柴油發(fā)電機(jī)組負(fù)荷突降故障分析及解決方案

（陜西柴油機(jī)重工有限公司，陜西興平 713105）

0 引言

對柴油發(fā)電機(jī)組穩(wěn)態(tài)調(diào)速特性的一般要求是不能超過5%，因此不允許柴油發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中出現(xiàn)大幅負(fù)荷波動(dòng)（突降）。但柴油發(fā)電機(jī)組運(yùn)行調(diào)試過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題，一般采取調(diào)整調(diào)速器參數(shù)的方法就能解決這個(gè)問題。某電站調(diào)試過程中，該問題卻遲遲得不到有效解決，一度給用戶帶來極大的困擾，后經(jīng)過近兩個(gè)月的排查和試驗(yàn)，終于找到了解決方案。

1 機(jī)組配置

某陸用電站項(xiàng)目配套12臺(tái)柴油發(fā)電機(jī)組（以下簡稱機(jī)組），單機(jī)額定功率8 350 kW、額定轉(zhuǎn)速600 r/min、頻率60 Hz、電壓13.8 kV、功率因數(shù)0.85。機(jī)組使用的調(diào)速器為Woodward PG-EG58執(zhí)行機(jī)構(gòu)和2301D控制器，機(jī)組上安裝轉(zhuǎn)速傳感器，轉(zhuǎn)速信號(hào)輸入給2301D控制器，2301D輸出0～200 mA電流信號(hào)，信號(hào)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器，執(zhí)行器輸出軸通過橫向傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)上的燃油齒條拉桿，從而控制油門位置、穩(wěn)定和調(diào)節(jié)機(jī)組轉(zhuǎn)速（輸出有功功率）。

WoodwardPG-EG58執(zhí)行機(jī)構(gòu)外形如圖 1所示，2301D控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 WoodwardPG-EG58執(zhí)行機(jī)構(gòu)外形圖

圖2 2301D控制器結(jié)構(gòu)圖

2 現(xiàn)象描述

2014年5月，8#機(jī)組完成了單機(jī)負(fù)荷試驗(yàn)，在25%、50%、75%、100%各個(gè)工況點(diǎn)運(yùn)行穩(wěn)定，負(fù)荷波動(dòng)滿足要求。在機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行 4個(gè)多月后，運(yùn)行過程中突然出現(xiàn)有功功率大幅度突降的現(xiàn)象（見圖 3），有功功率由7 000多千瓦突降至3 000多千瓦，故障造成機(jī)組嚴(yán)重振蕩，機(jī)組被迫脫網(wǎng)停機(jī)。調(diào)整2301D控制器中的PID參數(shù)，對傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行潤滑保養(yǎng)，問題依然存在，還時(shí)常引發(fā)其他并網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組振蕩。

3 故障分析和故障排查

分析故障現(xiàn)象，認(rèn)為機(jī)組有功功率波動(dòng)與調(diào)速器性能關(guān)系密切。機(jī)組配套的調(diào)速器為 Woodward PG-EG58執(zhí)行器和2301D控制器，2301D控制器通過安裝在柴油機(jī)上的轉(zhuǎn)速傳感器監(jiān)測轉(zhuǎn)速，并分別通過電流互感器和電壓互感器監(jiān)測機(jī)組的電流和電壓，用于機(jī)組輸出有功功率反饋，2301D控制器對反饋功率進(jìn)行計(jì)算和處理后，輸出0～200 mA電流信號(hào)用來控制執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)角，從而控制柴油發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速和負(fù)荷。經(jīng)過分析得出影響柴油機(jī)調(diào)速器性能的因素，包括：1）控制器參數(shù)；2）執(zhí)行器性能；3）柴油機(jī)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

圖3 8#機(jī)組事故曲線

3.1 相關(guān)控制器參數(shù)

2301D控制器是基于微處理器的數(shù)字控制器，合閘前工作在調(diào)速模式下，合閘后工作在基載模式下。該控制器用于穩(wěn)定負(fù)荷，與超調(diào)、響應(yīng)速度、突卸負(fù)荷特性密切相關(guān)。2301D控制器的參數(shù)包括：1）H**DYNAMICS #1（PID）；2）I** DYNAMICS #2（PID）；3）W *LOAD PULSE / REJECTION（甩負(fù)荷）。

下面對這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析。一般情況下使用參數(shù)H** DYNAMICS #1即可滿足機(jī)組控制；當(dāng)控制效果不理想時(shí)，可同時(shí)啟用I** DYNAMICS #2參數(shù)以達(dá)到良好的控制效果。H** DYNAMICS #1參數(shù)設(shè)置為：

增益調(diào)節(jié)RATED PROP GAIN 1決定了對發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)速設(shè)定值之間偏差的反應(yīng)快慢，增益設(shè)定提供了發(fā)動(dòng)機(jī)在輕載或卸載條件時(shí)的穩(wěn)態(tài)控制。

補(bǔ)償調(diào)節(jié)RESET 1為發(fā)動(dòng)機(jī)的延遲時(shí)間，即受到干擾后控制器使速度偏差回到零所需的調(diào)整時(shí)間，應(yīng)防止緩慢的游車和減小負(fù)荷干擾后的速度超調(diào)。

執(zhí)行器補(bǔ)償ACTUATOR COMPENSATION 1代表了補(bǔ)償執(zhí)行器和燃油系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)，增加該值可以提高執(zhí)行器的靈敏度和過渡性能[1-3]。

窗口寬度WINDOW WIDTH 1代表了控制器能夠自動(dòng)切換到快速響應(yīng)時(shí)的速度偏差量[1]?？刂破魇褂盟俣绕畹慕^對值控制這個(gè)開關(guān)，絕對值是參考速度和實(shí)際速度的差，窗口寬度太窄導(dǎo)致因子一直在增益比率之間循環(huán)。

增益比率GAIN RATIO 1為穩(wěn)態(tài)增益與過渡狀態(tài)期間增益的比率[1]，增益比率與窗口寬度和增益調(diào)節(jié)協(xié)同操作。速度偏差大于窗口寬度時(shí)，通過增益設(shè)定點(diǎn)和增益比率相乘來調(diào)節(jié)增益，這能使控制器動(dòng)態(tài)反應(yīng)足夠快地消除起動(dòng)時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)速度超調(diào)和減少負(fù)荷變化時(shí)的速度偏差量；穩(wěn)態(tài)時(shí)使用較低的增益可以獲得更好的穩(wěn)定性，并減少穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)拉桿的移動(dòng)。

3.2 2301D控制器內(nèi)部參數(shù)設(shè)置

檢查PID參數(shù)，從柴油機(jī)正常帶負(fù)荷運(yùn)行情況看，PID 參數(shù)已經(jīng)調(diào)節(jié)到最佳狀態(tài)；檢查 Load pulse/rejection功能，該功能啟用后，控制器將會(huì)在機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)超過門限值時(shí)，認(rèn)為機(jī)組執(zhí)行了甩負(fù)荷操作，在運(yùn)行過程中可能會(huì)引發(fā)負(fù)荷的大幅波動(dòng)。

2301D控制器內(nèi)部參數(shù)設(shè)定為：

其中：01為1表示該功能起效；02為門檻設(shè)定值，2301D控制器內(nèi)部通過計(jì)算后的值一旦超過該設(shè)定值，則功能起效；03和04為比例系數(shù)。

重新梳理故障發(fā)生的時(shí)間，認(rèn)真分析故障現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)在該功能啟用前從未發(fā)生過多臺(tái)機(jī)幾乎同時(shí)發(fā)生負(fù)荷突降的故障，在啟用該功能后，該問題才出現(xiàn)。那么故障的原因可能就是 Load pulse/rejection功能起效后，2301D控制器會(huì)監(jiān)測負(fù)荷變化，當(dāng)監(jiān)測到負(fù)荷變化率超過設(shè)定值時(shí)，2301D控制器認(rèn)為有負(fù)荷突卸指令，從而將負(fù)荷卸去。

3.3 外部因素

3.3.1 GCB輔助觸點(diǎn)

GCB輔助觸點(diǎn)即發(fā)電機(jī)出口斷路器的輔助觸點(diǎn)，當(dāng)斷路器合閘或分閘時(shí)，會(huì)向2301D控制器發(fā)出信號(hào)，2301D控制器收到分閘信號(hào)，認(rèn)為機(jī)組分閘，于是從基載運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速控制模式，從而使負(fù)荷突卸。

監(jiān)測GCB輔助觸點(diǎn)，未發(fā)現(xiàn)異常變化。

3.3.2 轉(zhuǎn)速信號(hào)

調(diào)速器用轉(zhuǎn)速信號(hào)是非常關(guān)鍵的信號(hào)，2301D控制器通過它監(jiān)測和控制機(jī)組轉(zhuǎn)速。如果該信號(hào)丟失或不穩(wěn)定，會(huì)發(fā)生負(fù)荷突降。

3.3.3 執(zhí)行器故障

執(zhí)行器內(nèi)部如果有卡滯，或者滑油里有異物，則可能出現(xiàn)失控現(xiàn)象。檢查執(zhí)行器齒輪，其轉(zhuǎn)動(dòng)靈活；更換滑油。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過上述分析和排查，確定有兩個(gè)主要原因可能導(dǎo)致負(fù)荷突降，一是 2301D控制器內(nèi)部參數(shù) Load pulse/rejection功能起效，二是轉(zhuǎn)速傳感器接觸不良。于是對這兩個(gè)原因進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1 Load pulse/rejection功能

取消Load pulse rejection功能，然后進(jìn)行試驗(yàn)。先取消8#～12#機(jī)組的這個(gè)功能，機(jī)組連續(xù)運(yùn)行，多臺(tái)機(jī)組同時(shí)降負(fù)荷的現(xiàn)象再未出現(xiàn)，但是單臺(tái)機(jī)組突降負(fù)荷的現(xiàn)象仍然存在。

4.2 轉(zhuǎn)速傳感器

密切觀察頻繁發(fā)生問題的 8#機(jī)組，檢查轉(zhuǎn)速傳感器插頭，插頭無松動(dòng)，轉(zhuǎn)速信號(hào)顯示正常。機(jī)組連續(xù)運(yùn)行一周后，又出現(xiàn)機(jī)組異常突降負(fù)荷問題。拆掉插頭并檢查焊接處，發(fā)現(xiàn)一個(gè)接線頭幾乎脫開，雖插頭內(nèi)部接觸點(diǎn)并沒有完全脫離，但會(huì)在振動(dòng)環(huán)境中造成接觸不良（見圖4）。接線頭的接觸不良導(dǎo)致2301D控制器采集到的轉(zhuǎn)速信號(hào)不穩(wěn)定，從而引起負(fù)荷突降。之后，1#機(jī)組也發(fā)生類似故障，檢查發(fā)現(xiàn)傳感器插頭明顯松開，幾乎與傳感器脫離。

至此，機(jī)組負(fù)荷異常突降的原因已非常明確，即為轉(zhuǎn)速傳感器接觸不良。

圖4 傳感器插頭

5 結(jié)論

由于在排查過程中一直都能監(jiān)測到轉(zhuǎn)速信號(hào)，所以檢查人員并未將注意力放在轉(zhuǎn)速信號(hào)上，因此走了不少彎路。柴油發(fā)電機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行過程中，負(fù)荷的穩(wěn)定性與調(diào)速器的性能密切相關(guān)，轉(zhuǎn)速信號(hào)作為反饋信號(hào)起著關(guān)鍵的作用，不容忽視。

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