雙調微機調速器甩負荷時故障原因分析與處理

周 勇，文 藝

（重慶水輪機廠有限責任公司水電控制設備分公司，重慶 400054）

雙調微機調速器甩負荷時故障原因分析與處理

周 勇，文 藝

（重慶水輪機廠有限責任公司水電控制設備分公司，重慶 400054）

介紹了軸流轉槳式水輪發電機組調速系統組成及原理，針對土耳其KIZILAGAC電站調試過程中，出現甩負荷時反映的故障現象，從機組調速系統原理等方面查找原因，通過采用逐級排查方法處理故障，并為排查和防范類似故障提供了相關經驗。

土耳其KIZILAGAC電站；水輪機調速系統；故障及處理

0 引言

KIZILAGAC電站位于梯級位置的KALKANDERE HEPP電站下游，距土耳其東北部黑海地區里澤市中心35km，到特拉布宗港口和機場的距離均為65km。工程以發電為主，兼顧灌溉及供水。電站總裝機容量為2×3260kW，為軸流轉槳式水輪發電機組，水輪機型號為ZZ660a-LJ-210，額定電壓6.3kV，額定水頭14.39m，額定流量25m3/s，額定轉速250r/min，由重慶水輪機廠有限責任公司設計制造。

1 調速器系統綜述

調速器選用的是重水水電控制設備分公司制造的WST雙調微機調速器，其組成包括調速器電氣柜、調速器回油箱，壓力油罐及輔助部件，主要配置為法國施耐德M340可編程控制器+德國力士樂比例伺服閥+插裝閥。調速器接受轉速信號、水位信號、功率信號、接力器反饋信號、同期裝置的頻率調整信號，以及來自計算機監控系統（上位機）的操作指令和參數綜合指令，輸出給水輪機導葉和槳葉的調節信號，同時液壓操作系統接受該調節信號，并將其轉換為液壓信號，放大后用于操作水輪機導葉和槳葉。調速器具有純機械手動操作、頻率控制、開度控制、功率控制、電網一次調頻、網頻跟蹤、導葉開度限制、機組最大功率值限制、自適應式變參數、在線自診斷、容錯及故障處理等功能。

1.1 電氣調節裝置

調速器采用法國施耐德公司M340系列可編程控制器（PLC），主頻180MHz。具有計算精度高、運算速度快、抗干擾能力強等特點。

調速器采用適應式變參數PID控制規律，具備三種控制模式∶頻率模式、功率模式、開度模式。空載時采用頻率模式，并網后采用功率模式，功率反饋故障或沒有采集功率電參量時則采用開度模式。

1.2 電源回路

調速器電源系統采用交、直流同時供電，經電源轉換模塊變為直流電源，交、直流輸入電源任一路發生丟失或斷電，不影響轉換模塊的直流輸出。該模塊還具有輸出短路保護功能，負載短路不會引起輸入電源故障。

電源模塊的輸出作為DC 24V開關電源的輸入，DC 24V為PLC、電氣操作回路、伺服比例閥、插裝閥、引導閥、人機操作界面提供工作電源。

1.3 人機界面

圖1 調速器系統組織結構框圖

調速器系統人機界面采用臺灣威倫通10.4寸觸摸屏，具有獨立處理器、主內存，可以根據需要開發出電廠實際需要的功能，如實驗錄波、實驗數據計算處理及圖形顯示等。觸摸屏具有多種通訊接口，如串口、ETHERNET、USB 等。

1.4 轉速測量

調速器測速采用PLC高速計數模塊中內置的1MHz高速計數功能直接測量，測頻精度可以達到0.0025Hz。殘壓測頻和齒盤測頻互為冗余方式。齒盤和殘壓測速信號均分別傳送至微機控制器。

在機組空載或正常工作時，以殘壓測頻為主用、齒盤測頻為備用；在機組開機或停機過程的機組的低轉速區，則以齒盤測頻為主用、殘壓測頻為備用；在其中之一故障時，可以借助備用的測頻通道維持調速器正常運行。

1.5 隨動系統

隨動系統包括比例伺服閥、數字引導閥、插裝閥、雙聯濾油器、緊急停機閥等。整個系統均為板式集成塊結構，沒有明油管，結構簡單，調整方便。比例伺服閥由可編程控制器輸出的模擬量直接控制，具有頻響高、動作靈敏、控制精度高等特點。小波動時由比例伺服閥控制，大波動時由引導閥控制的大流量插裝閥控制，兩者互相自由無縫切換，既滿足小波動時要求的高精度又能滿足大波動時的快速響應。本系統還專設分斷關閉使用的快關閥組，滿足分段關閉要求。一旦滿足事故條件，可直接動作事故引導閥，再控制大流量插裝閥快速關閉導葉，控制水輪機組不過速。

2 故障現象

調速器靜態實驗全部符合設計要求，根據調保計算確定調整導葉開機時間30s，關機時間13s，槳葉開關機時間都為50s。校正導葉、槳葉位移傳感器行程，測頻回路校正試驗，協聯關系驗證試驗，手、自動切換試驗，模擬故障、事故試驗，靜特性試驗，手動、自動開停機試驗，模擬甩負荷試驗。

調速器動態實驗，自動開停機，空載擾動，空載擺動經過調整參數都優于國標標準。最后做帶負荷試驗，甩負荷試驗。25%甩負荷不動時間0.18s，最高頻率52.45Hz。帶50%負荷時，導葉開度59%，槳葉開度20.3%。跳開出口斷路器時，導葉、槳葉同時動作，快速關回，導葉開度關到48%位置突然停住不再回關，機組轉速在經過短暫下降后快速上升，實驗人員立即手動操作導葉粗調關閉電磁閥，無效果，再手動操作事故停機電磁閥，還是沒有任何效果，導葉開度依然保持在48%位置，大約10s后，導葉才開始再度往回關閉至零開度，機組轉速下降至正常停機。

初步懷疑故障現象由引導閥堵塞引起，于是拆下導葉部分引導電磁閥并清洗重裝后，再次開機、并網、帶負荷至50%，導葉開度60.3%，槳葉開度20.7%。再次跳開油開關，導葉開度關到48.5%位置停住不再回關，同樣大約10s后，導葉才開始再度往回關閉至零開度。

3 故障原因分析

（1）引導電磁閥卡阻，導致其控制的插裝閥無法有效動作，因此無法關閉導葉接力器。首先要排除用于微調控制的比例伺服閥，雖然其要求濾油精度更高，更容易被油里微小雜質卡住，但它不控制用于大波動調節的插裝閥，即使出現問題也不影響插裝閥動作。如果是粗調部分的電磁換向閥卡阻，導致其不能正常換向動作，因而插裝閥不能正常動作，是會出現上述故障現象的，但是第二次實驗前專門拆下清洗過該閥，同時出現故障時還人為手動動作過用于快速關閉的引導閥，甚至用于事故停機的引導閥，都未能如愿及時動作插裝閥快速關閉，因此可以排除引導電磁閥卡阻的原因。

（2）反復對比查看兩次甩負荷后故障數據，發現有幾個相似點∶導葉都關閉到相同位置不再回關；都是停止關閉動作后經過相同時間，導葉才再開始動作；出現問題時都是槳葉有開度，槳葉沒有開出時沒有故障現象出現。

（3）數字閥組實際安裝布置時，壓力油源先經過槳葉閥組部分再到的導葉閥組部分，如果確實故障出現跟槳葉開出開度有關，應該就是甩負荷時出現大偏差，導葉、槳葉都需要快速關回，因為瞬時需油量太大，導致短時間油路供油不足，槳葉部分因為位置靠近油源，被優先保證動作，而導葉部分因為位置相對遠離油源，所需油源需要先經過槳葉閥組部分，不足的供油結果體現在了導葉閥組上，導致其無法推動接力器活塞，使接力器關閉動作。當槳葉接力器行程從20%到全關后 (所需時間約為全行程時間1/5，即10s)，不再需要油源，導葉閥組部分重新獲得足夠壓力源，重新推動活塞動作，導葉全關。

（4）甩負荷必須保證機組轉速上升率不超過國標，轉速上升率取決于導葉關閉速度，與槳葉關系不大，因此，必須想辦法確保甩負荷工況導葉快速關回。機械部分安裝布置在現場無法改動，也就是無法將油源改到靠近導葉側。

4 故障處理

無法改動機械安裝布置，但是可以通過軟件控制來達到目的。甩負荷工況下，軟件控制槳葉延時動作，考慮到導葉關機時間13s，可以通過程序控制斷路器跳開計時，20s后允許槳葉動作。這樣既可以充分保證導葉動作所需油源，槳葉延時動作又不會影響機組轉速上升率。

改動程序后，重新做甩50%負荷試驗，導葉動作迅速、到位，沒有再出現卡阻現象，最高頻率58.28Hz，槳葉延時動作沒有干擾轉速上升和轉速穩定。為確保理論正確，試驗可靠，重復做了三次50%甩負荷，結果都正確，沒有大的變化。接著做75%和100%甩負荷，最高頻率、調整時間和渦殼壓力上升率都在標準范圍內。

5 結語

經過上述處理，兩臺機組甩負荷試驗通過了用戶驗收，順利進入正常運行。雙調微機調速器甩負荷時延時動作槳葉的方式具有普遍意義，既可以保證機組轉速上升率不超標，又可以在這種特殊工況下減少瞬時用油量，避免出現一臺油泵損壞無法滿足供油導致事故低油壓的極端情形出現，是一種值得推廣的控制理論。

[1]林旭升，沈炬鵬.東溪電站2號水輪機調速系統故障原因分析及處理[J].廣東水利水電，2013（02）.

[2]常中原，帥小樂，李初輝，等.向家壩水電站調速系統的特點及問題分析[J].水電站機電技術，2012，35（5）：23-25.

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1672-5387（2014）02-0051-03

2013-12-16

周 勇（1974-），男，工程師，從事水輪機調速器系統研發工作。