調(diào)速器頻繁抽動原因分析及解決辦法

馬劍瀅，牛喜貴

（甘肅電投大容電力有限責任公司，甘肅 蘭州 730030）

調(diào)速器頻繁抽動原因分析及解決辦法

馬劍瀅，牛喜貴

（甘肅電投大容電力有限責任公司，甘肅 蘭州 730030）

通過對某水電站機組調(diào)速器頻繁抽動的原因分析，采取改造調(diào)速器接力器開度反饋裝置、改變機組關閉規(guī)律等一系列措施，成功解決了此問題。

調(diào)速器；抽動；機組飛車；調(diào)保計算；處理

1 概述

水電站3臺調(diào)速系統(tǒng)設備為YWT-3000步進電機式，每套包括電調(diào)柜1面、壓油泵控制柜1面、7.5 kW壓油泵2臺、中間補氣罐2個（各10 L），壓油罐1個（額定工作壓力為2.5 MPa），敞開式集油箱1臺，導葉反饋采用角位移傳感器。3臺調(diào)速器于2007年4月相繼投入使用。在使用過程中存在以下主要問題：

調(diào)速器抽動頻繁，幅度大，在自動開機時，機組經(jīng)常出現(xiàn)過速停機現(xiàn)象，只能采用手動開機流程；引導閥在冬季經(jīng)常出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象，機組無法正常運行；引導閥內(nèi)漏現(xiàn)象嚴重，在正常調(diào)整過程中，流油量由最初的滴漏，形成連續(xù)不斷地線性下漏。油壓裝置壓力油罐油氣比例不能滿足要求，補氣量不足（電站無中壓氣系統(tǒng)，調(diào)速器補氣采用中間補氣罐補氣的方式補氣，補氣效果不佳）；調(diào)速器中間罐罐頭磨損過快（一個中間罐需兩年更換一個罐頭）油壓裝置中的濾油器濾芯無備件，截止目前從未更換過，濾芯已經(jīng)無法正常工作。

2 電站簡介

水電站位于甘肅省迭部縣白龍江一級支流多兒河上，距迭部縣縣城65 km處，是白龍江干流尼什峽至沙川壩段梯級開發(fā)規(guī)劃的13座水電站之一。廠房位于多兒河匯入白龍江匯口下游500 m處的白龍江右岸，總裝機容量30 MW，安裝3臺10 MW水輪發(fā)電機組。電站工程主要建筑物由攔河大壩、溢洪道、泄洪排沙洞、發(fā)電引水洞、調(diào)壓井、壓力鋼管、水電站廠房及變電站等建筑物組成，電站工程為Ⅳ等小（I）型工程。泄水建筑物由開敞式溢洪道、泄洪排沙洞組成，均布置于右壩肩，校核洪水泄量382.3 m3/s，設計洪水泄量265.5 m3/s。引水發(fā)電隧洞位于多兒河右岸山體中，低壓引水隧洞總長6 319.953 m（樁號0-006.872～6+313.081 m），高壓引水隧洞總長333.325 m（樁號6+313.081～6+646.406 m），壓力鋼管總管長126.961m，岔管為卜型岔管，最長36.403m。電站設計引用流量24 m3/s，設有阻抗式調(diào)壓井，井筒內(nèi)徑8 m，井高44 m。水庫正常蓄水位1 986 m，總庫容813萬m3。電站主要任務是水力發(fā)電，于2007年4月投產(chǎn)發(fā)電。

3 技術(shù)參數(shù)

3.1 上游水位

校核洪水位：1 989.00 m

設計洪水位：1 986.90 m

正常蓄水位：1 986.00 m

死水位：1 974.00 m

3.2 下游尾水位

廠房校核尾水位（Q=1 390 m3/s，含干流流量）：1 844.30 m

廠房設計尾水位（Q=1 000 m3/s，含干流流量）：1 842.70 m

3臺機滿發(fā)尾水位（Q=72 m3/s，含干流流量）：1 836.30 m

2臺機滿發(fā)尾水位：1 835.94 m

1臺機滿發(fā)尾水位：1 835.58 m

半臺機發(fā)電尾水位（Q=28.4 m3/s，含干流流量）：1 835.40 m

3.3 機組資料

4 原因分析

通過對電站設備及原始設計資料核查，分析造成調(diào)速器問題的原因主要有以下幾點：

（1）調(diào)速器的接力器行程位移量反饋單元形式復雜，位移量經(jīng)過兩次轉(zhuǎn)化縮放，難以準確反映精確位置。

經(jīng)查機械液壓系統(tǒng)圖可知，調(diào)速器的接力器位移量反饋單元工作原理：首先利用反饋斜塊的斜度將接力器的水平直線位置轉(zhuǎn)化成反饋桿的垂直位移量。反饋桿的位移量傳遞給位移傳感器。接力器活塞全行程為245mm,反饋斜塊的斜面低側(cè)高度為55mm，高測為75 mm，斜面水平長度為255 mm。反饋過程中將245 mm水平位移量，轉(zhuǎn)化為20 mm的垂直位移量。位移量首次轉(zhuǎn)化是方位轉(zhuǎn)化，即水平位移轉(zhuǎn)化為垂直位移，第二次轉(zhuǎn)化是數(shù)值縮放，將245 mm的水平位移值縮減成20 mm的垂直位移值。在第一次的方位轉(zhuǎn)化過程中，反饋桿與反饋斜塊間通過滾珠聯(lián)系，滾珠裝在反饋桿末端，滾珠在反饋斜面上滾動，實現(xiàn)方向轉(zhuǎn)化。在轉(zhuǎn)化的過程中，滾珠以及反饋桿在斜面上移動，始終承受一個摩擦力的水平分力，此水平分力影響反饋桿的垂直位移，并且在從滾珠到反饋桿再到傳感器的傳遞過程中經(jīng)過多個部件連接形成，中間誤差較大，最終位移量數(shù)值受到影響。此外，位移量的數(shù)值轉(zhuǎn)化過程中，接力器實際的位移量為245 mm時，傳感器接收到的位移量僅為20 mm,也就是說傳感器實際行程為12.25 mm時，反饋信號接收位移量僅為1 mm，反饋精度大大縮小。傳遞過程中產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差又被放大了12.25倍。反饋信號不能準確反映接力器實際行程，是造成接力器抽動頻繁的主要原因。

（2）電站引水系統(tǒng)過長,調(diào)壓井設計時阻抗孔面積過小,造成調(diào)保數(shù)值無法滿足規(guī)范要求。

本電站引水系統(tǒng)總體長度3號機組為6837.4m，2號機組為6 842.60 m，1號機組為6 847.15 m，進水口至調(diào)壓室處的長度為6 334.053 m，管徑當量為3.39 m，水體慣性較大；而本電站阻抗孔面積僅為壓力引水道的17.06%，相對于調(diào)壓室規(guī)范（2014版，25%～45%）較小，壓力管道反射水擊波效果不充分，且調(diào)壓室后壓力管道約1 km，相對較長，這就造成蝸殼壓力上升值較大。電站設計要求最大壓力升高值≤195 m、轉(zhuǎn)速上升率≤34%同時得到滿足。調(diào)節(jié)保證計算無法同時滿足此項要求，電站在實際操作過程中，為確保引水系統(tǒng)安全，人為規(guī)定只要機組轉(zhuǎn)速升高超過10%，就強迫機組停機。這樣就造成機組整個系統(tǒng)抗干擾能力低，在機組自動升、降負荷的過程中也常常出現(xiàn)機組過速停機的問題，電站只有采用人為手動開停機、升降負荷操作。

（3）采用的步進電機調(diào)速器液壓系統(tǒng)原理冗余綿長，結(jié)構(gòu)繁瑣，執(zhí)行元件多，配套不合理。

本系統(tǒng)為了實現(xiàn)復中功能，增加有調(diào)中裝置、引導閥組等液壓元件。使得結(jié)構(gòu)復雜，執(zhí)行元件增多，無形中增加了許多中間環(huán)節(jié)，增大了系統(tǒng)誤差。

調(diào)速系統(tǒng)所采用的電液轉(zhuǎn)換元件為步進電機，型號為90BF006，相數(shù)為5相，步距角0.360/0.720。生產(chǎn)廠家為常州寶成電機有限公司。步進電機的控制方式：首先，步進電機是通過接受微機發(fā)出的控制脈沖一步一步運行的，不是連續(xù)不間斷運行方式。其次，步進電機自身特性決定電機的起動力矩較小，起動比較慢，反應相對遲緩。這是造成機組起動容易發(fā)生過速的直接原因。

在此過程中就要求步進電機的精度與微機發(fā)出的脈沖相匹配，才能達到精準控制接力器的目的。原有系統(tǒng)采用的控制器為貝加萊公司生產(chǎn)的可編程計算機控制器PCC，由于此種設計為微機型調(diào)速器較早期的方案，調(diào)速器控制特性較差、功能單一?？刂破髋c步進電機的產(chǎn)品品質(zhì)存在差異，使得整體的調(diào)節(jié)精度不高。

（4）油壓裝置系統(tǒng)在設計初期未考慮檢修后補氣的實際需求，中間補氣罐僅僅作為日常的少量補氣使用，不能滿足日常運行維護需要。

（5）目前原有設備制造廠家已經(jīng)倒閉不復存在，無法購買易損件，無法進行設備升級改造。

5 解決方案

5.1 方案確定

根據(jù)上述原因分析，要解決以上問題，必須對現(xiàn)有設備進行技術(shù)改造，從根本上加以解決。提出兩套總體解決方案。

方案一：技術(shù)改造調(diào)速器接力器位移傳感器、電氣調(diào)節(jié)部分及電液轉(zhuǎn)換部分，保留原有的調(diào)速器接力器，油壓裝置。調(diào)速系統(tǒng)壓力等級仍然保留2.5 MPa不變。為解決補氣的問題，增加一套中壓氣系統(tǒng)（包括空壓機、儲氣罐、連接管路等附件）。

方案二：調(diào)速器進行整體更換，僅保留調(diào)速軸支架以便新舊結(jié)合。壓油系統(tǒng)改造為液氮儲能罐的形式，壓力等級為16 MPa，無需增加中壓氣系統(tǒng)。

通過對改造技術(shù)方案、施工難易程度、改造后期預期效果等因素綜合分析比對，最終選擇采用方案二，以徹底改造調(diào)速器設備缺陷。

5.2 設備選型

改造后的調(diào)速器采用數(shù)字比例伺服閥微機型，額定操作油壓：16 MPa。調(diào)節(jié)器采用德國西門子S7-300可編程控制器。電液轉(zhuǎn)換元件采用高精度、高可靠性的原裝進口電液比例閥（德國HYTOS公司PRM型），機械柜內(nèi)無油管和調(diào)節(jié)桿件。調(diào)速系統(tǒng)無機械反饋，導葉反饋采用進口高精度傳感器作為電氣反饋元件。當機組甩負荷時，調(diào)速器將自動關至空載狀態(tài)等待下一命令。調(diào)速器關機時，具有分段關閉功能。

改造后的調(diào)速器為組合式結(jié)構(gòu)(含電氣部分、機械部分以及油壓裝置)。具有出力控制、轉(zhuǎn)速控制、開度控制、電力系統(tǒng)頻率自動跟蹤、自診斷和容錯、穩(wěn)定等功能。調(diào)速器應能現(xiàn)地和遠方進行機組的自動、手動開、停機和事故停機；并應提供與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)連接的通信接口，包括硬件和軟件。通過優(yōu)化選型解決原調(diào)速器存在的上述4項設備主要問題。

5.3 調(diào)節(jié)保證計算

電站原有調(diào)保計算采用一段關閉規(guī)律進行調(diào)節(jié)機組甩負荷操作，而一段調(diào)保計算結(jié)果原本就不能滿足規(guī)范要求，長期以來給電站安全穩(wěn)定運行造成隱患。在此次改造過程中特意就調(diào)保計算提出專項研究，以解決速率上升、壓力上升超標問題。通過反復演算、優(yōu)化關閉規(guī)律，經(jīng)過3個階段的推進，得到在不改變現(xiàn)有水工建筑物的條件下，轉(zhuǎn)速上升、壓力上升達到最低、并且能夠滿足規(guī)范要求的計算結(jié)果。

在計算過程中，第一階段采用原調(diào)速器技術(shù)協(xié)議參數(shù)的一段直線關閉規(guī)律及導葉直線關閉時間≤4.29 s的要求，進行計算，滿足機組最大轉(zhuǎn)速上升率≤34%的控制標準，蝸殼最大壓力計算值為215.75 m，超過195 m的控制標準。

圖1 第一階段關閉規(guī)律下蝸殼壓力上升率

第二階段計算時將關閉時間進行了調(diào)整，導葉一段直線6.58 s有效關閉規(guī)律，最大蝸殼壓力為209.34 m，最大轉(zhuǎn)速上升率為41.71%，雖然滿足最新計算控制標準，但是仍然無法滿足合同文件中壓力上升不大于195 m的要求。

導葉關閉規(guī)律示意圖如圖2所示。

圖2 第二階段導葉關閉規(guī)律示意圖

第三階段，摒棄了一段關閉的限制，將關閉規(guī)律調(diào)整為兩段關閉，即采用先快后慢的關閉規(guī)律，關閉曲線見圖3。

圖3 第三階段導葉關閉規(guī)律

圖4 各部關閉規(guī)律曲線

從圖4中可以看出：

蝸殼末端最大壓力值為198.42 m，3臺機組甩全負荷，不滿足機組技術(shù)協(xié)議中蝸殼最大壓力≤195m的控制標準，但滿足蝸殼最大壓力≤210 m的新標準。

機組最大轉(zhuǎn)速上升率為41.13%，不滿足機組技術(shù)協(xié)議中最大轉(zhuǎn)速升高率βmax≤34%的控制標準，但滿足機組最大轉(zhuǎn)速上升率≤45%的新標準。

尾水管進口最小壓力值為2.25 m，在最不利時刻，3臺機同時甩全負荷，該工況下尾水管進口處不會產(chǎn)生空化。

調(diào)壓室最高涌浪為2001.58m，在最不利時刻，3臺機同時甩全負荷，低于調(diào)壓室頂部高程2002.2m。

通過以上3個階段的計算分析，在不改變現(xiàn)有水工建筑物及機組構(gòu)件的前提下，采用導葉分段關閉規(guī)律將蝸殼的最大壓力升高值、機組最大轉(zhuǎn)速上升率均控制在合理的區(qū)間內(nèi)，達到最佳的匹配關系。

6 實施步驟

實施步驟分為兩部分，即拆除階段和安裝調(diào)試階段。

拆除時主要有以下幾點需要注意的事項：

（1）分解前，將機組調(diào)整為檢修停機態(tài)，蝶閥全關，按“兩票三制”規(guī)范要求做好各項防范措施；

（2）按照“安規(guī)”要求，做好安全防護措施；

（3）由于調(diào)速器采用的是調(diào)速軸傳遞扭矩的控制方式，調(diào)速軸在此次技改中不需要改動，故前期拆解前，須將調(diào)速軸固定穩(wěn)定，保證調(diào)速軸不發(fā)生位移和傾斜。

（4）在排除油壓裝置內(nèi)的操作潤滑油前，須將壓力儲氣罐內(nèi)的壓力降至0 MPa；

（5）電氣線路拆解前，將各線號標記清楚，標號準確并做好防止脫落的措施；

（6）按照審核下發(fā)的實施方案進行施工，不得隨意更改施工工藝。

調(diào)速器的拆解以及安裝調(diào)試工作，按照《水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范》要求執(zhí)行，在此不再贅述。

7 改造效果

電站2號機組調(diào)速器改造工作于2016年5月4日完成安裝調(diào)試工作，并投入使用，截至目前已經(jīng)運行一個完整發(fā)電周期，調(diào)速器改造后各項性能達到預期效果，技術(shù)改造取得階段性成果。電站的1號、3號機組調(diào)速器也于2017年3月相繼投入使用。電站整體改造任務順利完成，實踐證明此次技術(shù)改造技術(shù)方案正確，改造實施步驟完備，安裝、調(diào)試工作扎實有效，各項措施到位是此次技術(shù)改造取得圓滿成功的保障。

TV738

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1672-5387（2017）08-0068-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.08.020

2017-06-07

馬劍瀅(1974-)，男，高級工程師，從事水電站機電設備檢修維護管理工作。