一起主閥位移傳感器異常造成水輪機(jī)非停事件的處理及分析

摘 要：針對一起水電站水輪機(jī)主閥位移傳感器異常造成水輪機(jī)非停的事件，通過分析該事件的基本情況、處置過程和原因，制定了對應(yīng)的整改措施，有效解決了主閥位移傳感器故障導(dǎo)致機(jī)組出力波動(dòng)以及非停問題，期望能為類似問題的預(yù)防、分析和處置提供有益的參考和借鑒，支撐水力發(fā)電行業(yè)的安全、高效運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；調(diào)速器；主閥位移傳感器；非停事件

中圖分類號：TM622" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）05-0007-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.05.002

0" " 引言

水輪機(jī)是水電站機(jī)組出力和負(fù)荷調(diào)節(jié)的核心設(shè)備，因電力系統(tǒng)負(fù)荷波動(dòng)頻繁，為保證電能質(zhì)量、發(fā)電機(jī)組及電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，對水輪機(jī)調(diào)速器的可靠性要求不斷提高。水輪機(jī)調(diào)速器可以通過調(diào)節(jié)機(jī)組導(dǎo)葉開度大小來控制水通過水輪機(jī)的流量，從而實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，以滿足電力系統(tǒng)對功率和頻率的要求。調(diào)速器系統(tǒng)中涉及多個(gè)測量環(huán)節(jié)，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障都將導(dǎo)致水輪機(jī)調(diào)節(jié)失控，進(jìn)而造成機(jī)組出現(xiàn)異常[1-2]，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蓹C(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)，直接影響水輪發(fā)電機(jī)組乃至電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

本文所述水電站位于瀾滄江干流，是“西電東送”“云電外送”關(guān)鍵性工程，調(diào)速器系統(tǒng)采用東方電機(jī)公司生產(chǎn)的HGS-X20型數(shù)字式微機(jī)調(diào)速器電氣柜和HGS-H21-150-4.0型全液控機(jī)械柜。電氣柜由PCC X20控制器（雙通單調(diào)）控制，采用并聯(lián)PID調(diào)節(jié)規(guī)律，可在負(fù)載運(yùn)行時(shí)通過給定導(dǎo)葉開度或功率實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地和遠(yuǎn)方自動(dòng)控制。機(jī)械柜具有內(nèi)閉環(huán)的相對獨(dú)立的電液隨動(dòng)系統(tǒng)，采用伺服比例閥作為電液轉(zhuǎn)換元件，將來自電氣柜的控制電流信號轉(zhuǎn)換為流量信號控制主配壓閥的動(dòng)作，對機(jī)組進(jìn)行自動(dòng)控制。調(diào)速器油壓裝置每臺機(jī)一套，共6套，每套獨(dú)立運(yùn)行，額定油壓為4.0 MPa，正常運(yùn)行在油泵自動(dòng)輪換模式，一臺泵主用一臺泵備用，當(dāng)油壓降至3.6 MPa時(shí)啟動(dòng)工作油泵，當(dāng)油壓降至3.5 MPa時(shí)啟動(dòng)備用油泵，當(dāng)油壓繼續(xù)降至2.8 MPa事故低油壓時(shí)啟動(dòng)機(jī)械事故停機(jī)流程。

本文針對該站一起典型的調(diào)速器系統(tǒng)主閥位移傳感器異常造成水輪機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)事件，對事件經(jīng)過、處置過程、原因分析和整改措施進(jìn)行探討，可為類似問題預(yù)防、分析和處置提供有益的參考和借鑒。

1" " 基本情況

某日17：02：52，該站監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)“#3機(jī)故障錄波裝置啟動(dòng) 有效”，全廠有功在790～836 MW之間變化，#3機(jī)組有功功率在180～230 MW之間變化，#3機(jī)組調(diào)速器油壓裝置油泵長時(shí)間運(yùn)行，運(yùn)行值班人員立即向調(diào)度值班員匯報(bào)并申請停機(jī)。經(jīng)同意后，電站運(yùn)行值班人員將#3機(jī)退出AGC控制，逐步減負(fù)荷至160 MW時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)“#3機(jī)調(diào)速器事故低油壓 有效”，#3機(jī)事故跳閘，監(jiān)控錄波曲線如圖1所示。

17：04，運(yùn)行值班人員向調(diào)度匯報(bào)#3機(jī)有功功率異常變化情況并申請退出#3機(jī)AGC，中調(diào)調(diào)度值班員下令停#3機(jī)。

17：05：56，運(yùn)行值班員退出#3機(jī)AGC控制、AVC控制，逐步開始減負(fù)荷至160 MW。

17：06：03，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)“#3機(jī)調(diào)速器事故低油壓 有效” “#3機(jī)組觸發(fā)退全廠AGC功能 有效” “#3機(jī)觸發(fā)退AVC功能 有效” “#3機(jī)跳閘 有效” “全廠事故信號 有效” “#3機(jī)GCB（003） 分閘位置”等信號，#3機(jī)事故停機(jī)，全廠AGC、AVC退出運(yùn)行。

2" " 處置過程

事件發(fā)生后，電廠立即組織開展故障分析，專業(yè)人員對調(diào)速器電氣控制回路及機(jī)械控制回路進(jìn)行了全面檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。

18：40，落下#3機(jī)筒閥，進(jìn)行#3機(jī)調(diào)速器靜水動(dòng)作試驗(yàn)，檢查調(diào)速器在機(jī)械手動(dòng)控制方式下開關(guān)導(dǎo)葉動(dòng)作正常，調(diào)速器兩路導(dǎo)葉位移傳感器測量值正常且偏差在1%以內(nèi)。

19：04，手動(dòng)將#3機(jī)開機(jī)至水輪機(jī)狀態(tài)（非并網(wǎng)狀態(tài)），檢查調(diào)速器在機(jī)械手動(dòng)控制方式下機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速器兩路導(dǎo)葉位移傳感器測量值正常。

19：10，#3機(jī)保持在水輪機(jī)狀態(tài)，將調(diào)速器切至自動(dòng)方式，檢查發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉開度出現(xiàn)異常擺動(dòng)，調(diào)速器調(diào)節(jié)失穩(wěn)，立即將調(diào)速器控制方式切至機(jī)械手動(dòng)。

19：30，#3機(jī)保持在水輪機(jī)狀態(tài)，切換調(diào)速器A/B通道，將調(diào)速器切至電手動(dòng)方式，檢查發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉開度出現(xiàn)異常擺動(dòng)，調(diào)速器調(diào)節(jié)失穩(wěn)，立即將調(diào)速器控制方式切至機(jī)械手動(dòng)。

19：35，將#3機(jī)手動(dòng)停機(jī)，電廠專業(yè)人員對調(diào)速器電調(diào)柜比例放大板、機(jī)調(diào)柜伺服比例閥及手自動(dòng)切換電磁閥等元器件進(jìn)行更換，開機(jī)檢查問題仍然存在。

21：00，電廠專業(yè)人員進(jìn)行#3機(jī)調(diào)速器隨動(dòng)系統(tǒng)測試，發(fā)現(xiàn)在外環(huán)測試條件下設(shè)定導(dǎo)葉給定階躍100%～80%，導(dǎo)葉調(diào)整至80%附近并發(fā)生異常變化，同時(shí)主閥位置反饋幾乎不動(dòng)（最大0.66%，最小0.16%），初步懷疑主閥位移測量回路異常。外環(huán)測試曲線如圖2所示。

21：30，電廠專業(yè)人員對主閥位移測量回路進(jìn)行檢查，并對主閥位移傳感器進(jìn)行了更換。

22：40，電廠專業(yè)人員繼續(xù)進(jìn)行#3機(jī)調(diào)速器隨動(dòng)系統(tǒng)測試，分別在內(nèi)環(huán)測試和外環(huán)測試條件下進(jìn)行測試。調(diào)速器內(nèi)環(huán)、外環(huán)測試過程中調(diào)速器控制跟蹤正常，主閥位置反饋信號正確，外環(huán)測試條件下導(dǎo)葉無異常擺動(dòng)現(xiàn)象。

23：20，將#3機(jī)自動(dòng)開機(jī)至水輪機(jī)狀態(tài)，監(jiān)視#3機(jī)開機(jī)過程正常，在水輪機(jī)狀態(tài)運(yùn)行正常，導(dǎo)葉動(dòng)作平穩(wěn)，控制過程正確，導(dǎo)葉無異常擺動(dòng)現(xiàn)象。

次日00：10，向中調(diào)匯報(bào)事件調(diào)查結(jié)果并申請將#3機(jī)組歸調(diào)運(yùn)行。

3" " 原因分析

調(diào)速器隨動(dòng)控制系統(tǒng)有兩個(gè)閉環(huán)反饋環(huán)節(jié)，一個(gè)是由主閥位置反饋構(gòu)成的內(nèi)環(huán)控制，另一個(gè)為導(dǎo)葉位置反饋構(gòu)成的外環(huán)控制，增益K0、K1、K2用于調(diào)整隨動(dòng)系統(tǒng)控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性與穩(wěn)定性。最終隨動(dòng)控制系統(tǒng)輸出一路偏差控制信號作用于伺服比例閥來控制導(dǎo)葉開度，實(shí)現(xiàn)調(diào)速器的自動(dòng)調(diào)節(jié)[3]。

水輪機(jī)調(diào)速器主閥位移傳感器的作用是采集主配壓閥活塞的位移，并將位移信號轉(zhuǎn)換為電氣信號，作為調(diào)速器隨動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)的反饋[4]。在調(diào)速器隨動(dòng)系統(tǒng)控制系統(tǒng)中，由外環(huán)計(jì)算得到的主閥給定值與主閥位移反饋構(gòu)成內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)，內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)輸出偏差調(diào)節(jié)信號至比例放大板，最終控制主配壓閥實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)[5-6]。主閥位移反饋在調(diào)速器閉環(huán)控制環(huán)節(jié)中的位置如圖3所示。

由調(diào)速器隨動(dòng)系統(tǒng)控制原理圖可知：

外環(huán)導(dǎo)葉偏差控制信號：ΔGV=K0×（GVRef-GVPos）；

內(nèi)環(huán)主閥偏差控制信號：ΔGM=K1×（ΔGV-K2×GMPos）。

在此次事件中，由于主閥位移傳感器故障，主閥位置反饋出現(xiàn)死值（約等于0且基本保持不動(dòng)）。當(dāng)調(diào)速器接收到有功負(fù)荷設(shè)定指令時(shí)，調(diào)速器控制系統(tǒng)經(jīng)過功率模式PID運(yùn)算，將PID控制輸出至隨動(dòng)控制系統(tǒng)環(huán)節(jié)，即給定一個(gè)新的導(dǎo)葉開度值。在外環(huán)控制環(huán)節(jié)，新的導(dǎo)葉開度給定值與導(dǎo)葉位置反饋值進(jìn)行差值運(yùn)算，并經(jīng)過系數(shù)K0的調(diào)整，形成主閥位置給定值，進(jìn)入內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)。在內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)，由于主閥位置反饋信號數(shù)據(jù)死值，內(nèi)環(huán)控制實(shí)質(zhì)已變成開環(huán)控制，造成電氣控制輸出超調(diào)，從而導(dǎo)致導(dǎo)葉超調(diào)。進(jìn)入外環(huán)控制環(huán)節(jié)，因?yàn)閷?dǎo)葉超調(diào)，外環(huán)控制環(huán)節(jié)輸出反向調(diào)節(jié)命令調(diào)整導(dǎo)葉開度，而在進(jìn)入內(nèi)環(huán)控制后，導(dǎo)葉反向調(diào)節(jié)又會(huì)超調(diào)，如此反復(fù)，造成導(dǎo)葉反復(fù)來回動(dòng)作。最后，由于導(dǎo)葉動(dòng)作頻繁，調(diào)速器油壓系統(tǒng)油壓下降過快造成事故低油壓動(dòng)作，#3機(jī)事故停機(jī)。

#3機(jī)停機(jī)后，專業(yè)人員對兩臺調(diào)速器油泵進(jìn)行了自動(dòng)啟動(dòng)打油試驗(yàn)，油泵的打油效率均正常。根據(jù)停機(jī)前#3機(jī)導(dǎo)葉開度的變化曲線以及故障排查時(shí)水輪機(jī)空轉(zhuǎn)狀態(tài)下手/自動(dòng)切換試驗(yàn)來看，調(diào)速器主配壓閥頻繁進(jìn)行大幅度的開關(guān)導(dǎo)葉操作，動(dòng)作時(shí)已達(dá)到最大開度，且持續(xù)時(shí)間較長，造成短時(shí)間內(nèi)調(diào)速器油壓系統(tǒng)油壓下降過快，即使兩臺油泵已啟動(dòng)也未能維持油壓，從而引起調(diào)速系統(tǒng)事故低油壓動(dòng)作。

4" " 治理措施

目前該站水輪機(jī)調(diào)速器控制系統(tǒng)為單主閥位移傳感器配置，存在調(diào)速器主閥位移傳感器故障造成機(jī)組異常跳閘的安全隱患。同時(shí)，#3機(jī)調(diào)速器主閥位移傳感器運(yùn)行年限較長，設(shè)備發(fā)生老化損壞風(fēng)險(xiǎn)高。為了消除因調(diào)速器主閥位移傳感器故障而造成機(jī)組異常跳閘的安全隱患，在#3機(jī)調(diào)速器機(jī)械柜內(nèi)新增一路主閥位移傳感器，實(shí)現(xiàn)傳感器冗余配置。

在#3機(jī)組A級檢修期間，在調(diào)速器系統(tǒng)中新增一路主閥位移傳感器，并更新調(diào)速器控制程序，增加雙路主閥位移傳感器故障切換邏輯，實(shí)現(xiàn)傳感器冗余配置。新增主閥位移傳感器和相關(guān)配件產(chǎn)品以及調(diào)速器控制器程序更新技術(shù)服務(wù)由調(diào)速器系統(tǒng)廠家提供。

5" " 結(jié)束語

此次事故原因是機(jī)組調(diào)速器主閥位移傳感器運(yùn)行年限較長，設(shè)備發(fā)生老化損壞。在運(yùn)行機(jī)組出力調(diào)整時(shí)，因傳感器損壞造成導(dǎo)葉超調(diào)，導(dǎo)葉頻繁異常擺動(dòng)引起機(jī)組及全廠出力波動(dòng)，最終機(jī)組事故低油壓跳機(jī)，是一起典型的水輪機(jī)調(diào)速器主閥位移傳感器異常造成水輪機(jī)非停事件，具有借鑒學(xué)習(xí)意義。

事件后，該站采取了新增雙路主閥位移傳感器、優(yōu)化完善調(diào)速器程序等措施，經(jīng)過測試檢查，雙路主閥位移傳感器動(dòng)作靈敏，采樣偏差在正常范圍內(nèi)，故障判斷準(zhǔn)確，故障切換邏輯正確，故障切換造成的功率波動(dòng)在可控范圍內(nèi)。通過改進(jìn)后兩年的運(yùn)行實(shí)踐可知，相對單主閥位移傳感器配置，雙主閥位移傳感器配置有效提高了調(diào)速器系統(tǒng)安全運(yùn)行的可靠性。

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收稿日期：2024-07-15

作者簡介：龍凡（1989—），男，湖北荊門人，工程師，主要從事水電站運(yùn)行與維護(hù)工作。