水輪發(fā)電機組過速事故分析及處理

繆文輝

摘 要：針對水輪機調速器故障引發(fā)機組過速事故，介紹了PSWT型比例伺服數字微機調速器，事故的過程及處理，并詳細分析了事故原因，提出防范對策。

關鍵詞：調速器;過速;原因;防范對策

中圖分類號：TV737 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）20-0144-02

1 簡介

某水電站5號水輪機調速器系統(tǒng)采用武漢三聯水電控制設備有限公司PSWT-100型比例伺服數字微機調速器。該調速器機械部分采用兩套互為熱備用的電液轉換機構、機械手動操作機構、自動復中裝置、主配壓閥、緊急停機電磁閥等構成機械液壓隨動系統(tǒng)。先導控制級采用比例伺服閥、數字球閥構成的機械冗余結構，對主配壓閥進行裕度控制。該先導級可以分別通過比例伺服閥或者數字球閥進行自動控制，互不干擾，互為熱備用。比例伺服閥、數字球閥都起電液轉換作用，將電氣信號轉換成位移和流量信號，進而形成接力器行程。兩套控制系統(tǒng)一套在線運行，則另一套熱備用;由調速器電氣部分進行切換分選。如調速器電氣控制部分檢測主用的電液轉換環(huán)節(jié)發(fā)生拒動卡阻時，電磁閥將自動切換至熱備用的電液轉換環(huán)節(jié)。

PSWT-100型調速器系統(tǒng)，采用比例伺服閥作為調速器液壓系統(tǒng)的主用電液轉換元件，該閥由德國BOSCH公司生產。比例伺服閥是比例和伺服技術有機結合的產物，采用比例閥中的比例電磁鐵作為電氣、機械轉換器，而功率級滑閥又采用伺服閥的結構和閥芯、閥套加工技術。比例伺服閥電磁操作力大、靜態(tài)精度高、動態(tài)響應好，特別適用于閉環(huán)系統(tǒng)，具有重復性和滯環(huán)小的控制特點。數字球閥具有防油污和抗卡能力強的特性，是理想的小功率液壓控制和先導控制回路元件。彌補比例伺服閥對油質要求高的缺點，并且在調節(jié)過程中有實時的70～80Hz的微小顫動量，有效防止卡阻，作為比例伺服閥的冗余備份，確保調速器可靠控制。

2 事故經過

3月16日7時01分，5號機組開機，監(jiān)控系統(tǒng)啟動開機流程。機組開機過程轉速120%過速，調速器拒動，導葉未關回。運行人員現場檢查，機組頻率58.8Hz，調速器故障燈亮。運行人員現地操作停機流程，緊急停機動作，停穩(wěn)機組。

5號機過速過程調速器故障信號“比例閥出錯”、“導葉機械拒動”。監(jiān)控系統(tǒng)信號“調速器局部故障”、“5號機轉速105.6%，越上限”、“5號發(fā)電機115%過速保護動作”、“5號機轉速110.3%，越上上限”。

3 事故檢查、處理經過

事故發(fā)生后，檢修人員檢查確認自動控制回路動作正確，初步判斷機組過速為調速器機械卡阻拒動引起。為確定調速器故障原因與故障發(fā)生部位，對5號機進行空載開機試驗檢查。檢查情況如下：（1）調速器切“機手動”，數字球閥工作。現地手動操作數字球閥，開側數字球閥操作正常，關側數字球閥無法操作;（2）調速器切“電動”，比例閥工作?，F地電手動操作比例閥，開關機組導葉正常;（3）調速器切“電動”，數字球閥工作?，F地電動操作數字球閥，開側數字球閥操作正常，關側數字球閥無法操作。經上述現場檢查，確認關側數字球閥損壞。更換失效的數字球閥后，5號機自動開、停機正常。

4 事故原因分析

4.1 機組開機過速過程分析

5號機正常開機時，調速器接到開機令，自動將導葉開至開機導葉最大開度33%amax。當機組頻率達到45Hz時，調速器經PID調節(jié)，將導葉調至對應水頭的空載開度。該過程如圖1所示。

3月16日5號機開機，調速器比例閥將導葉開至28%amax開度時，機械卡阻，調速器控制輸出與導葉開度存在5%amax偏差，調速器判斷比例閥出錯，切數字球閥運行。此時機組頻率已達45Hz，調速器投入PID調節(jié)，操作關側數字球閥，欲將導葉關回至空載開度。由于關側數字球閥失效，導葉未動作，保持28%amax開度，機組轉速繼續(xù)上升。當機組轉速升至120%Ne左右時，機組動力矩與阻力距達到平衡，轉速不再上升。該過程如圖2所示。

4.2 機組115%過速保護動作情況分析

通常，如果5號機轉速115%過速，又遇調速器故障，經延時投入事故配壓閥，機組緊急停機。由于5號機主配發(fā)卡接點不能正確反應主配壓閥的實際情況，機組過速限制回路采用調速器自動控制退出替代常見的主配發(fā)卡接點。機組現地控制單元LCU判斷調速器故障的依據是調速器自動控制退出。

4.2.1 調速器自動控制退出信號動作情況分析

調速器自動控制退出PLC回路如圖3所示。3月16日5號機開機，比例閥卡阻，調速器判斷導葉機械拒動，導葉機械拒動000393閉合，比例閥控制出錯000446動作（回路1）;進而比例閥控制出錯000444動作并自保持（回路3、4）。調速器切數字球閥運行，關側數字球閥失效，調速器判斷導葉機械拒動，導葉機械拒動000393閉合，由于比例閥控制出錯000444打開，數字閥控制出錯000447無法動作（回路1、2）;故數字閥控制出錯000445無法動作（回路5、6）;進而自動控制退出000013無法復歸（回路7）。

注釋：000393導葉機械拒動;001024機手動;000003比例閥工作;000445數字閥控制出錯;000446比例閥控制出錯;000444比例閥控制出錯;000447數字閥控制出錯;000402上電2S動作;000313復歸信號;000312導葉反饋斷線;000013自動控制退出。

調速器自動控制退出判據為：調速器機手動、導葉反饋斷線、比例閥和數字閥均出錯（回路7）。由于數字閥出錯000445未動作，故調速器自動控制退出未動作。

同樣，如果調速器在數字閥主用時出錯，比例閥出錯000446也要判別數字閥無出錯（數字閥控制出錯000445未動作），故調速器自動控制退出亦無法動作。

4.2.2 機組115%過速保護動作情況分析

注釋：I0072導葉空載及以上位置;I0020轉速115%接點;I0092調速器自動控制退出接點;I0066機組開關分位置;M0109中間變量;M0107事故回路中間變量;I0028現地投事故配壓閥;Q0024事故配壓閥投入。

機組115%過速保護PLC回路如圖4所示。由于調速器自動控制退出未復歸，故調速器自動控制退出接點I0092閉合，中間變量M0109動作（回路1）;則事故回路中間變量M0107未動作（回路2）。事故配壓閥投入Q0024無法動作（回路4），機組無法動作緊急停機。

綜上所述，事故發(fā)生過程中，自動回路動作正確。5號機過速時，由于調速器自動控制退出回路存在的設計缺陷，致使機組115%過速保護未動作。

5 防范措施

5.1 比例閥發(fā)卡防范措施

比例伺服閥的先導級單純采用滑閥的閥芯、閥套配合形式，液壓集成塊內部油流通道沒有微小節(jié)流孔口，不易堵塞。油質的精度通常小于20μm即可，要求不太高。但比例伺服閥仍屬高精密的元件，若油中存在的雜質較大，尤其是較大的金屬雜質，在調速器工作過程中，雜質可能卡住比例伺服閥導致其無法復中，引起水輪機導葉異常動作。如要避免此種故障，建議做到以下三點：（1）加強調速器在大、小修時的檢查、維護工作;閥體內部油流通道徹底清洗干凈，確保無雜質遺留，避免雜質進入閥體內部流道，造成比例伺服閥閥芯卡阻;（2）調速器油過濾器更換高目數濾網，確保調速系統(tǒng)油質清潔，無雜質;（3）定期檢修維護比例伺服閥，完善周期試驗、更換制度。

5.2 機組115%過速保護未動作防范措施

針對調速器自動控制退出回路設計缺陷，修改調速器控制程序，確保調速器在機械拒動時，準確送出調速器自動控制退出信號，保證機組115%過速保護正確動作，保障機組運行安全。

6 結語

5號機調速器關側數字球閥損壞是機組過速的直接原因，致使導葉無法關回;先導閥或者比例伺服閥瞬時發(fā)卡，是機組過速的間接原因。調速器自動控制退出回路的設計缺陷是造成機組115%過速保護未動作停機的原因。

參考文獻

[1] 黃志堅，王欽若.電液伺服與比例控制裝置使用與維修[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2] 許益民.電液比例控制系統(tǒng)分析與設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[3] 武漢三聯水電控制設備有限公司[G].數字調速器原理操作說明書，2011.