径过小致接力器串腔压力不足，触发远控闭锁电动阀故障3主轴密封水 2 次力矩跳断，主变压器滤水器 1 次滤筒切换电机轴断裂除上述异常外，该电站在运行过程中，冷却供水 2 次压力波动导致发电态丢失；调速器油混水报警多次导致PCC 综合报警也引起了恐慌；期间更是出现了 6 次关键部64水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,2023执行中开启筒阀筒阀全开Y开启技术供水蠕动退出Y切除检修密封切除机坑加热器投油雾吸收机投碳粉吸尘器切除除湿机切除蠕动装置N报警终止开机流程N已退出已退出已投入已投入执行到位发信N发信N发信N发信N已退出Y流量达标流量达标NNYYN开启主轴密封水拔出接力器锁定Y已拔出投高顶油泵已投入投轴承外循环油泵已投入YYNN投入调速器转速95%NeY退出高顶高顶油压、流量低Y空转态Y流程执行中合灭磁断路器合位起励电压95%YY空载态YNN流程执行中投同期装置GCB合位投运行指示灯YY发电态YYN开机流程结束S0S1.01S1.02S1.03S1.04S1.05S1.06S1.07S1.08S1.09S1.10S1.11S1.12S1.13S1.14S2S2.01S2.02S3S3.01S3.02S4S5Ue图 5开机流程的步骤Figure 5Steps of start-up位温度跳变（3 次推力轴瓦、2 次上导轴瓦、1 次定子铁芯，均为测温电阻线质量不合格和安装不当所致）。该电站开机问题占同时期总缺陷的 20%以上，严重影响了安全生产。电站 B 在首台机组投产后 6 个月内，发生了 14 起开机异常事件，如表 3 所示。该电站同样频发水轮机辅助设备问题，最大原因是金沙江流域含沙量偏大，同时也与产品选型、管径大小、传感器安装位置以及调试质量关系很大。而且，到了汛期，电站水头下降，导致压力、流量偏低，无法满足整定值要求而开机失败。该电站由于及时采取了有效的技术措施和管理措施，上述事件未造成调度影响，但也充分论证了自动化设备在开停机流程中的重要作用：若流程设计、参数整定等不能适应实际，就会明显放大开机流程中的问题；特别是电站 A、电站B 均作为某区域中的关键厂站，其潜在的安全风险亟须解决。表 3电站 B 开机异常原因统计表Table3AbnormalcausesofhydropowerstationBstart-up异常原因数量/次影响分析冷却水流量异常8空气冷却器传感器受泥沙、安装位置影响导致测量偏差过大推力外循环流量异常3德国某著名品牌，旋钮因管路长时间持续振动导致整定值改变电动阀故障2主轴密封电动阀切换把手卡涩、质量不可靠轴瓦温度异常1测温电阻因水轮机运转产生局部断线65黄海军等：大型无人值班水电站开机流程的设计与优化2.2适应“无人值班”的必要性在“无人值班、少人值守”的电站设计中，开机流程的恰当响应，关键在于准确识别机组状态。准确的定义，是自动化设计中的关键；在开机流程这一课题上，设计院、工程局、设备厂商则出于自身安全的需要，要求各外部的“黑盒”设备严格保证其的功能质量；但是，2.1 中发现了实际中的设备会因制造质量、安装位置、调试情况等问题，无法在所有指标上满足外部的使用要求。系统之间的质量冲突不可调和，若开机流程设计上不加以处理，必然会引起投产后的开机失败现象频发。此外，无人值班厂站的最大特点，就是电站现场并未安排必要的人员在值守，一旦远程开机出现异常，需要人工紧急介入处理9，而场地面积大、设备分散，人工介入是极为困难的，因此亟须提高状态定义的适应性。3开机流程优化的案例3.1电站 A 的开机流程优化（1）简化机组状态的定义：电站 A 的 SCADA 系统，采用与广蓄、十三陵等厂站类似的设计思路10，依靠严格的状态定义来控制流程的转向，任何关键部位的异常，都会转变为不定态，需要人工干预才能继续进行操作。结合2.1 中提及的设备现状，该设计的结果就是开机失败率高，而且开机失败后闭锁开机令、运行中状态突变等失灵现象多发。考虑到重新开机需恢复到自检前的状态，反复操作增加了时间，加上新投厂站的值班员还未掌握系统的特点，误操作容易发生，需要对机组状态的定义进行简化（见图 6）。（2）减少