燈炮貫流式機組自動開機不成功原因及對策

賀 文

(廣西桂冠電力股份有限公司大化水力發電總廠，廣西 河池 530800)

1 概述

某電廠位于廣西紅水河流域中段，是該流域的一座低水頭徑流式電站，共安裝6 臺單機容量為32 MW 的燈泡貫流式臥式機組，年平均發電量為8 億kWh，年平均利用小時數為4 209 h。電廠按“無人值班、少人值守”的原則設計，采用2 臺機組共用1 臺主變器的擴大單元接線方式，其主變壓器系統由3 臺主變構成。計算機監控采用分層分布式控制系統結構，由電廠控制層和現地單元控制層組成。水輪機調速器為采用32 位雙微機雙通道冗余控制結構的新型調節控制器。

由于2012年全年枯水期較長，該電廠機組啟停次數較為頻繁，共出現4 次不同機組自動開機不成功的現象。由于該電廠隸屬中調電網，機組自動開機不成功不僅影響機組并網的成功率，而且無法及時支援電網，影響電網的安全穩定運行，因此迫切需要解決該問題。

2 原因分析

經檢查發現，當上位機下達開機檢查指令后，監控系統投入機組組潤滑油泵、開啟機組冷卻風機、退出檢修密封、退出風閘制動器等均能正常動作，只有高壓油頂起裝置異常，導致監控系統無法給調速器下達開機指令。同時，由于該廠在正常停機后會投入事故電磁閥，如果事故電磁閥不能在開機指令下達周期內正常復歸，將導致導葉無法正常順利打開。因此，造成機組自動開機不成功的主要原因是事故電磁閥故障和高壓油頂起裝置故障。

2.1 事故電磁閥故障的原因

該電廠在設計之初，正常停機流程過程中并不需要投入事故電磁閥。但在運行和檢修維護過程中發現，機組停機后，投入事故電磁閥更有利于保障機組導水機構的安全。由其停機投事故電磁閥的回路(見圖1)可知，當監控系統下達停機指令后，觸發延時繼電器，使其經90 s 延時后動作，投入事故電磁閥，并使投入的事故電磁閥的線圈一直通電，以保證導葉始終處于全關狀態。機組需要開機啟動時，監控系統首先要檢查確認全部流程滿足開機條件，然后通過開機繼電器65STT 同時分別向調速器和事故電磁閥下達開機和復歸指令，保持時間為5 s，若事故電磁閥無法在5 s 內及時復歸，5 s 后監控系統的開機令已復歸，將導致調速器導葉無法正常打開，從而造成機組開機不成功。因此，可能導致造成機組開機不成功的原因有以下3 種：

(1)停機指令繼電器65STPX 的觸點8，9 無法正常復歸；

(2)開機指令繼電器65STT 的觸點8，9 無法正常動作及保持通電時間；

(3)事故電磁閥執行部分發卡無法正常復歸。

圖1 停機投入事故電磁閥回路

2.2 高壓油頂起裝置故障的原因

燈泡貫流式機組發電機和水輪機共用同一根大軸，為兩支點懸臂結構，通過水導軸承和發導軸承(徑向軸承)支撐大軸，轉輪和發電機分別置于大軸兩端，其中大軸下游通過法蘭與轉輪連接，上游通過法蘭與轉子支架連接。其結構與混流式機組、軸流轉槳式機組不同。燈泡貫流式機組額定轉速低，轉動慣量小，機組停機和啟動時間短，轉速變化快。高壓油頂起裝置用于確保機組在啟動和停止過程中的低轉速區時，機組軸瓦能建立油膜保護軸瓦，以防止機組在低轉速區油膜破壞，出現燒瓦事故。雖然高壓頂起油泵啟動次數和運行時間不多，但對機組的安全運行卻有不可忽視的作用，運行中必須充分保證其可靠性。

由于燈泡貫流式機組的高壓油頂起裝置組合軸承、水導軸承的管路路徑較遠，油流管道轉角較大，高壓油頂起裝置建壓有一定的延時；且該廠高壓頂起油泵進油口比回油箱的油位略高，容易造成空氣反串入油泵進油口管路中。因此，為充分發揮高壓油頂起裝置的作用，提高機組運行的可靠性，將在機組開機準備時即投入高壓油頂起裝置并檢查其是否正常，作為調速器開機的必要條件。當轉速大于90 %額定轉速時，停止高壓油頂起裝置。該廠每臺機組均配備2 臺高壓頂起油泵，1 臺主用，1 臺備用，由操作把手對油泵進行主備切換。在運行過程中，多次發現高壓油頂起裝置不能滿足條件，開機檢查流程無法正常執行，導致機組自動開機不成功。高壓油頂起裝置不滿足條件的原因主要有以下3 點：

(1)高壓頂起油泵進油口管路中反串入空氣，當1 臺高壓頂起油泵運行時，管路不能形成真空，導致油泵無法正常打油，壓力接點也無法正常接通；

(2)1 臺高壓頂起油泵處于運行時，油壓波動較大，造成油管劇烈震動，使壓力閉合接點頻繁抖動而斷開；

(3)高壓頂起油泵安全閥異常動作，致使無法達到壓力接點接通整定值，高壓頂起油泵反復打油，油質劣化嚴重。

3 應對策略

3.1 事故電磁閥故障的應對策略

目前該廠的事故電磁閥是2 位四通的雙穩態電磁閥，當一個線圈失電時，另一個線圈未得電時可以保持閥芯不動，即為有記憶功能的電磁閥。分析其運動過程，由于彈簧力和摩擦阻力的存在，當電磁鐵剛通電時，閥芯并沒有開始運動。隨著電磁鐵所產生的電磁吸力的逐漸增大，閥芯所受的合力逐漸增大，加速度逐漸增大，閥芯開始運動，當電磁吸力達到一定值時，合力達到最大，加速度也隨之達到最大。由于彈簧力與摩擦阻力隨著位移和速度的增大而增大，二者之和開始時大于電磁吸力，而后逐漸減小，使加速度越來越接近于0；當位移和彈簧力達到最大值時，相應的電感和電磁吸力保持不變，合力和加速度均為0，瞬間過程結束，整個系統進入穩態。事故電磁閥在運行的過程中常見的故障主要有以下5 點：

(1)閥芯不運動：主要原因有電磁線圈故障、閥芯卡緊、油液變化等故障；

(2)泄漏：主要包括內漏和外漏；

(3)壓力損失大：主要由實際流量過大、閥芯抬肩以及閥芯移動不到位等原因導致；

(4)漏磁：電磁線圈表面有缺陷，從而導致穿過線圈的磁通量發生變化；

(5)沖擊和振動：主要由閥芯運動速度過大或固定電磁閥的螺釘松動等原因導致。

對于事故電磁閥不能快速復歸的情況，應當采取如下應對措施。

(1)在事故電磁閥控制回路中應避免串入過多的電磁式繼電器的接點，以防止由于繼電器接點抖動、氧化導致的電磁閥工作不可靠。對于需要串入的繼電器接點回路，可考慮使用固態繼電器等可靠性較高的元器件。對于開機繼電器65STT，應當選擇可靠性較高的的繼電器，避免其接點暴露在空氣中氧化而使回路的電阻過大，不利于事故電磁閥的快速復歸；如無條件選擇固態繼電器的電廠，在校驗測量出普通繼電器的接點電阻超過規定值時，應當及時清洗、更換繼電器。

(2)在電磁閥控制程序中應盡量避免電磁閥長期勵磁。由于該電廠事故電磁閥投入線圈一直處于帶電狀態，其溫度較高，比較容易損壞。但對于雙穩態電磁閥，在保證安全的前提下，只要對開機復歸線圈進行閉鎖，就可以避免投入線圈一直帶電，這樣就能保證停機繼電器65STPX 的觸點8，9 不影響投入線圈的復歸。

(3)增加對閥芯的監視，以便當閥芯卡澀或者抖動時快速定位故障，有利于設備的檢修維護。該電廠開機控制程序在開機指令下達的同時下令復歸事故電磁閥，由于開機指令的持續時間僅為5 s，當電磁閥發卡無法及時復歸時，將導致機組導葉無法順利打開。針對這個問題，可以將事故電磁閥的復歸，即閥芯反饋位置，作為監控系統是否下發開機指令的必要條件。事故電磁閥的閥芯處于投入位置時，無法下達開機指令；只有當閥芯位置處于復歸位置，導葉主配已完全釋放時，監控系統下才能下達開機指令，使機組正常啟動。

(4)對于電磁閥線圈的供電回路，可以采用可靠的穩壓回路，以避免斷開供電電源時產生的反向過電壓。

3.2 高壓油頂起裝置故障的應對策略

機組在開機時，由于高壓頂起油泵離機組軸承較遠，頂起油壓建壓需要一定的延時，故在開機準備時即投入主用油泵，并分別監測徑向軸承、組合軸承頂起油壓是否正常，以此作為調速器開啟條件。當機組轉速上升至90 %額定轉速時，切除高壓頂起油泵。

機組正常停機時，轉速下降到90 %額定轉速時，投入油泵。機組轉速下降到0 時，再切除油泵。

機組事故停機時，直接投入高壓頂起油泵，以盡可能減少對軸承的損傷。

(1)為使高壓油頂起裝置運行正常，應經常檢查油泵和管路是否漏油，各瓦油室壓力值之差是否正常，檢查高壓頂起油泵進油口管路是否密封良好。要定期拆除清洗濾器濾油網，防止臟物堵塞，影響油的凈化，并定期更換潤滑油。

(2)對壓力接點整定值進行調整，當水輪發電機組啟動時，首先啟動高壓頂起油泵，投入高壓油。軸承中高壓油室的油壓升高后，迅速下降。此時，發電機轉子已被高壓油頂起，機組處于頂起狀態運行。隨后，油的壓力趨于平穩，機組開始轉動，將此時的油壓定為壓力繼電器接點的整定值。調整壓力繼電器的接點，使之在要求的壓力值下，重復接點試驗，這樣就可使壓力繼電器發出準確的信號，發揮其在開機和停機過程中的作用。該電廠監控系統的高壓油頂起裝置原控制流程如圖2 所示，僅由1 臺主用高壓頂起油泵運行，如壓力接點不能正常接通，主用泵會一直運行，無法滿足開機條件，致使自動開機失敗。根據現場的實際情況，對高壓頂起控制流程進行更改，如圖3 所示，當主用泵啟動時，時間繼電器開機計時，若壓力接點未正常接通，5 s 之后就立即啟動備用泵打油，以確保高壓油頂起裝置能夠快速啟動。

(3)高壓油頂起裝置中溢壓閥的整定值不得低于頂起發電機轉子的壓力，且不得高于高壓油頂起裝置的最高壓力。

4 結束語

該電廠在正常停機的狀態下將事故電磁閥投入，即便在事故電磁閥失電的狀態下也能保證導葉處于全關狀態，較好地保證了機組設備的安全。在機組自動開機時需要及時解除事故電磁閥，通過更換固態開機指令、停機指令繼電器，機組正常停機投入事故電磁閥后切除電源，事故電磁閥閥芯反饋作為開機必要條件等措施，提高了事故電磁閥復歸回路的可靠性。定期檢查高壓油頂起裝置的管路、密封及過濾網，將壓力接點作為是否需要啟用備用泵的依據等優化方案，提高了高壓油頂起裝置的可靠性。采取以上措施后，該電廠貫流式機組自動開機成功率有了顯著提高。

圖2 原高壓油頂起裝置控制流程

圖3 改進后高壓油頂起裝置控制流程

1 蔡 偉，鄭賢林，張志利，等．液壓電磁閥故障機理分析與瞬態特性仿真[J]．儀器儀表學報，2011(12).

2 杜與松，蔡 羽．潮州供水樞紐高壓頂起油泵存在的問題及改造方案[J]．廣東水利水電，2009(10).