囊式高油壓調速器常見問題分析與處理

吳昌春，潘淑改

(1．水利部小浪底水利樞紐管理中心，河南 鄭州 450000；2．黃河小浪底水資源投資有限公司，河南 濟源 454681)

1 概 述

龍背灣水電站位于湖北省竹山縣堵河支流官渡河上游，距竹山縣城90 km，水庫總庫容8.3億m3，裝機容量180 MW，年發(fā)電量4.19億kW·h。電站為地面引水式廠房，安裝有2×90 MW混流式水輪發(fā)電機組。電站送出工程接入湖北省國家電網，為湖北省電力公司優(yōu)質調峰電站。

龍背灣水電站采用GKT—50000—16型高油壓調速器，油壓裝置采用16 MPa油氣分離的囊式蓄能罐、高壓齒輪泵、高壓液壓缸、各類液壓閥及液壓附件等，在控制部分采用了電液比例閥及其他各類液壓件，在結構上采用了液壓集成塊和標準的液壓附件。油壓裝置采用囊式儲能罐，氣囊內所充氮氣與液壓油不直接接觸且密封性好，延長了液壓油使用壽命，減少了運行操作及維護工作量。龍背灣水電站是目前國內應用高油壓囊式儲能罐的單機容量最大的水電站。

2 囊式調速器工作原理

互為冗余配置的高壓油泵將集油箱內的液壓油經過油泵出口閥組等打至囊式蓄能罐中，壓縮儲能罐皮囊加壓至16 MPa后，并聯(lián)運行的12個囊式儲能罐向調速器系統(tǒng)提供壓力油源。調速器電調柜接到操作指令后，通過冗余配置的PLC控制器進行內部判斷給出開/關導葉指令，并將動作指令電信號通過比例伺服閥轉化為控制油壓信號，由控制油壓推動主配壓閥動作，使操作油壓通過主配壓閥推動接力器動作，完成導葉開/關指令。導葉位移傳感器在線監(jiān)測導葉開度與目標值比較，經PLC控制器判斷后，重復發(fā)出動作指令電信號，實現導葉控制閉環(huán)調節(jié)，直至達到目標值。

3 常見故障

2015年投運后，龍背灣水電站調速系統(tǒng)多次出現閥組卡澀拒動導致機組負荷無法正常調節(jié)以及負荷突增、突減，單套位移傳感器故障導致機組停機失敗，隨動系統(tǒng)故障報警誤報，增減負荷緩慢等設備異常情況。

3.1 僅有殘壓測速參與控制，測速回路無冗余配置

齒盤測速回路精度不夠，齒盤測速信號無法參與調速器調節(jié)控制，測速回路無冗余配置。開機時，殘壓測速回路故障，導葉將自動全關，無法自動開機；并網后，殘壓測速回路故障，調速器將直接切至機手動狀態(tài)，此時出現其他故障，保護裝置切機，將直接導致機組過速；機組檢修后或者長期停機后再開機，機組無剩磁將導致機組無法自動開機；手動開機時，則無法顯示轉速。龍背灣水電站屬于高轉速機組(272.7 r/min)，很難控制機組平穩(wěn)開至空載轉速，極易造成機組過速。

3.2 調速器隨動系統(tǒng)故障檢測功能異常

隨動系統(tǒng)故障檢測功能投入后，隨動系統(tǒng)故障信號頻繁出現，調速器由自動控制切至手動控制；如在機組事故停機過程中出現此問題，因導葉無法自動回關，會導致機組過速。

3.3 模擬反饋斷線試驗結果不滿足國標要求

在模擬導葉接力器位移傳感器反饋斷線試驗時，導葉接力器位移突開4%，遠超國標(GB 9652)突變量±1%的要求，影響機組安全運行。

3.4 位移傳感器可靠性低，影響機組安全運行

每臺調速器僅配置1個拉線式位移傳感器，在使用過程中極易出現拉線抖動、觸頭磨損、導葉快速關閉時彈簧卡死等問題，位移傳感器損壞將直接影響機組開機和并網過程中機組安全運行，存在導葉失控等重大安全隱患。

3.5 隨動性差，增減負荷緩慢

調速器上位機增減負荷緩慢，有功從0 MW升至60 MW需大約90 s，負荷調節(jié)速率不滿足華中電網要求。

3.6 核心電氣元件無冗余配置，可靠性低

PLC、位移傳感器等為調速器控制核心部件，均為單一配置，設備可靠性低，任何一個環(huán)節(jié)出故障，機組將直接失控。

3.7 負荷穩(wěn)定性差

多次并網過程中，接力器突開或突關造成負荷突變。

3.8 自動水頭不參與控制

調速器自動水頭無法參與控制。龍背灣水電站工作水頭范圍較廣，對調速器控制參數要求較高。開機時，導葉直接開至空載開限，僅靠空載開限限制來控制機組轉速上升，機組啟動瞬間啟動力矩較大；同時開機至空載，轉速超調量較大，穩(wěn)定時間長，機組并網時間偏長。

3.9 一次調頻指標不滿足電網要求

在并網狀態(tài)下，機組一次調頻頻繁誤動作，同時調速器控制系統(tǒng)無法上送一次調頻功能投入信號至電站相量采集裝置，無法實現一次調頻功能。

3.10 程序設計缺陷

調速器故障的保護功能缺少必要的保護程序，如反饋斷線時調速器自動切換純手動運行，當出現甩負荷工況導葉開度大于空載開度時，調速器切純手動運行，將導致機組過速。

3.11 閥組頻繁卡澀

(1)自動停機時，關機電磁閥、比例電磁閥卡澀拒動，導致導葉無法關閉，機組無法解列停機。

(2)自動停機時，鎖定電磁閥卡澀導致停機后，鎖定無法自動投入，且手動捅閥芯仍拒動。

(3)手自動切換閥卡澀導致停機后，導致停機時導葉有5%開度不能全關，停機流程超時退出。

(4)機組檢修時，無水狀態(tài)下模擬機組機械過速裝置動作試驗，多次發(fā)生機械過速保護裝置卡澀拒動；在發(fā)生機組過速時機械過速裝置拒動，導致機組飛逸。

4 常見故障原因分析

針對調速器運行中出現的故障現象，結合設備運行情況，龍背灣水電站技術人員展開市場調研后分析認為水電站應用的GKT—50000—16型高油壓調速器的配置和功能設計僅能滿足小型機組和地級市電網要求，無法滿足省電網要求；同時存在安全隱患和性能上的缺陷，具體如下：

(1)調速器電氣部分PLC、電源、繼電器等硬件配置偏低。

(2)信號抗干擾能力差，缺少相應的電氣信號隔離。

(3)程序設計不夠完善，存在程序缺陷，如僅有殘壓測速參與控制，存在重大安全隱患。

(4)測速、導葉反饋等自動化元件配置簡陋，可靠性和精度差。

(5)液壓部分閥組選型及質量差，閥組加工精度不夠。液壓回路精確控制部分采用比例換向閥，該閥輸入信號為0～10 V的電壓信號，靠電壓控制，線性度差，不適合用于精確調整負荷。

(6)液壓回路設計不合理，存在安全隱患。

(7)軟管接頭采用非標焊接，安全性較低。

5 常見故障處理

為解決運行中存在的故障，在充分調研的基礎上，2017年，龍背灣水電站決定對調速器系統(tǒng)進行改造：一是將電氣控制、機械液壓部分整體改造。二是對齒盤測速及位移反饋等測量回路自動化元件重新選型更換。三是在液壓回路中考慮加裝濾油裝置，確保油質。四是完善控制程序，自動水頭信號應用到程序控制、反饋斷線故障檢測重新優(yōu)化檢測判據、隨動系統(tǒng)故障檢測程序重新優(yōu)化、開發(fā)觸摸屏常規(guī)試驗功能、殘壓與齒盤轉速信號均參與程序控制等。

5.1 電氣控制部分

(1)PLC控制。采用雙冗余熱備用PLC，包括雙套開關量、模擬量及高速計數模塊。

(2)電源回路。采用雙電源無擾切換，同時對不同類型自動化元件設置單獨24 V電源空開，防止任一路接地等造成盤柜大面積失電，擴大故障范圍。

(3)自動化元件。測速回路采用雙齒盤測速，提高機組測速可靠性，導葉反饋采用抗污染能力強、精度及可靠性高的進口雙磁致伸縮位移傳感器。

5.2 機械液壓部分

(1)液壓閥組。全套采用Bosch Rexroth液壓閥組，應用高精度比例伺服閥先導控制導葉開關。

(2)管路。將原管路直徑由50 cm減為25 cm，提高有液壓油流速。

(3)液壓回路增加功能。液壓系統(tǒng)設計純手動狀態(tài)閉鎖保護、接力器高壓軟管與接力器油口間加裝節(jié)流口，防止爆管等極端工況下導葉快速關閉，導致蝸殼水壓突增極端工況關機保護。選用力士樂V型主配壓閥，可在電氣部分全部失電情況下自動關機保護等。

(4)機械過速裝置。選用可靠性高的具有拐點動作特性的純機械過速保護裝置，確保機組過速時可靠停機。

5.3 故障處理后效果

改造后，龍背灣水電站調速器各項性能指標良好(見圖1～圖4，表1～表4)。

圖1 機組甩100%負荷曲線

圖2 機組甩25%負荷曲線

表1 1號機調速器靜特性試驗數據

表2 1號機調速器靜特性試驗結果

表3 2號機調速器靜特性試驗數據

表4 2號機調速器靜特性試驗結果

圖3 1號機調速器靜特性試驗曲線(bp=4%)圖4 2號機調速器靜特性試驗曲線(bp=4%)

6 故障處理亮點

6.1 快速同期

采用常規(guī)兩段開度開機或加速度方式開機，加速度方式首先采用1個固定啟動開度，在導葉開度達到啟動開度值后，進入具有固定加速度設定的加速度PID閉環(huán)控制。轉速上升過程中，加速度給定值逐步減少，接近額定轉速后調速器進入空載轉速控制方式運行。

6.2 導航跟蹤功能

功率控制功能塊中增加1個前置放大控制功能塊，在機組調節(jié)輸出功率過程中，快速接近所預期的輸出功率，實現快速跟蹤。

6.3 冗余配置

每臺調速器配置雙冗余PLC及雙套開關量、模擬量模塊、雙高精度磁致伸縮位移傳感器、雙測速測量等，充分保障設備安全可靠運行。

6.4 開停機控制

配置有開停機換向閥，由先導電磁閥控制，導葉開啟/關閉更可靠。

6.5 配壓閥

主配壓閥選用Bosch Rexroth，閥芯機能采用“V”型，0遮程設置使主配壓閥控制死區(qū)小，閥芯動作響應靈敏。

6.6 機械過速保護

龍背灣水電站配置的機械過速較常規(guī)機械過速彈簧動作方式不同，在機組轉速未達到過速動作值時，彈簧不會作伸縮動作，避免了機械過速彈簧疲勞、誤動。過速飛擺采用特殊的彈簧結構設計，具有拐點動作特性。在機組轉速未達到過速動作值時，彈簧不會作伸縮動作，飛擺始終保持在初始位置。當機組轉速達到動作值時，飛擺由離心力作用向外動作4 mm，避免了彈簧在長期機組運轉過程中由于頻繁伸縮動作而導致過速設定值漂移，引起機組過速誤動作。

6.7 一級過速保護

接收到一級過速信號，通過監(jiān)控系統(tǒng)開出開停機換向閥驅動主配壓閥關機。非緊急事故情況下，避免了機組故障擴大及減少主閥、事故配壓閥動作，方便現場快速處理并恢復故障。

6.8 失電關機保護

采用具有偏關特性的V型主配壓閥，在整個調速器系統(tǒng)失電后，主配壓閥在彈簧力作用下將接力器緩慢關閉，保證機組安全。

6.9 增加功率調節(jié)模式

增加功率調節(jié)模式功能，調整負荷時僅需通過監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)4～20 mA功率模擬量信號數值至調速器，由調速器自身形成功率閉環(huán)調整負荷，并穩(wěn)定在給定值。

7 結 語

龍背灣水電站調速器改造后投入運行至今，調速器運行穩(wěn)定，未出現設備缺陷。同時，原調速器頻出現的故障問題全部解決，各項性能指標滿足湖北省電網要求。