大型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)導(dǎo)葉開度反饋裝置故障分析與處理

趙 冉

（四川省能投攀枝花水電開發(fā)有限公司，四川 攀枝花 617000）

0 引言

金沙水電站位于四川省攀枝花市西區(qū)金沙江干流中游末端的攀枝花河段上，壩址位于四川省攀枝花市西區(qū)，上距觀音巖水電站壩址28.9 km，壩址距攀枝花市中心10.3 km，距銀江水電站壩址21.3 km。金沙水電站工程為二等大（2）型工程，樞紐工程主要由混凝土重力壩、河床式電站廠房及泄洪消能等建筑物組成。電站裝機(jī)容量560 MW，安裝4臺(tái)140 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，并配備4臺(tái)主變壓器，設(shè)計(jì)年平均發(fā)電量21.77億kW·h。

金沙水電站調(diào)速器采用南瑞集團(tuán)有限公司SAFR-2000H型微機(jī)調(diào)速器、雙PCC系統(tǒng)。導(dǎo)葉主配直徑200 mm，槳葉主配直徑150 mm，協(xié)聯(lián)方式為導(dǎo)葉槳葉協(xié)聯(lián)，額定工作壓力為6.3 MPa。導(dǎo)葉開度反饋裝置因采用美國(guó)MTS公司E系列EP2型磁致伸縮線性位移傳感器（非接觸式），在1號(hào)機(jī)組試運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)因?qū)~反饋裝置固定支架跟隨接力器杠發(fā)生水平擺動(dòng)位移和缸體轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致接觸式傳感器位移磁鐵與傳感元件（波導(dǎo)管）之間的感應(yīng)距離發(fā)生變化，導(dǎo)葉開度采樣信號(hào)跳變、失真，傳感器采樣異常報(bào)警或?qū)е陆恿ζ黝l繁抽動(dòng)，造成事故低油壓保護(hù)動(dòng)作機(jī)組“非停”發(fā)生。經(jīng)過對(duì)傳感器固定支架調(diào)整及滑動(dòng)支架加配重塊的方法進(jìn)行處理，均未達(dá)到較好的效果，重新對(duì)傳感器選型及支架進(jìn)行優(yōu)化，將磁致伸縮線性位移傳感器更換為德國(guó)ASM拉繩式位移傳感器，并經(jīng)調(diào)試、試驗(yàn)合格后試運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，從本質(zhì)上解決了反饋信號(hào)的不穩(wěn)定性，降低了因此導(dǎo)致的傳感器采樣信號(hào)異常告警及機(jī)組發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)。

機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)：

水輪機(jī)型號(hào)：ZZ(JS)-LH-1065

額定出力： 142.9 MW

額定水頭： 16.8 m

最小水頭： 8 m

最大水頭： 26.8 m

額定流量：938 m3/s

轉(zhuǎn)輪直徑： 10 650 mm

額定轉(zhuǎn)速： 57.7 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速： 178 r/min

制造廠家：通用電氣水電設(shè)備（中國(guó)）有限公司

發(fā)電機(jī)型號(hào)：SF140-104/16950

額定容量：160 MVA

額定電壓：13 800 V

額定電流：6 693.9 A

功率因素：0.875

勵(lì)磁電壓：388 V

勵(lì)磁電流：1 710 A

絕緣等級(jí)：F/F

推力負(fù)荷：3 600 t

制造廠家：浙江富春江水電設(shè)備有限公司

1 故障現(xiàn)象

2021年02月10 日20：04，運(yùn)行值班人員在上位機(jī)將1號(hào)機(jī)組有功由131 MW設(shè)置為140 MW；調(diào)速器壓油泵正常啟動(dòng)，油罐油壓迅速下降；20：06，1號(hào)機(jī)組壓力油罐事故低油壓保護(hù)動(dòng)作，監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)機(jī)械事故停機(jī)程序，1號(hào)機(jī)組事故低油壓機(jī)械事故停機(jī)。

2 現(xiàn)場(chǎng)檢查情況

停機(jī)后，分別對(duì)機(jī)組停機(jī)流程、調(diào)速器油壓裝置壓力油罐、回油箱油位及油壓，導(dǎo)葉主配、槳葉主配、接力器、受油器及油管路、閥門等附件進(jìn)行了全面檢查，未發(fā)現(xiàn)漏點(diǎn)及異常情況。進(jìn)一步對(duì)調(diào)速器油泵過濾器濾芯拆卸檢查，未發(fā)現(xiàn)濾芯堵塞及其他異?，F(xiàn)象。對(duì)尾水流道水質(zhì)進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)水質(zhì)異常（排除轉(zhuǎn)輪漏油），槳葉開、關(guān)腔油壓顯示正常，對(duì)4臺(tái)油泵進(jìn)行打壓試驗(yàn)，打壓試驗(yàn)正常，油泵試運(yùn)行無異常情況。對(duì)調(diào)速器導(dǎo)葉開度反饋裝置進(jìn)行排查時(shí)，檢查發(fā)現(xiàn)調(diào)速器接力器位移傳感器間隙偏大，導(dǎo)葉傳感器位置發(fā)生偏移，查看上位機(jī)故障報(bào)警信息顯示，機(jī)組停機(jī)過程中頻率波動(dòng)較大，有油壓越低限告警記錄。

3 導(dǎo)葉動(dòng)作過程及反饋裝置工作原理

3.1 水輪機(jī)導(dǎo)葉動(dòng)作過程

金沙水電站水輪機(jī)導(dǎo)葉接力器為搖擺式直缸接力器，主要由缸體、活塞、推拉桿、銷軸、配油裝置、固定支座、密封及油管等部件組成。推拉桿一端通過叉頭與控制環(huán)經(jīng)銷軸連接，另一端與活塞螺紋連接，通過調(diào)節(jié)螺母調(diào)整接力器的行程；接力器后缸蓋支座通過銷軸與內(nèi)頂蓋裝配，調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度時(shí)，缸體以后缸蓋支座銷軸軸線為中心水平擺動(dòng)，推拉桿和活塞桿直線伸縮調(diào)節(jié)控制環(huán)位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)葉開度的調(diào)整（導(dǎo)水機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖詳見圖1）。

圖1 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理圖

3.2 反饋裝置工作原理

調(diào)速器導(dǎo)葉開度反饋裝置主要由三組磁致伸縮線性位移傳感器（包括感應(yīng)元件波導(dǎo)管、移動(dòng)磁鐵）、固定支架、滑動(dòng)支架組成。傳感器的核心由一根鐵磁材料的感應(yīng)元件(亦稱作“波導(dǎo)管”)和一個(gè)可移動(dòng)的永磁鐵組成，波導(dǎo)管支架通過抱箍固定于接力器缸體，移動(dòng)磁鐵支架組成通過抱箍固定于活塞桿端部。機(jī)組調(diào)整負(fù)荷時(shí)，通過接力器活塞與缸體的相對(duì)位移（活塞桿的伸縮）改變導(dǎo)葉開度，同時(shí)磁鐵與感應(yīng)元件同步發(fā)生相對(duì)位移。永磁鐵在波導(dǎo)管上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)縱向的磁場(chǎng)。每當(dāng)電流脈沖由傳感器電子頭送出來并通過波導(dǎo)管時(shí)，會(huì)沿波導(dǎo)管產(chǎn)生一個(gè)徑向磁場(chǎng)。在傳感器內(nèi)部,波導(dǎo)管在兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用的瞬間產(chǎn)生扭變脈沖。這兩個(gè)磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的應(yīng)變脈沖能夠被傳感器的電子頭檢測(cè)出來。其中一個(gè)磁場(chǎng)由沿著帶有波導(dǎo)管的傳感器桿移動(dòng)的磁鐵產(chǎn)生，另一個(gè)磁場(chǎng)由波導(dǎo)管上通入的電流脈沖產(chǎn)生。位移磁鐵的位置可通過計(jì)算產(chǎn)生電流脈沖與應(yīng)變脈沖到達(dá)傳感器電子外殼這段時(shí)間，從而進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。通過上述基本原理，實(shí)現(xiàn)高重復(fù)性和高準(zhǔn)確性的可靠位移測(cè)量。當(dāng)這兩個(gè)磁場(chǎng)在波導(dǎo)管相互作用的瞬間，波導(dǎo)管產(chǎn)生“磁致伸縮”現(xiàn)像，一個(gè)應(yīng)變脈沖即時(shí)產(chǎn)生。這個(gè)被稱為“返回信號(hào)” 的脈沖以超聲波的速度從發(fā)生點(diǎn)(即位置測(cè)量點(diǎn))返回傳感器電子頭，并被應(yīng)變脈沖轉(zhuǎn)換器檢測(cè)出來，導(dǎo)葉開度位置信號(hào)反饋給調(diào)速器，實(shí)現(xiàn)對(duì)接力器活塞與缸體的相對(duì)位置的精確控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)葉開度的精確控制（磁致伸縮位移傳感器原理圖見圖2）。

圖2 磁致伸縮位移傳感器原理圖

4 原因分析

因金沙水電站水輪機(jī)結(jié)構(gòu)特殊性，主要體現(xiàn)在接力器為搖擺式直缸接力器，同時(shí)因接力器缸體與內(nèi)頂蓋為球形結(jié)構(gòu)連接形式（接力器與內(nèi)頂蓋連接結(jié)構(gòu)原理圖見圖3），導(dǎo)葉接力器調(diào)整導(dǎo)葉開度時(shí)，活塞和缸體的運(yùn)動(dòng)是一種復(fù)合運(yùn)動(dòng)：缸體帶動(dòng)活塞以缸體后缸蓋支座銷軸軸線為中心的水平擺動(dòng)、缸體以球面軸承中心點(diǎn)為中心在豎直面的轉(zhuǎn)動(dòng)也造成活塞與缸體同步旋轉(zhuǎn)。接力器缸體的擺動(dòng)和位移必然會(huì)帶動(dòng)支架發(fā)生水平位移和轉(zhuǎn)動(dòng)，造成感應(yīng)元件與磁鐵之間間隙變大，甚至脫離感應(yīng)區(qū)，導(dǎo)致導(dǎo)葉采樣反饋信號(hào)跳變、失真，調(diào)速器控制邏輯為“三選二”方式，當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)兩路開度反饋信號(hào)失真或跳變時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)便會(huì)給定導(dǎo)葉開度頻繁調(diào)整機(jī)組負(fù)荷，同時(shí)槳葉動(dòng)作持續(xù)調(diào)整尋找最佳協(xié)聯(lián)點(diǎn)，接力器大范圍抽動(dòng)引起耗油量瞬時(shí)迅速增加，壓油罐壓力急劇下降，造成調(diào)速器油壓裝置全部油泵陸續(xù)啟動(dòng)，仍不能滿足調(diào)速器系統(tǒng)供油需要。此時(shí)，事故低油壓保護(hù)動(dòng)作，監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)機(jī)組事故停機(jī)流程，機(jī)組停機(jī)（導(dǎo)葉反饋裝置見圖4）。

圖3 接力器與內(nèi)頂蓋連接結(jié)構(gòu)原理圖

圖4 導(dǎo)葉反饋裝置圖片

5 處理過程

5.1 臨時(shí)處理

在現(xiàn)場(chǎng)采取對(duì)傳感器滑動(dòng)支架進(jìn)行加配重塊及調(diào)整固定支架水平的方法進(jìn)行處理后，雖能恢復(fù)機(jī)組暫時(shí)運(yùn)行，但隨著機(jī)組運(yùn)行過程中傳感器直接隨接力器動(dòng)作發(fā)生位移和擺動(dòng)后，導(dǎo)致傳感器感應(yīng)元件（位移磁鐵）與傳感元件（波導(dǎo)管）的感應(yīng)距離發(fā)生變化（正常感應(yīng)距離為3～5 mm），且感應(yīng)磁鐵偏離波導(dǎo)管中心線，甚至超過感應(yīng)距離無法感應(yīng)，且運(yùn)行人員在增、減負(fù)荷時(shí)必須隨時(shí)觀察傳感器是否發(fā)生偏移，大大增加了運(yùn)行人員的工作強(qiáng)度，且不能滿足機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的要求（導(dǎo)葉反饋裝置滑動(dòng)支架臨時(shí)加配重塊處理圖片詳見圖5）。

圖5 導(dǎo)葉反饋裝置滑動(dòng)支架臨時(shí)加配重塊處理

5.2 改造處理

在傳感器滑動(dòng)支架增加配重塊仍未取得明顯效果后，決定將原磁致伸縮線性位移傳感器（非接觸式）更換為拉繩式位移傳感器，傳感器采用CLMB1系列位移傳感器，模擬量或同步串行輸出，量程范圍為：0～1 500 mm至 0～15 000 mm，模擬量輸出為：0～10 V，4～20 mA雙信號(hào)輸出，拉繩式傳感器固定于接力器活塞桿上安裝的移動(dòng)支架上，拉繩通過掛鉤懸掛在固定在接力器缸體上的滑動(dòng)支架上，在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，接力器活塞桿在開、關(guān)腔油壓作用下做往復(fù)直線運(yùn)行，通過活塞桿移動(dòng)帶動(dòng)拉繩的伸縮輸出導(dǎo)葉開度反饋信號(hào)，拉繩式位移傳感器采取與磁致伸縮線性位移傳感器安裝思路。同時(shí)，對(duì)固定支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加其穩(wěn)固性，使其更適用于拉繩式傳感器運(yùn)行可靠性的要求。但也存在支架偏轉(zhuǎn)的問題，該偏轉(zhuǎn)會(huì)造成傳感器拉伸量的微小變化，但該變化量在測(cè)量精度要求的范圍內(nèi)，不會(huì)造成位置信號(hào)丟失，不會(huì)引起機(jī)組故障停機(jī)，避免了因接力器杠體位移及轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的反饋信號(hào)跳變及失真現(xiàn)象，提高了調(diào)速器導(dǎo)葉開度反饋裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，使機(jī)組運(yùn)行更加穩(wěn)定、可靠（導(dǎo)葉反饋裝置改造后結(jié)構(gòu)示意圖見圖6）。

圖6 導(dǎo)葉反饋裝置改造后結(jié)構(gòu)示意圖

5.3 測(cè)試與試驗(yàn)

目的：檢查閉環(huán)控制中輸出電壓與電液伺服閥配合是否適當(dāng)；確定導(dǎo)葉副環(huán)控制的比例、積分死區(qū)、穩(wěn)零輸出等參數(shù)。

試驗(yàn)準(zhǔn)備工作：對(duì)電調(diào)柜、機(jī)柜、油壓裝置柜進(jìn)行檢查上電；油壓裝置建壓到額定壓力6.3 MPa；調(diào)試機(jī)柜與傳感器的配合性，重新調(diào)試綜合模塊，使之可以手動(dòng)開關(guān)操作，正確顯示導(dǎo)葉開度；手動(dòng)開關(guān)接力器進(jìn)行管路充油，檢查有無漏油現(xiàn)象并處理；調(diào)試電柜與機(jī)柜的配合，使之可以自動(dòng)開關(guān)操作。

試驗(yàn)項(xiàng)目：進(jìn)行導(dǎo)葉副環(huán)實(shí)驗(yàn)。

方法：選擇設(shè)置窗，輸入試驗(yàn)密碼，選擇A套和B套調(diào)試，進(jìn)入導(dǎo)葉負(fù)環(huán)擾動(dòng)界面，設(shè)置導(dǎo)葉負(fù)環(huán)KP，積分死區(qū)參數(shù)。進(jìn)行階躍擾動(dòng)，最后記錄試驗(yàn)波形。

調(diào)試技巧：在無水試驗(yàn)中進(jìn)入導(dǎo)葉擾動(dòng)試驗(yàn)，導(dǎo)葉切手動(dòng)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)設(shè)PI參數(shù)，然后設(shè)置導(dǎo)葉給定，觀察導(dǎo)葉動(dòng)作情況，若不動(dòng)作或反向動(dòng)作，在電柜端子調(diào)整控制輸出正負(fù)（控制輸出正負(fù)是否正確，可以在定位試驗(yàn)窗強(qiáng)制全開全關(guān)，看接力器方向是否相同，若相反，調(diào)換正負(fù)即可）。導(dǎo)葉擾動(dòng)，根據(jù)錄波觀察導(dǎo)葉動(dòng)作是否平滑，是否到位。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，比例不要超過8，積分根據(jù)實(shí)際選擇。如果給定和反饋始終有偏差，可修正一下主配零點(diǎn)，微調(diào)一下主配反饋增益（W4），使之反饋?zhàn)冃?，靈敏。擾動(dòng)結(jié)束后，自動(dòng)維持一個(gè)開度，要觸摸主配閥芯是否有抽動(dòng)，副環(huán)擾動(dòng)給定和反饋偏差相差0.2%以內(nèi)后，主配閥芯抽動(dòng)應(yīng)降到最小。副環(huán)擾動(dòng)的時(shí)候，注意電柜、機(jī)柜間導(dǎo)葉開度顯示的差異不要太大。

試驗(yàn)結(jié)果：導(dǎo)葉閉環(huán)控制穩(wěn)定，功放和電液伺服閥匹配良好（1號(hào)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后調(diào)速器電控柜信息窗見圖7）。

圖7 1號(hào)機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后調(diào)速器電控柜信息窗

6 結(jié)束語

針對(duì)金沙水電站1號(hào)機(jī)組調(diào)速器導(dǎo)葉開度反饋裝置傳感器選型不合理造成導(dǎo)葉采樣信號(hào)失真、跳變引起機(jī)組事故底油壓導(dǎo)致機(jī)組事故停機(jī)的情況，通過現(xiàn)場(chǎng)改造、試驗(yàn)結(jié)果及試運(yùn)行情況來看，將導(dǎo)葉開度反饋裝置3支磁致伸縮線性位移傳感器現(xiàn)場(chǎng)改造為拉繩式位移傳感器、并對(duì)傳感器支架進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，能滿足機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求。目前已完成金沙水力發(fā)電廠1號(hào)、2號(hào)機(jī)組的導(dǎo)葉反饋裝置改造工作，且試運(yùn)行效果良好，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性大大提高，也避免因“非停”事故造成電網(wǎng)的考核，間接增加了發(fā)電效益。證明以上分析和處理是正確的，由此也可以看出在水電站設(shè)備中因自動(dòng)化元件設(shè)計(jì)及選型不合理導(dǎo)致的故障也應(yīng)該引起重視，尤其是涉及到參與機(jī)組控制系統(tǒng)采樣的自動(dòng)化元件必須可靠、穩(wěn)定運(yùn)行，每個(gè)電站的情況都不盡相同，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況全面考慮，確保機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行。