水輪機調(diào)速器主配壓閥抽動原因分析與處理措施

盧舟鑫，涂 勇，常中原，劉 歡，楊 剛

(中國長江電力股份有限公司向家壩電廠，四川 宜賓 644612)

水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)肩負著開停機、平衡機組出力與用電負荷等重大功能，近年來，許多水電站均出現(xiàn)了主配壓閥頻繁調(diào)節(jié)、接力器抽動等運行故障。在無增減負荷脈沖調(diào)節(jié)指令的情況下，導葉主配閥芯上下擺動且頻率較快，并伴隨著液壓油流過發(fā)出的“呲呲”聲,這些故障將導致調(diào)速器機械控制油路油溫升高進而影響油質(zhì)，在極端情況會導致壓力油罐出現(xiàn)事故低油壓，另外由于閥芯位置的上下持續(xù)抽動，勢必造成液壓機械元件的磨損和松動，為電廠的安全穩(wěn)定運行埋下了隱患。為了提高水電機組的運行穩(wěn)定性，本文通過探討水輪機調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)平衡狀態(tài)下各變量之間的對應關系，詳細分析了水輪機調(diào)速系統(tǒng)運行中主配壓閥頻繁抽動的產(chǎn)生原因，其中包括比例閥零點補償值調(diào)整不到位、傳感器零漂、傳感器安裝位置及精度影響等?；谝陨显蚍治?，提出了相應的技術措施以解決頻繁抽動的問題,進而完善調(diào)速器的運行環(huán)境，經(jīng)過對具體電站進行工程實施，驗證了本文的分析結果，以確保水輪機的運行能夠達到國家標準,由此提供穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的電能。

1 調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)控制原理分析

某水電廠調(diào)速器機械部分采用德國BOSCH高性能比例閥+步進電機式轉換裝置作為冗余的電液轉換器，控制調(diào)速器的自動、電手動、開環(huán)機械手動運行方式運行，其主配壓閥型號為能事達生產(chǎn)的WBLDT-250-01-00型，該主配壓閥為立式主配形式，主配壓閥上腔為控制腔，下腔為恒壓腔，恒壓腔與控制腔的受力面積比為1∶2。在調(diào)速器自動或電手動工況下，PCC控制器通過液壓隨動系統(tǒng)給比例閥提供電氣信號，比例閥的閥芯換位，輸出壓力信號油。當來自于比例閥的壓力信號油進入主配壓閥的控制腔時，主配壓閥的閥芯向下運動打開開機腔的窗口，接力器向開機方向運動，主配壓閥外部的接近開關位移傳感器，將主配閥芯的位移反饋至比例閥，這時接力器繼續(xù)開啟，同時，接力器的傳感器也將接力器的實際開度值，反饋至比例閥，當接力器運動至設定值時，主配閥芯回歸中位，接力器停止在設定開度；同理，當主配壓閥控制腔的油通過比例閥通回油時，主配壓閥的閥芯向上運動打開關機腔的窗口，接力器向關機方向運動，運動至預定開度時，傳感器反饋信號使比例閥及主配閥芯都回歸中位，接力器停止運動，保持在某個開度不變。這樣，調(diào)速器就完成了比例閥液壓隨動系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程。

調(diào)速器比例閥液壓隨動系統(tǒng)屬于典型的串級負反饋控制回路，該回路由PCC控制器信號、比例閥、主配壓閥、導葉接力器和相應的位置傳感器組成，串級控制回路由主副環(huán)組成，主環(huán)為導葉開度位置控制環(huán)，副環(huán)為主配壓閥位置控制環(huán)，其中比例閥完成電氣信號至機械液壓信號的轉換，位置反饋傳感器完成機械液壓信號至電氣信號的轉換，導葉開度補償模塊包括主環(huán)控制啟動死區(qū)、主環(huán)控制停止死區(qū)、主配開向補償、主配關向補償及主環(huán)輸出限幅，主配補償模塊包括副環(huán)動作死區(qū)、副環(huán)中位補償及副環(huán)輸出限幅。其中，調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)工作原理框圖如圖1所示。

圖1 調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)工作原理框圖Fig.1 Turbine governor hydraulic servo system automatic adjustment working principle block diagram

上述液壓隨動系統(tǒng)的具體控制算法如下：

(Ypid-Y)K1=Ms

(1)

當|Ypid-Y|≤ΔI1時，Ypid-Y=0

(2)

(Ms-Mf)K2=Bs

(3)

當|Ms-Mf|≤ΔI3時，Ms-Mf=0

(4)

Bg=Bs+B0+Bz

(5)

式中：Ypid為控制器導葉開度給定；Y為導葉開度反饋值；K1為主環(huán)增益系數(shù)；Ks為副環(huán)增益系數(shù)；Ms為主配位置給定；Mf為主配閥芯位置反饋；ΔI1為主環(huán)控制停止死區(qū)；ΔI3為副環(huán)動作死區(qū)；Bs為比例閥位置給定；B0為比例閥零點補償值；Bz為比例閥震蕩信號；Bg為比例閥驅(qū)動器實際控制信號。

由于比例閥的動作死區(qū)很小，且比例閥電氣控制部分通常設計有對稱振蕩電流信號，此振蕩信號用以克服比例閥的動作死區(qū)，防止比例閥卡澀，因此，比例閥的動作死區(qū)可近似看作為零。即式(5)可簡化為：

Bg=Bs+B0

(6)

當調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)靜態(tài)平衡時，導葉開度控制主環(huán)和主配位置控制副環(huán)必然平衡穩(wěn)定，此時滿足：

Ypid=Y,Ms=Mf

(7)

將式(7)代入公式(1)、(2)、(3)、(4)、(6)，可得Bg=B0，當液壓隨動系統(tǒng)靜態(tài)平衡時，比例閥驅(qū)動器實際控制信號Bg和比例閥零點補償值B0相等，且該值為比例閥閥芯動作平衡值，即液壓隨動系統(tǒng)靜態(tài)平衡時：Bg=B0=C(常數(shù))。

又由公式(1)、(2)、(3)、(4)、(6)、(7)可知：當液壓隨動系統(tǒng)靜態(tài)平衡時，此時Bg為常數(shù)，若增大比例閥零點補償值B0，則比例閥位置給定Bs將變小，即主配閥芯位置反饋Mf將增大，反之若減小比例閥零點補償值B0，則比例閥位置給定Bs將變大，即主配閥芯位置反饋Mf將減小。故當液壓隨動系統(tǒng)靜態(tài)平衡時，可以通過調(diào)整比例閥零點補償值來調(diào)整主配閥芯位置反饋Mf。

2 主配抽動原因分析

2.1 傳感器零漂造成主配抽動的原因分析

主配閥芯反饋位置傳感器由于受到溫度、電源電壓等因素的影響，輸出的主配位置反饋信號不可避免的存在零漂現(xiàn)象，從而導致調(diào)速器主配電氣中位產(chǎn)生偏移。若設偏移量為ΔM，則主配位置實際反饋為：

(8)

當導葉開度反饋Y變化后，且|Ypid-Y|主環(huán)控制啟動死區(qū)ΔI2時，調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)靜態(tài)平衡暫時打破，調(diào)速器控制器開始驅(qū)動液壓隨動系統(tǒng)逐級動作，將導葉開度反饋Y調(diào)節(jié)至導葉開度給定Ypid的附近位置，當|Ypid-Y|≤主環(huán)控制停止死區(qū)ΔI1時，調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)又恢復至初始靜態(tài)平衡狀態(tài)。由于調(diào)速器主配中位反饋傳感器零漂的持續(xù)作用，導致上述過程周而復始的進行，進而導致了調(diào)速器主配持續(xù)性頻繁調(diào)節(jié)。

其中，接力器的運動速度可用下式計算：

(9)

式中：B為主配壓閥窗口總寬度；s為主配壓閥行程或有效開口；Fn為主接利器的活塞面積；a為窗口收縮系數(shù)；g為重力加速度；e為油的密度；Δp為換算到主接利器處的總壓力損失。

由式(9)可知，接力器的運動速度Vn與主配壓閥行程s滿足函數(shù)關系式Vn=f(s)，該函數(shù)表達式近似為線性關系[1]。

由公式(9)可知，當主配中位反饋傳感器零漂值較大時，即s值過大，就會導致接力器的運動速度偏快，進一步導致主配閥芯位置抽動頻率加快，相應的，調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)耗油量將變大、調(diào)速器液壓系統(tǒng)油泵啟停頻率偏高及油溫升高等一系列問題，對機組設備產(chǎn)生不良影響，嚴重威脅并網(wǎng)機組的安全穩(wěn)定運行。

2.2 不同開度下主配抽動頻率發(fā)生變化的原因分析

以某水電廠主配頻繁調(diào)節(jié)為例進行說明。在機組實際運行過程中，在某一導葉開度條件下，主配電氣中位調(diào)整完畢后，此時主配中位調(diào)整周期已滿足要求，LCU通過增減脈沖調(diào)整負荷后，導葉開度將發(fā)生變化，但此時發(fā)現(xiàn)主配調(diào)整周期隨即也發(fā)生變化，其調(diào)整頻次會時快時慢?；谝陨犀F(xiàn)象，對該機組進行了不同開度下的主配調(diào)整試驗錄波，試驗波形如下：

(1)59%導葉開度試驗，將調(diào)速器置于功率模式下自動控制方式，調(diào)速器工作于比例閥控制模式如圖2所示。

(2)65%導葉開度試驗，將調(diào)速器置于功率模式下自動控制方式，調(diào)速器工作于比例閥控制模式如圖3所示。

(3)77%導葉開度試驗，將調(diào)速器置于功率模式下自動控制方式，調(diào)速器工作于比例閥控制模式如圖4所示。

圖2 59%導葉開度下主配中位給定及反饋試驗波形Fig.2 Given in the middle position of the main control valve and feedback test waveform at 59% guide blade opening

圖3 65%導葉開度下主配中位給定及反饋試驗波形Fig.3 Given in the middle position of the main control valve and feedback test waveform at 65% guide blade opening

圖4 77%導葉開度下主配中位給定及反饋試驗波形Fig.4 Given in the middle position of the main control valve and feedback test waveform at 77% guide blade opening

表1 導葉開度與主配調(diào)節(jié)周期對應表Tab.1 Adjustment period correspondence table of guide vane opening and main control valve

由表1可知，該水電廠導葉位置開度不同時，主配位置抽動頻率不同，導葉變化速率不同。經(jīng)過專業(yè)組討論分析后，如圖5所示，主配及導葉接力器在不同開度條件下，其主配壓閥的閥芯靜態(tài)平衡中間位置不同，閥芯反饋越過主配死區(qū)導致主配位置抽動，其調(diào)節(jié)頻率因?qū)~開度的不同而不同。由接力器的靜態(tài)平衡方程可知：

(pⅠ-pⅡ)A=R

(10)

式中：pⅠ，pⅡ為接力器活塞兩側的油壓；A為接力器活塞油壓作用面積；R為活塞桿上的阻力。

由于閥盤和閥套之間的間隙很小，間隙中的油流速度很小，油流速度可看做是層流運動，油流所造成的壓力損失與油流沿程、流速的一次方成正比，可得：

(11)

式中：q為配壓閥漏油量；k1為液體壓力損失系數(shù)；p0為液壓系統(tǒng)工作油壓；λ為主配壓閥搭疊量。

由式(11)可得，漏油量q與工作油壓p0成正比、與搭疊量λ和液體壓力損失系數(shù)成反比。

當活塞桿上的阻力R≠0時，由層流運動方程可得主配壓閥的閥芯靜態(tài)平衡中間位置：

(12)

由式(12)可得主配壓閥的中間位置會隨著 的大小變化而變化，其中R包括兩個部分：一部分為機械結構的摩擦力，一部分為導水傳動機構作用在接力器活塞上的作用力Rw，由水對導葉接力器的作用力曲線可知，水對導葉接力器的作用力會隨著導葉開度的不同，其大小、方向均會變化。由公式(10)～(12)可知，主配壓閥的閥芯靜態(tài)平衡中間位置S1會隨著導葉開度及開向的變化而變化，且在不同的導葉開度下，主配壓閥的閥芯靜態(tài)平衡中間位置S1不同，并非始終為一個中間位置。當導葉開至某一特定開度時，此時保持原開度下主配電氣中位位置不變，可能導致此時的主配電氣中位不是主配壓閥的閥芯靜態(tài)平衡中間位置，主配壓閥與閥套之間會有一個開口，進而驅(qū)動液壓隨動系統(tǒng)運動，且每次主配壓閥閥芯電氣中位回中時都會偏離液壓靜態(tài)平衡位置，造成主配壓閥閥芯的持續(xù)抽動[2]。

圖5 調(diào)速器液壓隨動放大裝置原理圖Fig.5 The schematic of governor hydraulic follower amplifying device

2.3 傳感器的安裝位置及精度對主配抽動影響的原因分析

基于某水電廠為例，如圖6所示，該電廠的主配位置測量采用“行程變換方法”，即使用楔形“圓臺”將配壓閥的直線行程轉換為斜向行程，該電廠的主配壓閥采用能事達生產(chǎn)的WBLDT-250-01-00型主配壓閥，該主配壓閥活塞關閉側最大行程為25 mm，開啟側最大行程為20 mm，通過調(diào)整行程壓板上方的關機時間調(diào)節(jié)螺母可精確調(diào)節(jié)導葉接力器第一段關閉時間，導葉接力器的開啟時間可以通過調(diào)整壓板下方的開機時間調(diào)節(jié)螺母進行調(diào)節(jié)。

圖6 主配位置傳感器安裝位置原理圖Fig.6 The schematic of main control valve position sensor installation position

若用x表示主配閥芯的直線動作行程，θ表示楔形“圓臺”的底角，y為電感接近式傳感器換算后的主配實際動作行程，電感式傳感器平行于水平位置。則行程變換公式為：

y=xcotθ

(13)

若θ值出廠設置為80°，而x為20～25 mm，則 需滿足3.53～4.4 mm的檢測范圍。若想精準控制主配位置，則電感式接近開關的采樣精度要求較高，一般使用輸出4～20 mA信號的電感式接近開關來檢測導葉和主配壓閥的位置，在傳感器安裝完成后首現(xiàn)進行傳感器的位置標定，以使其輸出和機械位置相匹配，即傳感器的采樣碼值為16 000，對應12 mA輸出，該輸出即為主配零點值。如圖6所示，電感接近式傳感器安裝方式有兩種，一種平行于水平位置，另一種垂直楔形“圓臺”斜邊，通過換算得知。水平安裝式接近開關主配閥芯直線動作單位距離,y值變換為0.176 mm，垂直楔形“圓臺”斜邊式主配閥芯直線動作單位距離,y值變換為0.173 mm，由此可知水平安裝式接近開關動作更明顯，測量的精度更高[3]。

由于電感式接近開關的采樣精度較大，控制器中對采樣信號的放大倍數(shù)較大，故主配閥芯的直線動作行程 變化微小的距離，y值即會發(fā)生較大的變化。由于主配位置反饋傳感器安裝在主配外殼支座上，主配安裝于回油箱上部，因此，開機后主配外殼處振動較大，反饋信號會出現(xiàn)波動，進而導致調(diào)速器頻繁發(fā)生抽動現(xiàn)象。

3 主配抽動故障解決措施

(1)改變主配位置傳感器安裝方式及安裝位置。通過機械變換裝置將主配位置傳感器安裝在水車室外，此處不會因水輪發(fā)電機組的震動而影響導葉反饋信號，避免了震動干擾，通過改變主配位置反饋傳感器的安裝形式，可以降低測量精度，進而減緩震動干擾。

(2)更換主配位置傳感器的型號。因傳感器零漂產(chǎn)生主配頻繁調(diào)節(jié)，根據(jù)現(xiàn)場實際需要，可將原主配壓閥閥芯位移傳感器更換為非接觸式的反饋裝置。更換的非接觸式反饋裝置為德國BOSCH公司生產(chǎn)的大流量比例伺服閥內(nèi)部的閥芯反饋位移傳感器，該傳感器的特點是測量過程無接觸和無磨損，分辨率高而不受限制，故可以更穩(wěn)定的長期運行。

(3)重新設定主配閥芯電氣中位值。由上述故障原因分析可知，主配電氣中位整定直接影響了調(diào)速器主配抽動的頻繁程度。通過分析主配頻繁調(diào)節(jié)的原因，可通過以下方法進行主配中位整定。

步驟①：液壓系統(tǒng)處于運行態(tài)，調(diào)速器切電手動，比例閥閥芯動作平衡點調(diào)整，將比例閥與油泵試驗臺連接，比例閥安裝在過渡板上，過渡板連接油流檢測系統(tǒng)，通過觸摸屏中開放的比例閥零點補償值進行比例閥給定信號調(diào)整，當比例閥零點補償值調(diào)整到位后，油流檢測系統(tǒng)顯示比例閥兩側出口油流速度一致，此調(diào)整值即判定為比例閥靜態(tài)平衡零點值。

步驟②：液壓系統(tǒng)處于運行態(tài)，調(diào)速器切機手動，手動開啟導葉至50%左右，松開手輪，在主配反饋閥芯上架設千分表，觀察10 min主配是否有調(diào)節(jié)動作。機械中位調(diào)整到位后，調(diào)整主配中位傳感器，使其采樣值處于16 000左右，對應電氣輸出信號為12 mA，即進行主配電氣中位粗調(diào)，在觸摸屏中初設中位傳感器零點碼值。

步驟③：在調(diào)速器空載態(tài)、電手動模式下，做導葉0%～p%電手動跟隨之后，調(diào)整驅(qū)動參數(shù)中比例閥零點補償值，先記下使導葉剛開始開時的主配反饋通道采樣碼值a1，再記下使導葉剛開始關時的主配反饋通道采樣碼值b1。在調(diào)速器空載態(tài)、電手動模式下，做導葉100%～p%電手動跟隨之后，調(diào)整驅(qū)動參數(shù)比例閥零點值，先記下使導葉剛開始關的主配通道采樣碼值a2，再記下使導葉剛開始開的主配通道采樣碼值b2。其中p%為機組并網(wǎng)運行時導葉開度設定值。

步驟④：取a1、a2、b1、b2的平均值做主配零點通道值設置主配中位電氣零點。參數(shù)設置好后分別在無水試驗空載狀態(tài)電手動模式情況下、有水試驗空載狀態(tài)電手動模式、開機試驗負載自動模式情況下驗證導葉穩(wěn)定情況。若主配中位電氣零點設定好后，導葉在不同的開度下，仍發(fā)生主配頻繁調(diào)節(jié)的現(xiàn)象，在排除傳感器故障的條件下，重復步驟③～步驟④，并觀察20 min，直到主配頻繁調(diào)節(jié)滿足要求為止。

通過以上步驟進行主配電氣中位調(diào)整后，主配抽動頻次明顯減小，較好地解決了主配閥芯頻繁抽動的問題。從機組實際運行情況來看，完全能夠滿足水輪機調(diào)速器長期運行的要求。

4 結 語

由于調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)是一套自動控制系統(tǒng)，其內(nèi)部元件較多，某一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，就有可能導致整個調(diào)節(jié)過程不穩(wěn)定。通過以上分析發(fā)現(xiàn)，水輪發(fā)電機組的運行工況不同、水輪機調(diào)速器所選用的某些元件不合適及測量方法的變化都有可能造成調(diào)速器系統(tǒng)不穩(wěn)定，所以，需要結合多方面因素進行綜合分析，逐步完善水輪機調(diào)速器性能，以提高調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)的可靠性。本文通過對調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)原理的詳細分析，闡述了造成主配頻繁抽動的原因，并提出了相應的改進措施，希望本文對水電站調(diào)速器相關專業(yè)的維護人員具有一定的借鑒意義。