調(diào)速器電液隨動系統(tǒng)跟隨故障分析及處理

盧舟鑫，王子軍，楊正超

（中國長江電力股份有限公司，湖北省宜昌市 443002）

0 引言

某水電站機組調(diào)速器電氣部分采用雙套奧地利貝加萊公司生產(chǎn)的32位可編程計算機控制器（PCC）組成不同控制結(jié)構(gòu)的獨立雙通道控制系統(tǒng)。該調(diào)速系統(tǒng)液壓執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)組成采用了比例閥+步進電機的非對稱式結(jié)構(gòu)，調(diào)速器控制方式包括：調(diào)速器自動、調(diào)速器電手動、調(diào)速器開環(huán)機手動運行方式。[1]

在比例閥自動運行工況時，比例閥是輸出信號壓力油的主要元件，控制主配壓閥活塞運動輸出壓力能，來操縱接力器。在步進電機自動運行工況時，電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為機械的直線位移輸出，驅(qū)動引導(dǎo)閥上下運動，通過主配壓閥液壓放大輸出壓力能，來操縱接力器。處于優(yōu)先位置的緊急停機閥，可保證機組在緊急狀態(tài)下，安全可靠關(guān)機，當(dāng)調(diào)速器交、直流電源發(fā)生故障時，步進電機直線位移轉(zhuǎn)換器能保證主配壓閥自復(fù)中，維持水輪機導(dǎo)葉在故障前的位置，并可使用純機手動安全停機。[4-6]

1 調(diào)速器電液隨動系統(tǒng)故障判斷

本文基于某水電站為例進行說明，該水電站調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計時，將調(diào)速器故障分為兩大類，一類為調(diào)速器一般故障，一類為調(diào)速器嚴重故障，其中調(diào)速器嚴重故障會導(dǎo)致調(diào)速器A/B套控制系統(tǒng)切機或調(diào)速器切機手動保持導(dǎo)葉當(dāng)前位置。調(diào)速器嚴重故障又由兩類故障組成，一類為導(dǎo)葉側(cè)大故障，一類為機組頻率故障，其中導(dǎo)葉側(cè)大故障分類圖如圖1所示。

圖1 導(dǎo)葉側(cè)大故障分類Figure 1 Classification of major faults on the vane side

傳感器故障判斷一般由越限判斷和跳變判斷組成。對于4～20mA模擬量通道，通過設(shè)定模擬量通道采樣碼值的上下限值進行越限報警判斷，設(shè)定相鄰采樣周期采樣碼值的門檻值，且跳變次數(shù)在設(shè)定時間內(nèi)累計達到設(shè)定值以上，則報傳感器跳變故障。

步進電機故障判斷基于步進電機驅(qū)動器的內(nèi)部邏輯判斷進行報警，比例閥故障由閾值比較延時后進行判斷，即控制信號與反饋信號差值過大，且延時設(shè)定值后進行故障報警。

主接和輔接液壓故障判斷邏輯由閾值和速動性兩者相與組成，即（導(dǎo)葉調(diào)節(jié)的差值>給定值）且（導(dǎo)葉開度相鄰2個周期差值<給定值）延時后進行報警，（輔接調(diào)節(jié)的差值>給定值）且（輔接開度相鄰2個周期差值<給定值）延時后進行報警。

基于以上故障判斷邏輯，調(diào)速系統(tǒng)的各項功能都由調(diào)速器故障監(jiān)測系統(tǒng)持續(xù)不斷地進行監(jiān)測，一旦檢測到上述嚴重故障后，調(diào)速器立即切至備機或機手動運行運行，監(jiān)測系統(tǒng)會發(fā)出報警信號，并給出故障信息。[2-3]

2 調(diào)速器液壓隨動故障原因分析及處理

2.1 調(diào)速器主接跟隨故障原因分析及處理

2.1.1 故障現(xiàn)象及邏輯分析

某水電站7號機組在減負荷停機過程中，報調(diào)速器雙套主接跟隨故障，調(diào)速器立即切機手動方式運行。經(jīng)查詢歷史事件可知，故障發(fā)生前導(dǎo)葉開度為62%，由于三段關(guān)閉閥安裝于調(diào)速器開機側(cè)回路，經(jīng)后續(xù)負荷調(diào)整現(xiàn)場試驗錄波波形可知，該故障可初步判斷為機組停機過程中接力器行程進入第二段關(guān)閉點后由于接力器開腔回油不暢造成，負荷調(diào)整錄波過程如圖2和圖3所示。

（1）A機比例閥控制方式主用，當(dāng)前水頭為85.26m，負荷由350MW減至300MW，起始導(dǎo)葉開度為55%，錄波曲線如圖2所示。

圖2 負荷350MW減至300MW過程PID主接給定與主接反饋錄波圖Figure 2 Recording diagram of PID main setpoint and main feedback during load reduction from 350MW to 300MW

由錄波曲線可知：PID主接給定與主接反饋的最大偏差為3.27%。

（2）B機步進電機控制方式主用，當(dāng)前水頭為85.26m，負荷由430MW減至330MW，起始導(dǎo)葉開度為65%，錄波曲線如圖3所示。

圖3 負荷430MW減至300MW過程PID主接給定與主接反饋錄波圖Figure 3 Recording diagram of PID main setpoint and main feedback during load reduction from 430MW to 300MW

由錄波曲線可知：PID主接給定與主接反饋的最大偏差為3.86%。

在調(diào)速器控制器程序中，對主接跟隨故障的判斷邏輯為：當(dāng)導(dǎo)葉開度大于10%時，導(dǎo)葉開度反饋值Y與開度給定值Ypid計算值之差大于3%，且接力器運動速度小于5%/s，并延時3s以上。通過上述錄波過程曲線，驗證了主接跟隨故障判斷邏輯的準確性，故障發(fā)生后維護人員現(xiàn)場檢查現(xiàn)地傳感器顯示無異常，即無斷線越限故障報警。由主接跟隨故障的產(chǎn)生區(qū)間判斷，該故障點可初步定位于二段關(guān)閉區(qū)間。

2.1.2 原因分析及處理方法

維護人員利用7F停機檢修的機會對調(diào)速液壓系統(tǒng)進行了分析驗證錄波試驗，具體試驗步驟如下：

（1）電手動開導(dǎo)葉至62%開度，保持10min，投緊停進行關(guān)閉規(guī)律試驗，錄制導(dǎo)葉關(guān)閉波形，分析二段關(guān)閉速率。

（2）電手動開導(dǎo)葉至100%開度，保持10min，投緊停進行關(guān)閉規(guī)律試驗，錄制導(dǎo)葉關(guān)閉波形，分析二段關(guān)閉速率。

（3）電手動開導(dǎo)葉至100%開度，不保持，投緊停進行關(guān)閉規(guī)律試驗，錄制導(dǎo)葉關(guān)閉波形，分析二段關(guān)閉速率。

（4）電手動開導(dǎo)葉至62%開度，保持1h，投緊停進行關(guān)閉規(guī)律試驗，錄制波形，分析二段關(guān)閉速率。錄波試驗結(jié)果如表1所示。

表1 二段關(guān)閉速率分析表 （分段關(guān)閉裝置調(diào)整前）Table 1 Two-stage shutdown rate analysis table（before adjustment of staged shutdown device）

由表1可知，當(dāng)導(dǎo)葉開度處于第一個拐點以上且保持的時間越長時，導(dǎo)葉關(guān)閉后第二段關(guān)閉時間就越長。基于該結(jié)論可初步驗證導(dǎo)葉進入第二段關(guān)閉后接力器開腔回油被分段關(guān)閉閥二段插裝閥過度節(jié)流所致進而造成主接跟隨故障的判斷?，F(xiàn)場對分段關(guān)閉閥進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)步驟如下：用深度尺測量分段關(guān)閉閥二段插裝閥上限位螺桿露出閥體部分的高度；旋開二段閥下部控制油堵絲進行排油，松開上限位桿背帽，順時針旋緊上限位螺桿，對二段插裝閥進行限位；用深度尺測量上限位螺桿露出閥體部分的高度；對比兩次高度差計算旋入深度。經(jīng)過計算，限位桿向下旋入3.3mm。分段關(guān)閉裝置結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 分段關(guān)閉裝置結(jié)構(gòu)圖Figure 4 Structure diagram of the section closing device

分段關(guān)閉裝置處理完畢后重復(fù)上述試驗步驟，進行三段關(guān)閉錄波，其試驗錄波結(jié)果如表2所示。

表2 二段關(guān)閉速率分析表（分段關(guān)閉裝置調(diào)整后）Table 2 Two-stage closing rate analysis table（after adjusting the stage closing device）

由表2可知，如圖4當(dāng)旋緊閥芯上限位桿后，導(dǎo)葉二段關(guān)閉時間，62%開度至全關(guān)后第二段關(guān)閉時間從14.57s降低到10.91s，100%開度至全關(guān)第二段關(guān)閉時間從14.59s降低到10.94s，恢復(fù)到正常水平。該結(jié)果最終驗證了分段關(guān)閉閥二段插裝閥在無壓靜置時，由于閥芯下部彈簧頂托作用并伴隨油液從閥芯與閥座間隙滲入閥芯下部，導(dǎo)致閥芯抬高，從而引起導(dǎo)葉進入二段關(guān)閉后主接開腔回油被二段閥過度節(jié)流的故障判斷。二段閥芯靜置時間越長，滲油越充分，閥芯節(jié)流效果越顯著，二段關(guān)閉時間也會越長。通過處理前后試驗數(shù)據(jù)分析可知，停機過程中主接跟隨故障原因基本確定為導(dǎo)葉進入第二段關(guān)閉后接力器開腔回油被分段關(guān)閉閥二段插裝閥過度節(jié)流所致。分段關(guān)閉裝置經(jīng)調(diào)整后，該機組調(diào)速器電液隨動系統(tǒng)至今為止運行穩(wěn)定，再未發(fā)生過主接跟隨故障現(xiàn)象。

2.2 比例閥跟隨故障原因分析及處理

2.2.1 故障現(xiàn)象及邏輯分析

某水電站8號機組在進行負荷調(diào)整過程中，負荷由578.33MW調(diào)整至628.00MW后，監(jiān)控系統(tǒng)收到A套調(diào)速器停機報警，調(diào)速器切B套步進電機控制方式運行，現(xiàn)地觸摸屏報A套比例閥跟隨故障。隨后維護人員趕赴現(xiàn)場，查看調(diào)速器主配壓閥行程壓板及引導(dǎo)閥等設(shè)備，在B套步進電機主用時引導(dǎo)閥及行程壓板動作正常，無卡阻情況。

調(diào)速器控制器程序中，比例閥跟隨故障的判斷邏輯為：比例閥閥芯給定值與反饋值的差值大于10%，且持續(xù)時間超過1s。調(diào)速器的主配跟隨故障判據(jù)為：主配閥芯給定值與反饋值的差值大于90%，且主配閥芯運動速度小于3%/s，并延時5s以上。維護人員現(xiàn)場查看觸摸屏歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，6時52分20秒時，調(diào)速器接收監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的有功調(diào)節(jié)指令，調(diào)速器開度給定Ypid值開始上升，6時52分21秒時，開度給定Ypid值上升至60%，而此時導(dǎo)葉開度Y一直保持在57.54%，未進行調(diào)節(jié)，6時52分22秒，調(diào)速器切B機步進電機控制方式主用，開度給定Ypid值跟隨當(dāng)前導(dǎo)葉開度值57.54%。在6時52分20秒至21秒的這1s時間之內(nèi)，調(diào)速器開度給定Ypid值持續(xù)上升，而導(dǎo)葉開度Y維持不變，由此可判斷調(diào)速器的主配閥芯未動作，即調(diào)速器比例閥故障或主配閥芯出現(xiàn)了卡澀現(xiàn)象。調(diào)速器切至B套步進電機運行方式運行后，監(jiān)控負荷調(diào)整時液壓隨動裝置動作正常，即排除因主配閥芯卡澀而引起的比例閥跟隨故障。

2.2.2 原因分析及處理方法

因比例閥的抗油污能力較差，固初步判斷導(dǎo)致比例閥跟隨故障的原因為液壓系統(tǒng)油樣異常，利用8F機組停機檢修的機會對調(diào)速系統(tǒng)進行了相關(guān)油樣分析及錄波試驗。試驗方法如下：調(diào)速器液壓系統(tǒng)處于運行態(tài)，調(diào)速器切電手動，進行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，通過現(xiàn)地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(dāng)比例閥零點補償值調(diào)整到位后，平視觀察比例閥兩側(cè)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。因調(diào)速器控制程序中通常設(shè)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，通過調(diào)整比例閥零點補償值，觀察比例閥震蕩給定及反饋值，進而判定比例閥的動作性能。[7]

油樣化驗結(jié)果如圖5所示，數(shù)值均滿足液壓系統(tǒng)透平油要求，油樣顆粒度為7級，檢修前的油質(zhì)從油罐底部可以看出油罐底部沉積物較少，無黑色顆粒物，油品中油泥成分較少。在發(fā)生比例閥跟隨故時，主配壓閥過濾器壓差傳感器均未報警，未出現(xiàn)濾芯堵塞情況。其中過濾器單個濾芯納污量為33.1g，在壓差值為0.5MPa時，過濾器的通流量可達150L/min左右，完全滿足主配壓閥控制油供油問題，不會因為控制油供油不足導(dǎo)致比例閥動作不到位的情況，基于以上分析可排除因液壓油內(nèi)雜質(zhì)引起的比例閥卡澀現(xiàn)象。

圖5 液壓油油樣化驗結(jié)果Figure 5 Test results of hydraulic oil samples

為了驗證比例閥本體的工作性能，隨即進行同型號比例閥的性能對比試驗，對兩套比例閥分別進行在線錄波試驗。其中，比例閥的型號為4WRPEH 10 C3B100L-2X/G24K0/F1M。通過調(diào)整比例閥零點補償值，使兩套比例閥閥芯工作在同一平衡位置，在相同比例閥零點下的比例閥震蕩跟隨動作試驗錄波波形如圖6～圖9所示。

圖6 比例閥零點補償值為3.6時的錄波曲線（舊比例閥）Figure 6 Recording curve when the zero compensation value of the proportional valve is 3.6 （old proportional valve）

圖7 比例閥零點補償值為3.6時的錄波曲線（新比例閥）Figure 7 Recording curve when the zero compensation value of the proportional valve is 3.6 （new proportional valve）

圖8 比例閥零點補償值為5時的錄波曲線（舊比例閥）Figure 8 Recording curve when the zero compensation value of the proportional valve is 5 （old proportional valve）

由圖6和圖8可知，舊比例閥的震蕩跟隨試驗中，比例閥給定信號動作后，比例閥反饋信號波形極不規(guī)則，比例閥閥芯反饋會有一個反向波動的過程，由于該波動將導(dǎo)致在一定時間內(nèi)比例閥給定與反饋值會產(chǎn)生一個差值，進而導(dǎo)致跟隨故障的發(fā)生。由圖7和圖9可知，新比例閥的震蕩跟隨試驗中，比例閥給定信號動作后，比例閥反饋信號動作正常，且波形平滑無毛刺。[8]

基于以上分析可以判斷，比例閥跟隨故障的原因為比例閥本體性能下降所致，現(xiàn)場更換新比例閥備件后，該機組調(diào)速器電液隨動系統(tǒng)至今為止運行穩(wěn)定，均未發(fā)生過比例閥跟隨故障現(xiàn)象，調(diào)速器電液隨動系統(tǒng)的穩(wěn)定性還需根據(jù)調(diào)整情況和機組運行情況做進一步的跟蹤。

3 結(jié)束語

在水電站機組控制系統(tǒng)中，調(diào)速器是極其重要的執(zhí)行環(huán)節(jié)，調(diào)速器的可靠運行直接影響電站和電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行。本文通過對幾起典型調(diào)速器液壓隨動故障的案例分析，充分體現(xiàn)了調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)自判斷功能的重要性，通過著手調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)的故障判斷分類、故障原理分析及故障試驗錄波三方面，找到了調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)故障相應(yīng)的解決辦法，可以幫助維護人員及時正確地判斷和處理調(diào)速器的各類隨動故障，有效減少調(diào)速器故障所帶來的損失，保障發(fā)電機組安全可靠運行。

圖9 比例閥零點補償值為5時的錄波曲線（新比例閥）Figure 9 Recording curve when the zero compensation value of the proportional valve is 5 （new proportional valve）