單導葉接力器導葉不同步原因分析及故障處理

王 慷，黃中杰

（1.中國南方電網調峰調頻發電公司檢修試驗中心，廣東 廣州 511400；2.中國南方電網調峰調頻發電公司廣州蓄能水電廠，廣東 廣州 510950）

單導葉接力器導葉不同步原因分析及故障處理

王 慷1，黃中杰2

（1.中國南方電網調峰調頻發電公司檢修試驗中心，廣東 廣州 511400；2.中國南方電網調峰調頻發電公司廣州蓄能水電廠，廣東 廣州 510950）

廣州抽水蓄能電廠二期的水泵水輪機為高水頭、大容量、高轉速的混流式可逆機型。采用單導葉結構可以簡化導水機構布置，提高單個導葉的可控制性。經多年檢修經驗得知，導葉不同步故障是導水機構故障的主要原因之一，從多個方面分析了導葉不同步故障的原因及解決方法，對導葉不同步故障的原因分析及處理有一定指導意義。

抽水蓄能電廠；導葉不同步；導葉開度曲線

0 引言

廣州蓄能電廠（以下簡稱“廣蓄”）位于廣州從化境內，總裝機容量2400MW，分A、B廠兩期建成，每期裝機1200MW，共安裝8臺300MW的可逆式水泵水輪發電電動機組。電站設計水頭535m，機組額定轉速500r/min。其中A廠4臺機組的調速器采用控制環結構控制；B廠4臺機組采用單導葉接力器控制。相比控制環控制結構，單導葉接力器控制更加靈活，但同時投資更大、故障發生率增大、檢修工作量增加。其中導葉不同步故障就是單導葉接力器故障中常見的一種，2005年以后經過技改，增加了一套調速器導葉監視系統，用以記錄監視導葉控制各個環節。同時還增加了導葉不同步報警跳機裝置，導葉不同步達到2%時發出報警信號，不同步率達到3%時跳機。

1 廣蓄B廠單導葉結構介紹

廣蓄B廠調速器為單導葉控制，共裝有20個接力器和20個電液轉換器及20個反饋裝置，單導葉控制的特點有：

（1）單導葉由單獨接力器控制，導葉可設計為自關閉趨勢；

（2）每個導葉直接與接力器連接，具有液壓緩沖作用，任何情況下導葉不會失控旋轉，不需限位或制動裝置；

（3）結構精簡，不需控制環，剪斷銷保護機構，限位裝置等，頂蓋上方空間闊，便于安裝和維護；

（4）接力器的操作力矩始終受到調速器油壓系統的壓力限制，使導葉保持在控制之下，不需要制動斷銷保護；

（5）故障概率加大，檢修工作量較大。

1.1 PLC控制單元

廣蓄B廠導葉控制機構原理圖見圖1，調速器單元共有3個PLC組成，其中PLC1和PLC2互相備用，在任何情況下均可對其中之一進行檢修且不影響機組正常運行。PLC3完成單導葉控制，從PLC1和PLC2及反饋機構接受信號來控制VCA3放大卡。

圖1 導葉控制機構原理圖

1.2 放大單元

單導葉接力器由控制系統現地可編程控制器PLC3、輸出放大器VCA3與20組單導葉控制機構組成。PLC3將計算出的導葉開度傳遞給接力器的放大單元VCA3卡中，VCA3卡將接收到的信號轉換為0～300mA的電信號傳遞給電液轉換器來控制接力器開啟關閉行程。

1.3 執行單元

由20個接力器分別驅動20導葉，接力器全行程262.5mm，壓緊行程1.7mm；

導葉全開時轉角為26°，控制電流4～20mA，全開時間25s，全關時間38s，采用一段關閉規律。

2 導葉不同步的危害

機組導葉開啟關閉不同步時導致機組各個導葉開度不統一，蝸殼內壓力水不能均勻對稱的進入轉輪，轉輪四周壓力不同，導致水力不平衡，加劇機組的振動和擺度，同時也加劇了機組的汽蝕，使機組壽命大大減短[1]。

而同時大型水輪發電機組因為水力振動引起的機組穩定運行問題越來越多，主要有運行時間不長，轉輪就出現嚴重裂紋；部分負荷下尾水管內出現渦帶，引起水流壓力脈動導致機組擺度加劇；廠房振動加劇，影響機組安全穩定運行；與固定部分碰撞，瓦摩擦加劇，瓦溫升高[2]；加劇機組擺度等。機組擺度較大的危害主要有導瓦摩擦加劇，瓦溫升高嚴重；導致發電機空氣間隙不均勻，電磁振動加劇；水輪機各個方向水力不平衡加劇，加劇機組振動[3]等。

3 導葉不同步故障現象及故障原因分析

3.1 機械原因

3.1.1 導葉軸套卡塞

導葉啟閉過程中由于導葉制造及安裝誤差，致使導葉軸在套筒內旋轉時各個方向間隙不一，發生偏磨，加大導葉啟閉摩擦力矩，導致導葉啟閉需要更大力矩引起導葉啟閉不同步。當導葉發生與軸套卡塞時可以從導葉開度曲線上明顯看到故障導葉開度落后，當導葉卡塞嚴重無法動作時，在其他導葉開度達到設定值時故障導葉仍停留在卡塞位置；當導葉卡塞較輕微可以克服時，在卡塞時故障導葉開度落后于其他導葉，在客服卡塞后，由于反饋作用，故障導葉開啟速度加快。

圖2、圖3為機組正常啟動時導葉開度曲線，不同步率小于0.5%。圖4、圖5為2013年3月廣蓄7號機組啟動時監控系統接到報警信號，顯示19號導葉不同步率超過2%，10號導葉不同步率接近1%。從導葉啟閉曲線可以看出，10號和19號導葉在開啟初期落后于其他導葉啟閉開度，在導葉即將全開時導葉開啟速度迅速加快。根據曲線分析，在導葉開啟過程中某點發生卡塞，在力矩加大度過卡塞點后導葉開啟速度加快，因此判斷為軸套卡塞，根據檢修中導葉拆解確定故障原因為中軸套和上軸套偏磨嚴重導葉卡塞。

圖2 導葉開啟正常時開度差曲線

圖3 導葉開啟正常時開度差曲線

圖4 導葉開啟不同步時開度差曲線

圖5 導葉開啟不同步時導葉開度差曲線

3.1.2 抗磨板及止推環卡塞導葉及導葉軸

在機組運行過程中，由于導葉上下斷面間隙不均勻以及水浮力等原因，導葉有向上竄動的趨勢，當導葉上移到一定高度后，止推環被頂起與止推環壓板摩擦，從而增加導葉啟閉摩擦力矩。機組運行中止推環磨損，當止推環間隙大于或等于導葉上端面間隙時，導葉上竄時不僅導致止推環與止推環壓環摩擦，而且導致導葉摩擦上抗磨板，從而增加導葉啟閉力矩，致使該導葉啟閉不同步。

發生此故障時，可以從導葉開度及控制電流曲線上明顯發現某導葉曲線異于其他導葉曲線。在蝸殼排水后，通過觀察和測量導葉上端面間隙及止推環磨損量、止推間隙即可確定導葉上端面是否與上抗磨板發生卡塞及止推環與止推環壓環發生卡塞。在2006年6月至8月廣蓄B廠8號機曾因為此故障導致6次發電工況啟動失敗。

3.2 控制系統故障

3.2.1 PLC信號未正常發出

根據圖1單導葉控制結構示意得知，PLC3可編程邏輯控制器向VCA3電流放大卡傳遞開度設定值及開度平均值。如若PLC控制信號為正常發出，在電流放大卡VCA3中則沒有電流信號，此時檢查導葉控制電流曲線應沒有曲線存在。

此外，廣蓄B廠PLC3卡為公用卡，PLC3向20個電流放大卡發送開機信號且設定開度相同，故不會有邏輯錯誤導致各個導葉電流放大卡接收到不同導葉開度信號的情況發生，如若出現此故障則有可能是線路連接松動及電路干擾等原因，此時自動化人員對PLC進行試驗即可發現故障并解決。

正常機組運行中PLC出現硬件及邏輯故障的概率極小，一般不認為PLC故障是導致導葉不同步的主要原因。

3.2.2 VCA3電流放大卡故障

廣蓄B廠調速器控制系統中PLC1、PLC2、PLC3均為公用卡，采用電壓并聯方式送至20個VCA3卡中，控制電流大小決定電液轉換器閥芯上升量，決定油口開度，導葉啟閉速度越快，其VCA3卡中控制電流越小；導葉啟閉速度越慢，其VCA3卡中控制電流越大；若導葉停滯不動則其控制電流達到最大值，即導葉啟閉速度與控制電流成反比。發生導葉不同步故障后，根據當時導葉控制電流曲線，依據各個導葉控制電流值的不同來分析導葉的不同步故障，當某個導葉控制電流明顯大于或小于其他導葉控制電流，則認為該電流放大卡故障，電流放大卡故障后導葉將失去控制。

圖6和圖7為廣蓄7號機組在發電工況和泵工況啟動過程中導葉控制電流曲線，兩組曲線均為正常情況下導葉開啟曲線，由于采取閉環控制，電流大小不僅決定了導葉啟閉速度也反映了導葉開啟情況。如果某個電流放大卡發生故障則該導葉失去控制后控制電流曲線將消失或者出現無規律大波動[4]。

圖6 發電工況下導葉控制電流曲線

圖7 抽水工況下導葉控制電流曲線

3.2.3導葉反饋傳感器故障

當導葉不同步報警時，控制系統最有可能發生的故障即為導葉位置反饋傳感器故障，發出錯誤導葉開度信號。

當反饋傳感器反饋錯誤的導葉開度信號，會引起報警甚至跳機。導致反饋傳感器誤差增大的原因有振動導致傳感器部件松動和傳感器電子元件損壞。因此通過對傳感部件緊固后做靜水啟閉試驗，若故障現象還存在則證明與傳感器部件松動無關；再校驗傳感器反饋信號，如果校驗結果不符合要求，則證明位置傳感器存在故障，需要更換。

3.3 油系統故障

3.3.1 接力器油缸漏油

在導水機構工作過程中，接力器油缸油液滲漏是造成導葉開啟不同步的原因之一。接力器端蓋在長時間使用過程中由于振動等原因導致端蓋密封損壞，接力器油缸內有壓時少量油液從端蓋露出，由于油的可壓縮性小，少量的漏油會使接力器壓力腔壓力下降明顯，從而導致受力面壓力下降，接力器活動速度減慢造成導葉啟閉不同步。當端蓋漏油現象比較明顯，發生導葉啟閉不同步時，對接力器兩腔封閉后進行打壓并使用錄波器錄油壓曲線，根據曲線上壓力降低速率可判斷接力器密封情況，確認故障后更換泄露處盤根。

3.3.2 電液轉換器、主配壓閥或者接力器進油管路故障

電液轉換器及主配壓閥故障是導致接力器不同步導致導葉啟閉不同步的主要原因。電液轉換器、主配壓閥的油路堵塞是導致接力器高壓腔壓力下降的原因之一；此外，主配壓閥單邊遮程過大（導葉開啟活塞動作方向）會使主配壓閥油口提前打開，使該接力器進油早于其他接力器，壓力上升快于其他接力器，導葉開啟速度較快；同樣當主配單邊遮程（導葉開啟活塞動作方向）過短時，該接力器比其他接力器晚動作，導葉開啟速度較慢。電液轉換器堵塞時，壓力油進入電液轉換器速度較慢，該導葉電液轉換器下方的主配壓閥控制壓桿拉起慢于其他導葉，主配壓閥油口開啟較慢，接力器進油量小于其他導葉接力器，導葉開啟慢于其他導葉；而主配壓閥及管路堵塞時，進油速率變慢，接力器開啟腔壓力上升較慢，導葉開啟速度較慢。

當主配壓閥單邊遮程過大時，導葉開啟曲線上，從零開度開始，該導葉開度曲線領先于其他導葉開度曲線；而當主配壓閥單邊遮程過小時，導葉開度曲線上從零開度開始，該導葉開度曲線落后于其他導葉開度曲線；當主配壓閥堵塞時，該導葉開度曲線與其他導葉開度曲線從零開度開始慢于其他導葉且由于進油量小，該導葉開度曲線斜率小于其他導葉；導葉電液轉換器堵塞時，曲線與主配壓閥單邊遮程較小（導葉開啟活塞動作方向）時相同。

電液轉換器、主配壓閥及油路堵塞的原因主要為油液過臟，只需清洗電液轉換器、主配壓閥及管路，為了保障運行效果需要對調速器油進行過濾，同時清洗調速器油過濾器。而主配遮程不合適時需要對電液轉換器壓桿進行調節，通過電液轉換器壓桿控制主配壓閥閥芯位置，使油口兩邊遮程處于合適范圍內，避免遮程不均勻造成接力器動作不同步。

3.3.3 接力器活塞密封損壞，接力器啟閉腔漏油

接力器活塞損壞是在檢修中常出現的故障之一，廣蓄B廠接力器密封為矩形盤根密封，運行中由于外力振動及油液過臟均有可能使活塞密封損壞，從而使接力器高壓腔和低壓腔之間漏油。導葉開啟時，接力器開啟腔壓力大于關閉腔壓力6MPa，達到設定開度后導葉兩腔壓力趨于平衡，使導葉開度固定在某一開度。而當接力器密封損壞后，接力器高壓腔和低壓腔壓力達到平衡要快于其他接力器，接力器兩腔壓差較小，導葉開啟速度慢于其他導葉。通過比較接力器高壓腔和低壓腔壓力平衡曲線即可發現該故障，發生故障的接力器壓力達到平衡時間明顯短于其他接力器壓力平衡時間，如圖8、圖9所示。檢修時當活塞使用金屬密封時需要對接力器活塞進行修補或更換，使用盤根密封時打開接力器更換盤根，即可排除該故障。

圖8 活塞密封故障時兩腔壓力曲線

圖9 活塞正常時兩腔壓力曲線

3.3.4 接力器活塞與油缸壁卡塞

安裝時導葉接力器安裝水平度不符合要求，致使運行中導葉接力器活塞與活塞缸卡塞摩擦力矩加大，使導葉啟閉力矩加大，導致導葉啟閉不同步故障。

當導葉不同步報警信號發出后，測量報警導葉的水平度及拐臂與連桿角度即可確定接力器位置是否滿足要求，水平度等不符合要求時，即可打開接力器觀測活塞與油缸摩擦情況。

4 結語

單導葉接力器相比于控制環操作機構有諸多優點，便于實現智能控制從而獲得良好的動態特性和靜態特性。但是，單導葉接力器較高的故障率是單導葉接力器全面推廣的一大難題，導葉不同步故障是單導葉接力器常出現的故障，準確快速的檢查出導葉不同步故障原因及制定檢修計劃是提高導葉不同步故障的檢修成功率的重要環節，而提高檢修成功率是維護機組正常安全運行重要支撐。本文對多種導葉不同步故障的原因分析在電廠檢修實踐中得到了驗證，對導葉不同步故障原因的分析及檢修有一定的指導和借鑒意義。

[1]彭煜明，袁豐江.抽水蓄能機組單導葉控制不同步故障分析與處理[J].機電與金屬結構,2011,37（09）：61-64.

[2]何少潤.導葉不同步裝置在天荒坪抽水蓄能電站的應用[J].水力發電學報，2002,78(03):88-100.

[3]錢忠東，鄭 彪，楊建東.不同步導葉對水輪機壓力脈動的影響[J].武漢大學學報（工學版），2008,41（06）：51-54.

[4]李福尚.250MW抽水蓄能機組單導葉接力器及其控制系統分析[J].電站系統工程，2008，24（06）：43-54.

TV734.4

B

1672-5387（2015）S-0022-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2015.S.007

2015-10-23

王 慷（1991-），男，助理工程師，從事水電廠機械檢修工作。