非對稱冗余調(diào)速器切換閥故障分析與研究

陶文莉，郝 輝，馬 波，艾遠(yuǎn)高

（三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

水電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行，與每個機(jī)電設(shè)備的良好性能有著重要關(guān)系。調(diào)速器作為水輪發(fā)電機(jī)組的重要控制系統(tǒng)，其安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要意義。切換閥是調(diào)速器液壓系統(tǒng)的重要組成部分，其用于實(shí)現(xiàn)冗余調(diào)速器的液壓油路切換，從液壓回路上保證機(jī)組實(shí)現(xiàn)冗余控制器及手/自動方式之間的無擾切換。在調(diào)速器液壓回路中，切換閥一般不做冗余配置，故對切換閥工作狀況進(jìn)行監(jiān)視，及時發(fā)現(xiàn)切換閥故障，顯得尤為重要。

1 非對稱冗余調(diào)速器結(jié)構(gòu)

某電站機(jī)組調(diào)速器電氣部分采用雙套控制器，電液轉(zhuǎn)換執(zhí)行機(jī)構(gòu)為比例閥+步進(jìn)電機(jī)自復(fù)中機(jī)構(gòu)相結(jié)合的雙套獨(dú)立電液轉(zhuǎn)換通道，兩個通道相互間完全獨(dú)立，互為備用，采用切換閥實(shí)現(xiàn)液壓回路之間的切換。其中，切換閥為單線圈驅(qū)動，彈簧自復(fù)位。如圖1所示為某電站機(jī)組調(diào)速器結(jié)構(gòu)圖。

圖1 調(diào)速器結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)切換閥線圈得電時，A套控制器控制比例伺服閥，由比例伺服閥直接作用于主配壓閥，所對應(yīng)的油路為A套油路；當(dāng)切換閥線圈失電時，B套控制器控制步進(jìn)電機(jī)或者機(jī)手動操作機(jī)構(gòu)控制步進(jìn)電機(jī)，均通過自復(fù)中電液轉(zhuǎn)換器作用于主配壓閥，所對應(yīng)的油路為B套油路。

2 調(diào)速器切換閥故障分析

2.1 異?，F(xiàn)象與原因確認(rèn)

某機(jī)組調(diào)速器在模擬A套大故障試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)：在A套自動方式下，斷開切換閥電源，調(diào)速器應(yīng)該按照邏輯設(shè)計(jì)報出“A套大故障”，并切換至B套運(yùn)行，但現(xiàn)場未按照預(yù)定邏輯切換至B套運(yùn)行，且兩套控制器沒有任何故障報警信號。

出現(xiàn)異常情況后，查詢切換閥控制電氣回路設(shè)計(jì)為：切換閥線圈供電回路設(shè)計(jì)有單獨(dú)的空氣開關(guān)，A套切換閥控制命令串接在切換閥線圈供電回路中，切換閥本體帶有一組反饋接點(diǎn)直接送至A套控制器。B套沒有設(shè)計(jì)對切換閥的控制邏輯。

切換閥故障判斷邏輯如圖2所示：在A套主用時，控制器開出切換閥控制命令，若2 s以后仍未收到切換閥反饋信號，則報A套切換閥故障信號。B套未設(shè)計(jì)切換閥故障判斷邏輯。

圖2 A套調(diào)速器切換閥故障判斷邏輯

檢查A套調(diào)速器程序，發(fā)現(xiàn)切換閥反饋信號為1，即切換閥閥芯位置在A套油路。但此切換閥為單線圈電磁閥，切斷其線圈供電后，閥體應(yīng)該在彈簧作用下切換至B套油路。由此基本判斷切換閥出現(xiàn)了卡阻故障。

對A/B套調(diào)速器導(dǎo)葉控制情況進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，導(dǎo)葉動作情況如表1所示。

表1 導(dǎo)葉動作情況表

由表1可以看出，A套控制器運(yùn)行，即切換閥在A套油路時導(dǎo)葉可以正常動作，但是在B套和機(jī)手動控制，即切換閥在B套油路時導(dǎo)葉無法正常動作。由此可以判斷，此時切換閥發(fā)卡且卡在A套油路側(cè)。

通過上述分析和試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：切換閥發(fā)卡且卡在A套油路側(cè)， A套油路一直保持暢通，無法切換至B套油路。此時，根據(jù)切換閥故障判斷邏輯，在A套主用時，切換閥控制命令一直存在，切換閥反饋接點(diǎn)一直接通，A套沒有故障信號，而B套控制器沒有設(shè)計(jì)切換閥判斷邏輯，也沒有故障信號。所以當(dāng)A套大故障，機(jī)組切至B套或機(jī)手動方式運(yùn)行時，實(shí)際油路一直在A套油路側(cè)，調(diào)速器實(shí)際無法控制導(dǎo)葉動作，具有較大的運(yùn)行風(fēng)險。

2.2 導(dǎo)葉動作模擬試驗(yàn)

針對切換閥卡在A套油路側(cè)的情況，進(jìn)行導(dǎo)葉動作模擬試驗(yàn)。改變比例閥電氣中位設(shè)置，模擬機(jī)組并網(wǎng)狀態(tài)下，A套自動運(yùn)行時出現(xiàn)大故障，觀察調(diào)速器切至B套運(yùn)行后導(dǎo)葉的實(shí)際動作情況。

（1）比例閥電氣中位設(shè)置合理。當(dāng)切至B套主用運(yùn)行后，導(dǎo)葉開度基本維持不變；手動切至機(jī)手動方式運(yùn)行后，操作步進(jìn)電機(jī)手輪，導(dǎo)葉開度依然基本維持不變。在此過程中，無任何故障報警信號報出。

圖3 切換閥發(fā)卡導(dǎo)葉維持不動

（2）比例閥電氣中位設(shè)置偏開方向。在B套自動方式下， B套的導(dǎo)葉給定不變，但實(shí)際導(dǎo)葉開度一直在往開方向偏移，當(dāng)偏移達(dá)到設(shè)定值時，調(diào)速器報“導(dǎo)葉液壓故障”“B套大故障”，同時切至機(jī)手動方式運(yùn)行。由圖4可知，無論是B套自動方式還是機(jī)手動方式，導(dǎo)葉開度一直在往開方向偏移。

圖4 切換閥發(fā)卡導(dǎo)葉偏開

（3）比例閥中位設(shè)置偏關(guān)方向。在B套自動方式下， B套的導(dǎo)葉給定不變，但實(shí)際導(dǎo)葉開度一直在往關(guān)方向偏移，當(dāng)偏移達(dá)到設(shè)定值時，調(diào)速器報“導(dǎo)葉液壓故障”“B套大故障”，同時切至機(jī)手動方式運(yùn)行。由圖5可知，無論是B套自動方式還是機(jī)手動方式，導(dǎo)葉開度一直在往關(guān)方向偏移。

圖5 切換閥發(fā)卡導(dǎo)葉偏關(guān)

2.3 小結(jié)

由以上導(dǎo)葉動作模擬試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)切換閥發(fā)卡且卡在A套油路側(cè)時，當(dāng)比例閥中位設(shè)置合理，B套自動方式下，導(dǎo)葉可以保持穩(wěn)定，機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)行，但無法調(diào)整負(fù)荷；當(dāng)比例閥中位設(shè)置偏開，B套自動方式或者機(jī)手動方式下，導(dǎo)葉持續(xù)偏開，機(jī)組有超負(fù)荷運(yùn)行的風(fēng)險；當(dāng)比例閥中位設(shè)置偏關(guān)，B套自動方式或者機(jī)手動方式下，導(dǎo)葉持續(xù)偏關(guān)，機(jī)組有逆功率運(yùn)行的風(fēng)險。當(dāng)切換閥發(fā)生發(fā)卡且卡在A套油路側(cè)時，在B套主用或機(jī)手動方式運(yùn)行，無法確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，且不會有切換閥故障報警信號，存在較大的風(fēng)險，當(dāng)前切換閥故障判斷邏輯不能滿足機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的需求。

3 改進(jìn)措施

現(xiàn)有的調(diào)速器程序中只有A套控制器切換閥故障判斷邏輯，可以增加B套控制器切換閥故障判斷邏輯，進(jìn)一步完善調(diào)速器故障判斷機(jī)制。切換閥本身自帶一組反饋接點(diǎn)，不經(jīng)過中間繼電器擴(kuò)展，直接送至A套控制器的DI通道。檢查控制器程序發(fā)現(xiàn)，B套控制器與A套控制器之間有以太網(wǎng)方式通信，在不影響A套切換閥故障判斷的可靠性，且不改變原有切換閥反饋硬件回路的情況下，可以以通信方式將A套獲取到的切換閥反饋信號送至B套控制器，用以B套切換閥故障判斷。在B套控制器程序中，增加如圖6所示切換閥故障判斷邏輯，當(dāng)調(diào)速器B套主用或機(jī)手動方式運(yùn)行時，若B套控制器收到切換閥反饋信號為1，則B套控制器報切換閥故障信號。通過B套控制器報出切換閥故障信號，提示運(yùn)行人員，此時切換閥卡在A套油路側(cè)，不能在B套或機(jī)手動方式實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)節(jié)，同時便于維護(hù)人員進(jìn)行故障定位。

圖6 增加B套切換閥故障判斷邏輯圖

其次，比例閥電氣中位是一個相對穩(wěn)定的值，應(yīng)在機(jī)組檢修期間無水試驗(yàn)階段，通過導(dǎo)葉跟隨試驗(yàn)，對比例閥中位設(shè)置情況進(jìn)行檢查，確認(rèn)比例閥中位設(shè)置合理，確保機(jī)組在切換閥卡在A套油路側(cè)時，即使A套發(fā)生大故障，機(jī)組也可以穩(wěn)定在當(dāng)前導(dǎo)葉開度運(yùn)行。

程序修改后進(jìn)行現(xiàn)場模擬試驗(yàn)：通過強(qiáng)制A套控制器的切換閥控制命令輸出模擬切換閥發(fā)卡且卡在A套油路側(cè)，機(jī)組在A套并網(wǎng)運(yùn)行時，模擬A套大故障，調(diào)速器切至B套主用運(yùn)行后，B套控制器報出 “切換閥故障”，并切至機(jī)手動運(yùn)行，導(dǎo)葉開度維持在當(dāng)前導(dǎo)葉開度。

4 結(jié)語

切換閥作為非對稱冗余調(diào)速器液壓回路切換的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行情況直接關(guān)系到機(jī)組的安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行。文章通過分析切換閥故障后的導(dǎo)葉動作情況，完善了切換閥故障判斷邏輯，消除了機(jī)組調(diào)速器運(yùn)行過程中可能存在的安全隱患，進(jìn)一步提升了機(jī)組調(diào)速器運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。