調(diào)速器伺服環(huán)故障原因分析與預(yù)控措施

賀文 靜， 甘 波， 劉 軍

(四川嘉陵江小龍門航電開發(fā)有限公司，四川南充 637000)

調(diào)速器伺服環(huán)故障原因分析與預(yù)控措施

賀文 靜， 甘 波， 劉 軍

(四川嘉陵江小龍門航電開發(fā)有限公司，四川南充 637000)

小龍水電站安裝的豎井貫流式機(jī)組為國內(nèi)首次試驗(yàn)制造，在國際上的應(yīng)用非常罕見，但其在多年的運(yùn)行中逐漸暴露出各種缺陷。對該電站4號機(jī)組調(diào)速器伺服環(huán)故障引起的機(jī)組事故停機(jī)的原因進(jìn)行了逐項(xiàng)排查和分析并提出了一系列預(yù)控措施，可為同類機(jī)組類似問題的分析處理提供借鑒，同時也警示同類機(jī)組在設(shè)計(jì)與制造時應(yīng)加以重視，從根本上保護(hù)機(jī)組運(yùn)行的安全。

調(diào)速器；伺服環(huán)；故障；分析與預(yù)控；小龍水電站

1 概述

小龍水電站位于嘉陵江中游南充市順慶區(qū)和高坪區(qū)河段上，是《嘉陵江蒼溪至合川段水電規(guī)劃》嘉陵江廣元至重慶段16級開發(fā)方案中的第11級。該電站共安裝了4臺、亞洲單機(jī)容量最大的豎井貫流式機(jī)組。該機(jī)型機(jī)組在設(shè)計(jì)、制造等各方面均處于起步階段，國內(nèi)外無成熟經(jīng)驗(yàn)可借鑒。小龍水電站首臺機(jī)組于2008年8月16日投產(chǎn)，2009年5月底開始，4臺機(jī)組相繼在投運(yùn)5 000～3 800 h后因增速器不能經(jīng)受機(jī)組連續(xù)運(yùn)行的正常荷載和事故停機(jī)時的沖擊荷載造成低速端行星齒輪軸瓦燒損被迫停運(yùn)。隨后，廠家歷時兩年多時間對4臺機(jī)組增速器進(jìn)行了兩輪技術(shù)改造，運(yùn)行狀況有了一定改善。但該類機(jī)組在運(yùn)行中仍不時暴露出各類問題，進(jìn)而影響到電廠的安全和經(jīng)濟(jì)效益。

因此，在電廠的日常運(yùn)行管理中，需要深入查找機(jī)組存在的缺陷，及時向廠家報(bào)告，對出現(xiàn)的各種問題和疑點(diǎn)都不放過，力求找到最本質(zhì)的原因，千方百計(jì)地做好對機(jī)組設(shè)備的保護(hù)，防止事故停機(jī)對增速器的沖擊。

2 故障現(xiàn)象及排查情況

2014年5月6日，4號機(jī)組檢修完畢，投入運(yùn)行。7月11日，4號機(jī)組由6 MW增加負(fù)荷至7．8 MW左右時，因調(diào)速器輪葉伺服環(huán)故障引起事故停機(jī)(輪葉伺服環(huán)故障判斷條件:輪葉開度給定值與輪葉實(shí)測值之偏差大于檢測閾值5%，且在10 s內(nèi)未返回，即判為輪葉伺服環(huán)故障)。停機(jī)后，值班人員立即對機(jī)組進(jìn)行了靜態(tài)檢查，發(fā)現(xiàn)輪葉在靜態(tài)情況下可以全行程正常開、關(guān)動作；但當(dāng)輪葉全開后再強(qiáng)制給開信號時，輪葉主配壓閥(以下簡稱“輪葉主配”)關(guān)閉腔有回油量較大的現(xiàn)象出現(xiàn)，另外還發(fā)現(xiàn)有以下現(xiàn)象存在:

(1)實(shí)測調(diào)速器回油箱油溫48℃，已接近操作油的最高使用極限溫度(50℃)；發(fā)現(xiàn)調(diào)速器油冷卻器卸載閥底座通往回油箱的孔沒有封堵，操作油未經(jīng)過補(bǔ)油泵油冷卻器。油冷卻器未起到冷卻作用。

(2)檢查輪葉主配平衡位置時，發(fā)現(xiàn)其在偏開位置，但此單一因素不應(yīng)引起如此大量的噴油；在調(diào)整輪葉主配平衡位置后，在油溫沒有下降的情況下仍然噴油。

(3)檢查輪葉主配磨損情況時發(fā)現(xiàn)有輕微的磨損，但不足以引起大量的噴油。

為了分析輪葉伺服環(huán)故障的本質(zhì)原因，我們在充分做好安全措施和應(yīng)急處置措施后，將調(diào)速器切為“電手動模式”開機(jī)進(jìn)行動態(tài)檢查，發(fā)現(xiàn)有以下現(xiàn)象存在:

(1)當(dāng)輪葉開度大于12%后，其動作變得非常緩慢，幾乎無法再開大，同時發(fā)現(xiàn)輪葉主配關(guān)閉腔回油呈噴射狀、大量噴油。

(2)油壓裝置壓力下降很快，1 min內(nèi)油壓從停泵壓力6．3 MPa下降到啟泵壓力5．9 MPa，實(shí)測回油箱油溫為48℃。

在排查中，除以上幾點(diǎn)現(xiàn)象外未發(fā)現(xiàn)有其它明顯的異常情況，于是決定對受油器進(jìn)行解體檢查，以便發(fā)現(xiàn)其是否存在安裝、調(diào)整不滿足設(shè)計(jì)要求、受油器浮環(huán)磨損以及受油器密封圈老化破損等缺陷。受油器結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 受油器結(jié)構(gòu)示意圖

在對受油器進(jìn)行解體過程中發(fā)現(xiàn):(1)受油器浮環(huán)與水輪機(jī)主軸間隙在0．1～0．15 mm之間，符合設(shè)計(jì)要求，與檢修時測得的數(shù)據(jù)一致。(2)受油器三個浮環(huán)之間的間隙由加工尺寸決定，檢查中發(fā)現(xiàn)浮環(huán)未受到磨損，各部位把合螺栓均緊固無松動。(3)除1號密封圈外觀存在老化、彈性不足外，其余所有的密封圈均正常，1號、2號密封圈及三個浮環(huán)之間密封圈的剖面直徑設(shè)計(jì)值為φ7．7±0．15 mm，實(shí)際測量1號密封圈尺寸為φ7．64～7．66，其余密封圈尺寸在φ7．66～7．78之間，均在許可范圍以內(nèi)。

從圖1中發(fā)現(xiàn):2號密封圈是靜壓密封，其壓縮量滿足要求。因此，既使1號密封圈變形、壓縮量不足，也不會導(dǎo)致大量漏油，況且此處漏油會通過集油槽進(jìn)入漏油箱，不會在輪葉主配回油處噴油。

抽屜原理是將需要討論的元素按一定特質(zhì)分類，當(dāng)取出足夠多的元素時，再運(yùn)用抽屜原理將范圍縮小，從而推導(dǎo)出屬于同一類的某幾種元素，它們均同時具備某種特質(zhì)，由此推導(dǎo)出題目的結(jié)論。運(yùn)用抽屜原理時通常會出現(xiàn)以下幾個特點(diǎn)：第一、題目中所討論的元素具備任意性；第二、題目的結(jié)論至少要有一類是具備某種特質(zhì)的，是一個存在性命題；第三、結(jié)論不需要確定，但需存在。

另外，輪葉接力器密封采用“孔用方形圈組”密封結(jié)構(gòu)，由“抗磨聚四氟乙烯環(huán)”和“O形橡膠密封圈”組合而成，具有“雙向密封效果”，其廣泛應(yīng)用于液壓缸動密封。加之包括4號機(jī)組在內(nèi)的所有轉(zhuǎn)輪體油缸和活塞在檢修時均未發(fā)現(xiàn)明顯的磨損，故最終沒有對轉(zhuǎn)輪體進(jìn)行解體檢查。

綜上所述，在對以上設(shè)備進(jìn)行檢查后均未發(fā)現(xiàn)明顯問題的情況下，我們對受油器、轉(zhuǎn)輪體、主配等部位機(jī)械密封漏油量的大小與操作油的溫度關(guān)系進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)漏油量的大小實(shí)際上與操作油的溫度密切相關(guān)，油溫越高，漏油量越大，反之，亦然。式(1)為包括受油器在內(nèi)的機(jī)械密封漏油量的計(jì)算公式。

式中 Q為通過密封縫隙的泄漏量，cm3/s；dm為密封面平均直徑，mm；h0為密封縫隙的高度，即油膜厚度，μm；Δp為密封面內(nèi)周和外周壓力差，Pa；η為液體動力粘度，Pa·s；b為密封面寬度，mm。

由于Δp無法收集，故此處采用在同一部位比較事故停機(jī)(油溫48℃)和正常運(yùn)行時(油溫36℃)的漏油量關(guān)系進(jìn)行分析(式2)。

式中 腳標(biāo)36和48分別代表36℃和48℃時的相應(yīng)參數(shù)。

查詢動力粘度曲線(圖2)36℃時操作油的動力粘度為45 Pa·s，48℃時為26．5 Pa·s；動力粘度越小，油的流速增加，密封面出口流速比受油器開腔流速大得多，即Δp48/Δp36＞1，甚至是若干倍。由此可見，隨著溫度的升高，密封漏油量也是呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系增加的。圖 2為某品牌 LTSA46汽輪機(jī)油動力粘度曲線。

圖2 某品牌L－TSA46汽輪機(jī)油動力粘度曲線

3 調(diào)速器伺服環(huán)故障是引發(fā)機(jī)組事故停機(jī)的主要原因

由于調(diào)速器輪葉主閥處于偏開位，若遇機(jī)組負(fù)荷調(diào)整或水頭變化將會引起操作油壓快速下降，此時補(bǔ)油泵的補(bǔ)油量將無法滿足要求進(jìn)而導(dǎo)致主或備用壓力油泵頻繁啟動、油溫逐漸上升，受油溫升高影響，受油器和輪葉開關(guān)腔之間的竄油量也隨之增大，這又會導(dǎo)致壓力油泵啟動更加頻繁、油溫繼續(xù)上升進(jìn)而形成惡性循環(huán)。當(dāng)機(jī)組增加負(fù)荷時輪葉隨導(dǎo)葉開度的增加而增加，輪葉主配向開的方向動作，受油器和輪葉開關(guān)腔竄油量猛增引起輪葉主配關(guān)腔噴油輪葉接力器操作油壓降低。當(dāng)輪葉接力器操作力降低到不足以克服水力矩及其他阻力時輪葉操作就變得十分緩慢甚至操作不動，將會導(dǎo)致輪葉開度反饋值與給定值的偏差大于閥值5%，且持續(xù)時間超出10 s，此時，調(diào)速器即判定為伺服環(huán)故障，監(jiān)控系統(tǒng)收到此故障信號后發(fā)出事故停機(jī)令。

然而，同樣是在操作油溫度上升后，機(jī)組減負(fù)荷時輪葉開度卻能在規(guī)定的時間內(nèi)調(diào)整到給定值，這是由于關(guān)輪葉時輪葉接力器克服的水力矩相比開輪葉時小得多的原因。排查處理后，機(jī)組開停機(jī)均正常，這是因?yàn)橥C(jī)后油溫逐漸下降到環(huán)境溫度、油壓裝置油冷卻器也正常投入從而降低了操作油運(yùn)行溫度的緣故。

由此可以判斷4號機(jī)組調(diào)速器伺服環(huán)故障引發(fā)機(jī)組事故停機(jī)的主要原因是:調(diào)速器輪葉主配平衡位置偏開位引起操作油油溫升高所致。同時也解釋了調(diào)速器伺服環(huán)故障引起機(jī)組事故停機(jī)多發(fā)生在夏季環(huán)境溫度較高時這一現(xiàn)象。

4 預(yù)控措施

(1)取消補(bǔ)油泵加載功能。補(bǔ)油泵僅作為油冷卻泵投入各臺機(jī)組油壓裝置冷卻器，用于降低操作油溫度。

(2)年度檢修時，對調(diào)速器進(jìn)行全面檢查維護(hù)，特別注意檢查調(diào)整導(dǎo)葉和輪葉主配在平衡位置。

(3)在日常運(yùn)行中，注意觀察機(jī)組的運(yùn)行工況和油壓裝置壓力油泵啟動的頻次；合理設(shè)定機(jī)組運(yùn)行的凈水頭，減少功率波動。

(4)技術(shù)改造時，結(jié)合實(shí)際論證調(diào)速器運(yùn)行可靠性并了解其他用戶的使用情況，考慮在調(diào)速器增設(shè)機(jī)械手動開環(huán)控制回路，當(dāng)出現(xiàn)伺服環(huán)等調(diào)速器故障信號時，首先應(yīng)切換到機(jī)械手動開環(huán)控制回路以維持現(xiàn)有的運(yùn)行狀態(tài)，再根據(jù)需要緩慢降負(fù)荷停機(jī)檢查處理，以避免對增速器產(chǎn)生不必要的沖擊，以期延長其使用壽命。

(5)論證提高油品牌號的可行性。例如將LTSA46汽輪機(jī)油更換成L－TSA68汽輪機(jī)油，在同一溫度下，提高動力粘度，減少竄油量和漏油量。

5 結(jié)語

目前，小龍水電站已在4號機(jī)組采取了前三項(xiàng)預(yù)控措施，經(jīng)過長期運(yùn)行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，操作油油溫穩(wěn)定在36℃左右，油壓裝置壓力油泵啟動時間間隔從7～8 min延長到了18～20 min(均為穩(wěn)定情況)，未再發(fā)生事故停機(jī)情況。本次事故原因的排查分析可為同類機(jī)型調(diào)速器的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供參考。

對于水電廠現(xiàn)場管理來說，惟有在制造商的支持下深入研究、分析和找準(zhǔn)機(jī)組存在的薄弱環(huán)節(jié)，分析故障發(fā)生的本質(zhì)原因，并對其不斷加以改進(jìn)完善，努力提高設(shè)備的使用壽命，才能實(shí)現(xiàn)水電廠安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益的目標(biāo)。

(責(zé)任編輯:李燕輝)

TV7;TV738;TV735;TV734．4

B

1001-2184(2015)05-0124-03

賀文靜(1976-)，男，四川簡陽人，總經(jīng)理，高級工程師，從事航電樞紐技術(shù)與管理工作；

甘 波(1982-)，男，四川資中人，工程師，工程碩士，從事航電樞紐運(yùn)維技術(shù)工作；

劉 軍(1977-)，男，四川廣安人，運(yùn)維部副經(jīng)理，工程師，從事航電樞紐運(yùn)維技術(shù)與管理工作．

2015-08-08