巨型機(jī)組調(diào)速器液壓系統(tǒng)故障診斷策略優(yōu)化

羅紅俊，張官祥，唐國(guó)平

（1.中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司白鶴灘電廠，四川 涼山 615400；2.中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司葛洲壩電廠，湖北 宜昌 443000）

0 引言

機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)，對(duì)液壓系統(tǒng)本身的運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控與故障自診斷功能，可大力提升設(shè)備可維護(hù)性。這不僅可對(duì)系統(tǒng)設(shè)備實(shí)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握液壓系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；同時(shí)，設(shè)備一旦出現(xiàn)故障，系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)故障自診斷功能，對(duì)發(fā)生故障部位進(jìn)行隔離，為設(shè)備維護(hù)和機(jī)組運(yùn)行提供智能決策支持。某巨型水電廠機(jī)組調(diào)速器液壓系統(tǒng)在機(jī)組正常運(yùn)行過(guò)程中，曾多次發(fā)生倒換廠用電時(shí)報(bào)液壓系統(tǒng)大故障、液壓系統(tǒng)補(bǔ)氣及冷卻流程異常動(dòng)作、隔離閥動(dòng)作異常等事件，直接影響了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合國(guó)內(nèi)巨型水電廠設(shè)備運(yùn)維及管理經(jīng)驗(yàn)，本文提出了優(yōu)化水電廠調(diào)速器液壓系統(tǒng)的控制策略，并對(duì)液壓系統(tǒng)的控制流程及硬件回路進(jìn)行了深入研究，以求找出設(shè)備存在的問(wèn)題，消除液壓系統(tǒng)存在的安全隱患，提高液壓系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性，以提升機(jī)組運(yùn)行的可靠性。

1 液壓系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)及現(xiàn)狀分析

調(diào)速器液壓系統(tǒng)控制部分采用施耐德Quantum CPU雙冗余熱備控制系統(tǒng)。雙CPU具有各自獨(dú)立的電源和共同的I/O通道，PLC與RIO之間通過(guò)通信電纜聯(lián)接。所有的外部DI、AI輸入信號(hào)均通過(guò)RIO子站采集然后通信給PLC進(jìn)行處理，PLC將處理后的數(shù)據(jù)通信給RIO子站，并通過(guò)DO、AO模塊輸出到外部元件。Quantum系列PLC的雙機(jī)安裝同樣的程序，其熱備由其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，無(wú)需編寫切換邏輯程序。備用PLC不進(jìn)行程序運(yùn)算，全部數(shù)據(jù)從主用PLC讀取，保證備用PLC在切換為主用的瞬間，所有輸出與主用PLC相同，以實(shí)現(xiàn)無(wú)擾切換，交叉?zhèn)浞莸慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使任一CPU退出都不會(huì)影響監(jiān)控系統(tǒng)的工作。設(shè)備運(yùn)行時(shí)，故障系統(tǒng)不停地對(duì)運(yùn)行通道及備用通道進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)，甚至故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)本身也會(huì)受到監(jiān)測(cè)，但故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不能保證監(jiān)測(cè)到全部故障，在大部分情況下，調(diào)速系統(tǒng)的各正常功能都由故障監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在持續(xù)地監(jiān)測(cè)著，這些功能一旦發(fā)生故障，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并給出故障信息進(jìn)而執(zhí)行相關(guān)流程。

2 原液壓系統(tǒng)控制策略研究與分析

水電廠自機(jī)組投運(yùn)以來(lái)，先后出現(xiàn)調(diào)速器液壓系統(tǒng)隔離閥動(dòng)作異常、補(bǔ)氣流程異常、冷卻流程異常及廠用電倒換時(shí)大泵不可用等缺陷約20條，導(dǎo)致設(shè)備故障率高，設(shè)備運(yùn)行不可靠。針對(duì)上述問(wèn)題，對(duì)調(diào)速器液壓系統(tǒng)控制策略進(jìn)行研究與分析，以便徹底消除設(shè)備隱患，提高設(shè)備可靠性。

2.1 液壓系統(tǒng)大故障控制策略

在監(jiān)控系統(tǒng)故障定義中的液壓系統(tǒng)大故障是指液壓系統(tǒng)存在不可繼續(xù)運(yùn)行的嚴(yán)重故障，報(bào)此故障的主要原因是液壓系統(tǒng)大故障定義不明確，導(dǎo)致信息誤報(bào)。原程序控制邏輯設(shè)計(jì)如圖1所示，當(dāng)2臺(tái)大泵不可用時(shí)即報(bào)出“液壓系統(tǒng)大故障”，而此時(shí)液壓系統(tǒng)仍可自動(dòng)運(yùn)行，且由于調(diào)速器液壓系統(tǒng)1號(hào)、3號(hào)油泵動(dòng)力電源均取自于同一段廠用電母線，在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，尤其是在廠用電倒換時(shí)必然會(huì)出現(xiàn)兩臺(tái)泵同時(shí)故障，此時(shí)會(huì)報(bào)出“液壓系統(tǒng)大故障”，但液壓系統(tǒng)仍具備正常運(yùn)行條件，對(duì)運(yùn)行人員設(shè)備監(jiān)視造成干擾。

圖1 原液壓系統(tǒng)大故障控制邏輯圖

2.2 油泵自動(dòng)停泵控制策略

某水電廠機(jī)組液壓系統(tǒng)的油泵設(shè)置有3臺(tái)大泵加1臺(tái)小泵。大泵采用間歇運(yùn)行方式，小泵采用連續(xù)運(yùn)行方式。大泵每次啟動(dòng)加載，在達(dá)到設(shè)定壓力后將自動(dòng)卸載停泵，但機(jī)組在運(yùn)行期間液壓系統(tǒng)啟動(dòng)后多次出現(xiàn)一臺(tái)大泵啟動(dòng)且長(zhǎng)期空載運(yùn)行，無(wú)法自動(dòng)停泵的問(wèn)題。其主要原因是大泵啟停控制邏輯不合理導(dǎo)致大泵空載運(yùn)行無(wú)法自動(dòng)停止。原程序控制邏輯設(shè)計(jì)如圖2所示，當(dāng)小泵故障后將啟動(dòng)一臺(tái)大泵連續(xù)運(yùn)行，待小泵故障恢復(fù)且系統(tǒng)壓力達(dá)到6.3 MPa以后，該大泵卸載并停泵。而小泵的加卸載控制邏輯為系統(tǒng)壓力低于6.15 MPa加載，系統(tǒng)壓力高于6.28 MPa且延時(shí)2 s卸載，即小泵故障恢復(fù)后再進(jìn)行一輪加卸載過(guò)程系統(tǒng)壓力有可能低于6.3 MPa，不能保證系統(tǒng)壓力達(dá)到6.3 MPa，以致于啟動(dòng)后的大泵一直空轉(zhuǎn)運(yùn)行無(wú)法停泵。

圖2 原大泵控制邏輯圖

2.3 隔離閥狀態(tài)異?？刂撇呗苑治?/h3>

在液壓系統(tǒng)進(jìn)行事故低油壓試驗(yàn)時(shí)，隔離閥出現(xiàn)反復(fù)開(kāi)啟、關(guān)閉的情況，并在調(diào)速器控制柜觸摸屏報(bào)液壓系統(tǒng)停機(jī)失敗、隔離閥關(guān)閉失敗、隔離閥狀態(tài)異常等故障信息。其主要原因是隔離控制邏輯不合理導(dǎo)致在極端情況下出現(xiàn)隔離閥反復(fù)開(kāi)啟和關(guān)閉。原控制程序中隔離閥關(guān)閉失敗故障的判斷條件是隔離閥關(guān)閉指令發(fā)出30 s內(nèi)，若未檢測(cè)到隔離閥關(guān)閉狀態(tài)反饋，則報(bào)“隔離閥關(guān)閉失敗”故障。該故障未設(shè)計(jì)故障自動(dòng)復(fù)歸條件，而且該故障存在時(shí)將強(qiáng)制發(fā)出隔離閥關(guān)閉指令；而在液壓系統(tǒng)運(yùn)行態(tài)下，若未檢測(cè)到隔離閥開(kāi)啟狀態(tài)反饋則會(huì)報(bào)“隔離閥異常關(guān)閉”故障，并將強(qiáng)制發(fā)出隔離閥開(kāi)啟指令。液壓系統(tǒng)在運(yùn)行態(tài)時(shí)，若“隔離閥關(guān)閉失敗”故障一直保持，則PLC每隔5 s發(fā)出隔離閥關(guān)閉指令，而隔離閥開(kāi)啟狀態(tài)復(fù)歸后，又報(bào)出“隔離閥異常關(guān)閉”故障，并強(qiáng)制發(fā)出隔離閥開(kāi)啟指令，導(dǎo)致PLC反復(fù)發(fā)出隔離閥開(kāi)啟和關(guān)閉指令，隔離閥反復(fù)開(kāi)啟和關(guān)閉。

2.4 自動(dòng)補(bǔ)氣閥控制策略分析

在液壓系統(tǒng)壓油罐液位滿足補(bǔ)氣條件，補(bǔ)氣流程啟動(dòng)后，補(bǔ)氣閥開(kāi)啟時(shí)間較短，且在短時(shí)間內(nèi)反復(fù)開(kāi)啟和關(guān)閉，補(bǔ)氣效率低下。其原因是補(bǔ)氣流程控制邏輯不合理導(dǎo)致補(bǔ)氣閥反復(fù)動(dòng)作。在原程序中，補(bǔ)氣流程啟動(dòng)條件為壓油罐液位高于1 950 mm且系統(tǒng)壓力低于6.18 MPa，補(bǔ)氣流程退出條件為壓油罐液位低于1 850 mm或系統(tǒng)壓力高于6.35 MPa。在補(bǔ)氣流程啟動(dòng)后，若機(jī)組導(dǎo)葉動(dòng)作，則系統(tǒng)壓力將迅速下降至6.10 MPa以下，啟動(dòng)一臺(tái)大泵并加載，由于大泵加載后系統(tǒng)壓力上升速度很快，系統(tǒng)壓力在短時(shí)間內(nèi)上升至6.35 MPa以上，滿足補(bǔ)氣流程退出條件，補(bǔ)氣流程退出，而由于此時(shí)補(bǔ)氣流程持續(xù)時(shí)間過(guò)短，油罐的油氣比未發(fā)生明顯變化，當(dāng)大泵停止后，油罐液位和壓力很快又重新滿足補(bǔ)氣流程啟動(dòng)條件，導(dǎo)致補(bǔ)氣流程反復(fù)啟動(dòng)、停止，補(bǔ)氣閥反復(fù)動(dòng)作。

2.5 油泵卸負(fù)荷啟動(dòng)控制策略

1～4號(hào)油泵啟動(dòng)柜加卸載控制回路設(shè)計(jì)時(shí)未考慮油泵啟動(dòng)條件，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看油泵啟動(dòng)時(shí)加卸載組合閥需處于空載狀態(tài)，避免油泵重載啟動(dòng)，縮短油泵使用壽命，但此功能只寫入控制柜軟件控制邏輯，在油泵切手動(dòng)方式啟動(dòng)時(shí)，油泵將加載啟動(dòng)，油泵啟動(dòng)時(shí)泵體承受壓力大，電機(jī)啟動(dòng)電流大，易對(duì)油泵泵體和電機(jī)造成損害。以上表明1～4號(hào)油泵加卸載控制回路設(shè)計(jì)不合理。

2.6 回油箱液位過(guò)低啟泵控制策略

為保證接力器的操作功，液壓系統(tǒng)為封閉式系統(tǒng)，不允許系統(tǒng)進(jìn)氣，但回油箱液位低于油泵吸油口時(shí)，存在油泵進(jìn)氣的風(fēng)險(xiǎn)。這是1～4號(hào)油泵啟動(dòng)控制回路設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致的。1～4號(hào)油泵啟動(dòng)柜啟動(dòng)回路在設(shè)計(jì)時(shí)，未對(duì)回油箱液位條件進(jìn)行閉鎖處理，當(dāng)回油箱液位低于油泵吸油口時(shí)，油泵仍可以手動(dòng)啟動(dòng)，則此時(shí)油泵將會(huì)吸入空氣，從而導(dǎo)致整個(gè)液壓系統(tǒng)進(jìn)氣，影響機(jī)組導(dǎo)葉的正常操作。

3 液壓系統(tǒng)控制策略優(yōu)化措施

針對(duì)該水電廠機(jī)組調(diào)速器液壓系統(tǒng)存在的問(wèn)題，確認(rèn)其原因后對(duì)液壓系統(tǒng)控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化。

3.1 液壓系統(tǒng)大故障策略優(yōu)化

通過(guò)對(duì)原控制策略分析，優(yōu)化液壓系統(tǒng)大故障列表和液壓系統(tǒng)就緒條件，取消2臺(tái)大泵不可用的條件，改為3臺(tái)大泵同時(shí)不可用時(shí)才能故障報(bào)警。修改后控制邏輯如圖3所示。

圖3 優(yōu)化液壓系統(tǒng)大故障控制邏輯圖

3.2 大泵啟?？刂撇呗詢?yōu)化

經(jīng)原因分析后，在原控制邏輯中取消小泵不可用時(shí)啟動(dòng)一臺(tái)大泵連續(xù)運(yùn)行的邏輯，在主1泵啟動(dòng)條件中增加小泵不可用且系統(tǒng)壓力低于6.15 MPa時(shí)啟主泵的判斷條件。在機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)壓力變化緩慢，經(jīng)優(yōu)化邏輯后大泵維持間歇運(yùn)行方式，提高啟動(dòng)壓力，保證系統(tǒng)壓力維持在允許的范圍內(nèi)，同時(shí)可有效減少大泵運(yùn)行時(shí)間，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，降低設(shè)備故障率。優(yōu)化控制邏輯如圖4所示。

圖4 優(yōu)化大泵啟?？刂七壿媹D

3.3 隔離閥異常狀態(tài)控制策略優(yōu)化

為了避免“隔離閥異常關(guān)閉”故障和“隔離閥關(guān)閉失敗”故障信號(hào)同時(shí)存在導(dǎo)致隔離閥反復(fù)“開(kāi)啟”“關(guān)閉”的問(wèn)題，在原控制邏輯中取消隔離閥開(kāi)啟失敗或關(guān)閉失敗故障時(shí)強(qiáng)行關(guān)閉隔離閥的邏輯，在此基礎(chǔ)上增加隔離閥開(kāi)啟/關(guān)閉失敗自動(dòng)復(fù)歸條件，增加故障信號(hào)復(fù)歸開(kāi)關(guān)操作指令，即“隔離閥開(kāi)啟/關(guān)閉失敗故障”作為“隔離閥開(kāi)啟/關(guān)閉操作指令”的閉鎖條件，避免隔離閥電磁閥長(zhǎng)期勵(lì)磁。

3.4 自動(dòng)補(bǔ)氣閥控制策略優(yōu)化

在原補(bǔ)氣過(guò)程關(guān)閉的控制邏輯基礎(chǔ)上取消補(bǔ)氣閥開(kāi)啟失敗的閉鎖條件，補(bǔ)氣閥開(kāi)啟失敗只作為故障報(bào)警，同時(shí)增加補(bǔ)氣持續(xù)時(shí)間的判斷條件。在原補(bǔ)氣開(kāi)啟過(guò)程控制邏輯的基礎(chǔ)上增加本次補(bǔ)氣完成與下次補(bǔ)氣開(kāi)啟之間的時(shí)間間隔；優(yōu)化補(bǔ)氣閥關(guān)閉失敗的處理邏輯，若補(bǔ)氣閥在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未關(guān)閉到位則報(bào)補(bǔ)氣閥關(guān)閉失敗，同時(shí)該故障復(fù)歸補(bǔ)氣閥關(guān)閉指令，退出補(bǔ)氣流程的同時(shí)在該故障尚未復(fù)歸前不再投入補(bǔ)氣閥。

3.5 油泵控制回路優(yōu)化措施

就1～4油泵控制回路存在的問(wèn)題對(duì)其硬接線回路進(jìn)行優(yōu)化改造，主要分為以下2個(gè)部分：

（1）油泵卸載回路改進(jìn)方案。在油泵卸載電力型繼電器線圈回路中，并入油泵啟動(dòng)命令繼電器的一對(duì)常開(kāi)接點(diǎn)和啟動(dòng)延時(shí)繼電器的一對(duì)常閉接點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)在油泵啟動(dòng)至啟動(dòng)延時(shí)完成期間，接通組合閥卸載電磁閥線圈，實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)過(guò)程中強(qiáng)制卸載的目的。

（2）油泵啟動(dòng)回路改進(jìn)方案。在油泵啟動(dòng)命令繼電器線圈回路中，串入回油箱液位過(guò)低繼電器的一對(duì)常閉接點(diǎn)，在回油箱液位過(guò)低接點(diǎn)動(dòng)作時(shí)，斷開(kāi)油泵啟動(dòng)命令線圈回路，強(qiáng)制停泵，以實(shí)現(xiàn)在回油箱液位過(guò)低時(shí)油泵無(wú)法啟動(dòng)的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)某電廠機(jī)組調(diào)速器液壓系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中所暴露出來(lái)的問(wèn)題進(jìn)行分析，深入研究設(shè)備運(yùn)行控制邏輯，結(jié)合巨型電站的設(shè)備運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備運(yùn)行性能，對(duì)液壓系統(tǒng)的狀態(tài)流轉(zhuǎn)、補(bǔ)氣流程、冷卻流程及隔離閥控制流程和油泵加卸載流程進(jìn)行全面優(yōu)化，解決了液壓系統(tǒng)存在的問(wèn)題和異常情況，提升了液壓系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。自優(yōu)化方案實(shí)施后液壓系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，尚未重復(fù)發(fā)生上述問(wèn)題，優(yōu)化效果顯著，進(jìn)一步提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性，對(duì)其他電廠處理液壓系統(tǒng)控制邏輯具有一定的參考價(jià)值。