新丰江发电公司机组LCU数据库及控制流程优化改进

新丰江发电公司位于广东省河源市境内, 现装设4台立式混流机组, 总装机容量335MW, 在系统内主要承担调峰调频任务。四台机组及公用系统现地控制单元LCU于2003年底完成升级改造, 采用的是南瑞自控公司研发的SJ-600智能分布式现地控制单元。它主要由三部分组成:主控模件CCU、智能I/O模件、现场总线网络CAN网。LCU结构特点为: (1) 主控模件CCU是LCU的核心部分, 采用了嵌入式CPU586和电子盘, 并配有实时多任务操作系统PSOS。SJ-600系列应用软件:数据库组态、流程组态、流程管理、I/O监视等均位于其上。 (2) I/O模件是由386CPU管理的智能模件, 各板均自带CPU, 不同的模件完成不同的功能并实现自诊断。 (3) 外部设备通讯。通过SJ-33串口实现了CCU与测温、触摸屏、交流采集装置等外接设备的通讯。

与以往的LCU相比, SJ-600具有更强的独立性和控制性, 表现为:数据处理功能强大。除实现现场数据采集这一基本功能外, I/O量的报警、越复限条件判断, PID参数设定与调节, 综合量的设置及应用, 均由LCU的数据库组态软件完成并上传至上位机系统;机组控制功能完备。机组顺控流程全在LCU数据库保存, 它们的编辑、修改通过LCU流程组态软件实现, 上位机的顺控仅起着控制令的作用。

机组LCU投运后, 各项功能基本正常, 但在运行中, 也相继出现了一些问题, 给安全生产带来不稳定因素。为此我们列出问题清单, 按照水力发电厂安全性评价《计算机监控系统》及反事故措施的要求, 我公司技术人员结合实际情况, 加强对故障原因的追踪和分析, 一方面, 对外部回路和自动化元件进行改造, 并改善它们的运行环境;同时, 更充分发掘LCU组态软件功能, 对机组LCU数据库、流程进行了一系列的优化改进, 经运行试验, 效果显著, 保障了系统的稳定运行。

1 运行中存在的主要问题

(1) 投运后各台机组频繁出现“DEF3任务不正常”、“DEF4任务不正常” (测温、交流采集装置与CCU通信不正常) ; (2) 机组无功、有功跳变失控 (运行中突升至最大值) (3) 机组有功波动大造成有功调节频繁退出; (4) 机组控制过程中因元件偶发性故障、设备动作时间过长、测值跳跃等造成流程非正常退出, 开停机成功率下降; (5) 外部自动化元件工作不稳定或现场干扰造成测点抖动频繁报警, 不利于运行人员监视其他登录信息; (6) 因机组工况变化造成相关电气量、温度量的不真实越限报警; (7) 变送器测值跳变造成的流程误启动; (8) 机组制动风闸系统气路不畅问题等等。

通过数据库、流程的优化改进, 开停机成功率从97.43%提高到99.5%, LCU设备缺陷从第一季度的24次减少到第四季度的6次, 特别是通过数据库改进解决了机组无功、有功跳变失控 (运行中突升至最大值) 的危险重大缺陷, 并结合外部设备的实际情况通过优化逻辑组合着重解决了开、停机流程受阻的问题, 缩短了开、停机时间, 加快了并网速度, 减少了水耗, 提高了水能利用率。

2 优化改进的技术原理和方案

(1) LCU数据库方面所做的优化方案:由于SJ-600数据库采用组态界面, 也可利用表达式综合量计算功能编辑脚本, 简洁直观、组合方便。我们通过学习和不断摸索, 逐渐掌握了SJ-600数据库编辑软件的使用, 并用编辑软件的高级功能对数据库进行了以下优化。

(1) 合理利用报警屏蔽功能, 去除某些工况下的不真实报警信号, 使监控系统能更确切的反映现场设备运行信息。因机组在运行中与机组停机时各种电气量和非电气量变化较大, 出现大量的电气量越低限、非电气量越低限、有功、无功限制报警, 严重影响了运行人员的监护和判断。对此, 我们根据报警信号的产生、类型及机组状态, 例如:机组开关断开动作;转速≥95%复归;机组空载态等。利用数据库编辑软件的表达式、虚拟点分别对机组电气量和非电气量共几十个点进行了优化, 优化后如机组冷风温度与转速小于5%组合进行屏蔽, 机组的技术供水压力、润滑水压力、机组励磁电流、电压与机组开关断开动作、转速小于95%组合进行屏蔽。从而使监控系统能更确切的反映现场设备运行信息。

(2) 增加提示及语音报警, 为运行人员提供操作指导。为达到智能分析与判断, 为了出现问题时好分析、解决问题的需要, 我们新增的表达式主要包括:DEF3、DEF4任务不正常报警信号的引取;风闸在下部报警信号仅在机组发电态起作用;无功给定值的获取及无功开出异常报警;有功无功限制动作等等;由于AGC的投入, 机组调节频繁, 增加了机组运行工况改变语音提示等。

(3) 对现场干扰及抖动大的测点合理选择滤波, 消除频繁报警、积信问题。对于因运行环境等问题易产生抖动的点, 使用滤波功能, 通过合理选择滤波时间, 滤除干扰;电厂能量转换环节多, 部分自动化元件运行环境恶劣, 我们结合实际, 对风闸位置监视、润滑水压等测点进行了滤波处理, 取得了很好的效果。如风闸加闸压力异常测点抖动过频造成其它测点无法在第一时间登陆简况表的积信问题。

(4) 通过组合优化LCU的PID参数, 解决了与调速器、励磁系统之间的配合及躲避机组振动区造成调节时间过长, 频繁退出调节的问题。由于AGC的投入, 调节频繁、幅度大, 在1h以内, 机组由空载到带部分负荷运行有6次之多;导水叶接力器在lmin之内往返动作有10多次。因水轮机调速器采用PID算法进行调节, 属于一次调频, 一个负荷的调节过程需经几次往返调节才能完成, 而负荷调节次数多。这样原有的运行方式改变了, 有时会造成一次调频要求增加负荷而LCU要求减少负荷的矛盾, 同时机组LCU投运时, PID参数进行过周密的试验, 与调速器、励磁调节器等设备配合完美。而自2006年我公司AGC功能的全面投运, 运行方式改变, 作为调峰主力, 中调分配下发的有功负荷变化急剧, 出现波动大, 调节时间过长, 条件不满足等故障, 中调要求高, 给运行人员造成极大困扰。为此, 我们根据各台机组调速器、励磁装置的调节状况, 对参数进行了多次试验和优化, 重新设定了调速器和LCU的调节死区、步长、周期以及Kp、Ki等参数, 做到既满足调度要求, 又保证机组自身的安全运行。

(5) 针对无功突变失控及DEF3、DEF4任务不正常两个重要的缺陷对LCU主程序改进, 解决了上述问题。一是:LCU投运以来, 四台机组频繁发生的DEF3任务不正常、DEF4任务不正常。 (说明:DEF3任务不正常指CCU与交流采集装置通讯不正常, 故障出现时, 上位机失去对电气量的监视, 尤其是无法监视与调节机组有功、无功;DEF4任务不正常指C C U与测温装置通讯不正常, 失去对温度量的监视。) 不仅使维护人员的工作量大大增加, 更为严重的是, 故障出现时登录信息不明显, 运行人员无防备, 不停下发有功、无功调节命令, 当通讯突然恢复时, 几次出现机组有功、无功暴涨现象, 危及机组安全。为此, 我们一方面采取安全措施如增加故障语音报警、通讯故障时禁止调节有功无功等, 另外, 加强对故障现象的跟踪分析, 最终, 我们发现了DEF3、DEF4故障的出现在于通讯口, 对主程序进行了改进:将SJ-33扩展板的最后两个串口优化, 专供LCU与测温、交采装置的通讯使用。四台机组随后全部进行更换通讯口, 从此, 故障消失。二是:06年6月开始, 四台机组相继发生无功突变失控现象。这种故障是随机的, 与机组的状态、时间均无关系, 机组运行中无任何征兆的, 无功突升至最大值, 造成母线电压升高, 危及系统安全。我们通过引入上、下位机无功给定值, 对比故障出现时的历史曲线记录, 经过多次加班观察, 发现无功最大值的给定是LCU发出, 其产生的根源在于下位机CCU中原给定值由于某种原因或干扰丢失。因此, 又一次修改主程序, 对有功、无功设定值进行有效性判断, 方法是判断给定值在可设定值范围内并且在限制值范围内才能出口进行调节, 更改程序后经过近半年的运行, 故障未再发生。

(2) LCU流程方面所做的优化。我公司LCU的机组控制流程在执行中, 曾因多种原因造成了非正常的退出, 特别是06年投入AGC后, 系统调节、开停机频繁, 这种非正常退出降低了机组开停机成功率, 增大了运行和维护人员的工作量。因此, 我们利用SJ-600流程组态使用的是框图语言, 可视性强, 链接方便, 结合外部设备及自动化元件的工作特性分别对流程进行了一系列的改进。

1) 通过优化顺控流程解决了我公司制动风闸系统动作排气不畅的特殊故障, 大大提高自动开停机成功率。

90年代初, 弹性金属塑料推力轴瓦取代了钨金轴瓦, 提高了发电机组推力轴承的承载能力和安全性, 降低了检修维护工作量。但由于弹性金属塑料推力轴瓦磨擦系数较低, 停机时若水轮机导水叶存在一定的漏水, 则有可能导致机组蠕动。因此将发电机的制动流程更改为停机时一直保持加闸, 以防止机组蠕动, 开机前解除制动, 这对风闸的动作可靠性要求提高了。老式结构的风闸很难满足这个要求, 2003年、2004年期间, 将风闸改造为双向气复位结构, 以从根本上解决风闸复位不可靠问题。改造后投运初期, 情况良好, 但没过多久, 就频繁出现风闸复位时加闸腔排气不畅, 导致风闸动作不灵。通过统计调查, 在开停机过程中, 由于制动风闸系统原因造成的流程退出故障从下表可知2005年底至2006年, 共发生25次制动系统故障, 特别是2006年初, 问题更加突出。

为此, 我公司对这个问题组织电气机械技术人员与进行了专题分析, 我公司2002年底开始对风闸制动系统进行了改造, 应用了目前在水电厂广泛采用的气复位制动器, 改造后运行情况良好, 2005年在#3机组出现了开机过程风闸不能复位的故障, 造成机组自动开机流程超时退出, 出现故障时需运行人员处理, 增加了运行人员负担后利用后夜停机时间, 采用分割法检查, 发现了个别风闸有串气现象, 更换盘根后正常, 经过处理后运行一段时间又出现上述情况, 对我公司的安全生产非常不利。针对这种故障, 经过多次的分析:发现该故障不是单纯的风闸串气, 该风闸是成熟的产品盘根的规格与尺寸也在误差范围内, 串气与风闸集成块的控制模式有关系, 我公司的风闸控制是采用排气与加气同时进行的控制方式, 采用这种方式要求气路比较畅顺, 但我公司的风闸排气管路由于历史原因, 管路较长, 有部分是埋设安装, 加上风闸集成块的电磁阀孔径较小, 有一定的气阻, 如有风闸盘根密封稍微差些, 会使排气与加气达到平衡, 排气管路依然有一定压力, 造成机组开机条件不满足的故障。分析发现, 制动控制逻辑存在缺陷, 风闸复位时复位腔通气、加闸腔排气, 两者同时进行, 这时若风闸活塞密封圈存在很难避免的漏气量, 则两个腔的气压差小, 从而降低了风闸活塞的密封性能, 导致两个腔窜气。

解决问题的办法是改进机组制动控制流程逻辑。风闸动作时, 复归腔先排气, 等待复归腔的气压基本为零时, 经延时后加闸腔再加气, 以保证两个腔的气压差, 当复归腔与加闸腔的气压差达到一定时, 风闸动作迅速可靠, 迅速的动作使风闸的活塞跨越了漏气量较大的区域, 改善风闸活塞的密封性能。

2006年11月, 结合#4机组检修, 改进了#4机组的制动控制流程逻辑。经过运行考验, 改进效果明显, 再没有出现过以前的问题。接着, 至2008年, 结合机组检修, 相继完成了#1机组、#3机组、#2机组的制动控制流程逻辑改进。

风闸集成块更换改造及机组控制流程改进后没有出现过上述故障, 风闸制动系统动作可靠, 运行情况良好。据了解目前有许多电厂也存在这个问题, 我公司通过改进气路及控制模式、优化机组控制流程, 做到机电一体化, 克服了风闸系统气路不畅即使个别风闸有串气时均能可靠动作的技术难题。

2) 对流程执行中易出问题的地方, 采取冗余、容错设计, 既提高了可靠性又保证安全性。

(1) 调整有关条件框引用测点和等待时间。LCU刚投入使用时, 基本上四台机组的流程完全一致。但随着运行时间的推移, 我们发现, 各台机组都有自己的特性, 如#2机组因漏水原因, 停机时间最长;#3机工业水阀开启时间长等等。我们在掌握大量运行数据的基础上, 对流程中条件框引用测点及等待时间都作了相应的更改, 使其更符合设备运行实况。

(2) 对流程执行中一些关键开出点, 采取冗余设置, 保证可靠率。通过对机组运行情况和故障分析, 我们发现流程常在分开关、加闸、起励、合开关等环节出现异常退出, 而这些故障往往是暂时性的, 流程再启动时即可消除, 我们通过在流程中对这些开出点进行冗余设置, 对“停机——空转”、“空转——空载”、“空载——发电”等子流程作了相应的修改, 从而避免了因短暂性故障造成的流程退出。

(3) 对流程执行过程中的各个环节, 加强监视并区分报警登录信息。流程执行中, 涉及到跟众多自动化元件和控制回路的配合, 哪一方面的原因都可能造成流程的非正常退出。而中调侧对水电厂机组的并列运行时间要求很严格, 我们通过加强对流程执行各环节的监视, 并在登录语句上加以区分, 可以使运行和维护人员迅速发现故障点并消除缺陷。

(4) 解决流程定时器不准的问题。S J-600投运初期, 因软件开发的问题, 流程中应用到的定时器存在计时不准、工作紊乱的现象, 例如:某机组发停机令后, 从“导叶全关”等待到“转速≤25%”的时间原定为12分钟, 可登录时间显示, 不到2分钟, 流程报“机组转速降不下”退出。类似的情况发生多次, 后来我们流程中较长的定时分成几个较短的时间执行, 并对CCU的主程序作了修改, 近年来, 流程定时器不准的问题没有再发生。

(5) 变送器测值跳变造成的流程误启动。实际运行中, 模拟量的测值可信度较开关量低, 但有些流程的启动源又离不开模拟量, 如压油泵的备用启动流程、备用水自投流程等。运行中就经常出现因变送器测值跳变造成这些流程误启动, 后来, 我们对这类流程进行了改进, 对模拟量作延时判断处理, 流程误启动后基本都能立即退出并登录报警语句。

3 结语

影响生产设备运行情况原因众多, 但只要我们在掌握原理的基础上, 坚持不懈的跟踪、分析, 就一定能找到解决的方法, 保障安全生产。

摘要：我公司机组现地控制单元LCU投运后, 出现了一系列问题, 影响安全生产。技术人员结合实际情况, 加强对故障原因的追踪和分析, 一方面, 对外部回路和自动化元件进行改造, 并改善它们的运行环境;同时, 更充分发掘LCU组态软件功能, 对机组LCU数据库、流程进行了一系列的优化改进, 取得了显著的效果。

关键词：主要问题,数据库优化,流程改进