桐子林水電站調速器典型缺陷分析

楊建偉，廖 潤，王鄖中

（雅礱江流域水電開發有限公司二灘水力發電廠，四川 攀枝花 617000）

1 桐子林水電站調速器機械部分簡介

桐子林水電站位于四川省攀枝花市，為雅礱江流域最末一個梯級電站，共裝設4臺單機容量150 MW的軸流轉槳式機組。桐子林水電站調速器機械部分主要由機械液壓控制系統、油壓裝置、接力器組成。其中，接力器布置在水車室；油壓裝置回油箱及壓油泵布置在高程996.2 m的水輪機層；壓力油罐、壓力氣罐及事故油罐布置在高程為1 003.4 m的發電機層；機械液壓控制部分安裝固定于回油箱上。

調速器液壓控制系統主要可以分為以下幾個部分：油過濾器、導葉接力器及其控制部分、槳葉接力器及其控制部分、事故配壓閥、分段關閉裝置、機械過速保護裝置，詳見圖1；油壓裝置主要由壓力油罐、壓力氣罐、事故油罐、主油泵、輔助油泵、事故油泵、壓力油罐/事故油罐出口切換閥、回油箱及其冷卻系統組成，詳見圖2。

圖1 調速器液壓系統原理圖

2 調速器典型液壓故障及原因分析

2.1 1號機槳葉控制系統故障

2.1.1 異常現象

1號機停機狀態下發現槳葉狀態無法維持穩定，故障現象表現為：在自動控制模式下，槳葉開度從啟動角緩慢打開，超過調節死區后受系統調節回關，并呈周期性往復發生，槳葉接力器調節過程中伴隨著槳葉關腔管路有明顯的抖動；現場切為手動控制后，故障消失，但槳葉主配依舊往復抽動，抽動幅度減小，頻率升高，槳葉開腔有熱油通過。查詢監控數據發現從2016年03月25日開始，1號機槳葉存在自動往開方向偏移的現象，該現象并非一直存在，為間歇性的。

同時取1、2、4號機組油壓裝置壓力油罐壓力數據和油泵啟停事件，油罐油泵啟停情況為：正常時，泵啟動——運行約3 min后停止，間隔13～23 min泵啟動；當1號機槳葉抽動時，泵啟動——運行約5 min后停止，間隔5～10 min泵啟動，系統耗油量明顯增加。

2.1.2 原因分析

1號機槳葉自動往開方向偏移，最可能的原因為槳葉主配電氣零位偏移，桐子林水電站槳葉控制系統在自動控制模式下設置有1%的開度死區，而手動模式下未設置死區，這也能解釋在自動模式下抖動頻率較小而幅度大，在手動模式下頻率升高幅度減小。現場對1號機槳葉主配電氣零位1、2檢查，發現1號主配位置傳感器反饋值與實際值不同，將1號機槳葉主配1、2號主配位置傳感器接線對調，在當前1號主配位置傳感器工作情況下進行手動增、減槳葉開度、槳葉自動、槳葉副環試驗均正常，槳葉開度無偏移現象；在機組并網帶穩定負荷情況下觀察，在1號主配位置傳感器工作時槳葉開度穩定無偏移現象，槳葉主配抽動、管路劇烈振動現象消除。因此基本確定1號機組槳葉抽動是由于槳葉主配1號主配位置傳感器故障引起。

2.2 3號機槳葉控制系統故障

2.2.1 異常現象

2016年 3 月 8 日 11:00～21:00，3號機帶100 MW固定負荷，3號機油壓裝置壓力油罐壓力下降過快，輔助油泵啟動后仍不足以補充用油，導致壓力繼續下降至5.8 MPa啟動主油泵，輔助油泵和主油泵同時運行將壓力油罐壓力打至6.3 MPa后停泵。在此期間，導葉、槳葉開度和機組負荷基本沒有變化，但因用油量較大，致使輔助油泵和主油泵頻繁啟動。據運行人員統計，2016年4月2日、4月5日、4月7日、4月11日、4月12日、5月10日均發生過與3月8日情況相同的輔助油泵與主油泵頻繁啟動的異常現象。

根據現場工作人員長期觀察，獲取以下信息：

（1）3號機帶50～140 MW負荷區間不同工況下均發生過輔助油泵與主油泵頻繁啟動的異常現象；

（2）異常現象發生時，3號機槳葉接力器開腔油管溫度明顯高于關腔油管溫度；

（3）異常現象發生時，受油器漏油量與正常狀態下相比大大增加，受油器上、下油箱排油管溫度均較高；

（4）異常現象出現多發生于開槳葉操作增加負荷時；異常現象消失多發生于關槳葉操作減小負荷時；

（5）異常現象發生時，運行人員手動干預，先執行小幅度增負荷操作，再執行小幅度減負荷操作，能消除本次異常現象（有時執行一次即可，有時需執行多次）；

（6）異常現象發生時，導葉開度及槳葉開度均穩定無波動，主配壓閥回復桿也未出現抽動；

（7）故障多發生于小負荷調節過程中。

2.2.2 原因分析

3號機調速器油壓裝置壓油泵發生頻繁啟動異常現象時，本質是調速系統油耗增加，且輔助油泵輸油量不足以維持系統油耗，待系統壓力持續降低至主油泵啟動，才能恢復系統壓力。根據調速系統液壓回路原理，判定系統油耗主要通路為：油泵及出口組合閥→壓力油罐→槳葉主配壓閥→槳葉開腔操作油管→受油器下浮動瓦→受油器上下油箱回油管，結合觀察到的現象和特征，分析異常現象可能與槳葉主配壓閥、受油器及浮動瓦等設備有關。

異常現象發生時，槳葉開腔操作油管有熱油通過，而槳葉關腔操作油管無明顯熱油。通過跡象，說明槳葉主配壓閥閥芯處于某一偏開位置，可能存在的問題有電氣零位偏移、槳葉主配閥芯卡澀、受油器漏油量過大。

按照1號機組的處理經驗，首先對電氣零位及主配閥芯位置傳感器進行檢查，未發現明顯異常，根據本臺機組在故障現象發生時，運行人員手動干預，先執行小幅度增負荷操作，再執行小幅度減負荷操作，能消除異常現象。若存在電氣零位偏移或位移傳感器故障，應無法通過手動干預操作增減負荷消除異常現象，這與實際情況不符，故基本可以排除槳葉主配電氣零位的影響。

假設進行開槳葉操作后，槳葉主配閥芯卡澀在某一偏開位置，沒有完全回復到中位，槳葉接力器開腔連通壓力油，關腔連通回油。壓力油進入開腔操作油管，再進入受油器下浮動瓦，表現為下浮動瓦漏油量大，一部分直接漏至下油箱，另一部分通過上下浮動瓦之間的平壓孔漏至上油箱，與前文所述“槳葉開腔油管溫度明顯高于關腔油管溫度”、“異常現象發生時,受油器漏油量與正常狀態下相比大大增加”、“異常現象多發生于開槳葉操作增加負荷時；異常現象消失多發生于關槳葉操作減小負荷時”等現象較為吻合；通過手動干預執行關槳葉操作，使槳葉主配閥芯偏離卡澀區域，異常現象得以消除，與前文所述異常現象發生時運行人員通過手動干預操作槳葉可消除本次異常現象相吻合。

2016年5月15 日11：30，3號機正常運行時異常現象再次發生，通過標記異常狀態下槳葉主配閥芯回復桿的位置，再由運行人員手動干預消除異常現象后，再觀察回復桿上的標記，確認槳葉主配閥芯位置在異常現象發生狀態下，卡澀在比正常運行狀態下向開方向偏離約2 mm的位置，驗證了槳葉主配閥芯卡澀在某一偏開位置是導致異常的主要原因這一假設的正確性。當然，槳葉主配閥芯卡澀在偏開位置情況下，槳葉接力器開腔會接通壓力油、關腔接通回油，如果操作力足夠，槳葉將往開方向動作，這與實際槳葉能維持穩定開度的事實不符。分析認為可能是由于受油器下浮動瓦間隙足以使異常現象發生時槳葉接力器開腔壓力油快速泄放，槳葉接力器開、關腔壓差不足以驅動槳葉動作。

在后續檢查過程中，發現槳葉主配閥芯的確是在偏開的位置但是并非是由于卡澀原因引起，因為調速器工控機槳葉平衡表顯示并非為0 V而是0.71 V，閥芯在偏開位置并非是由于主配卡澀造成而是系統控制其在偏開位置，也就是說在調節負荷過程中未調節到位，主配始終處于偏開的調節狀態。可能的原因為調速器槳葉副環參數中比例增益較小，無法滿足調節需求，或者受油器下浮動瓦漏油量過大引起。

2016年5月28 日工作人員將3號機調速器槳葉副環參數進行修改，由“比例增益6.0、積分死區4.0”改為“比例增益8.0、積分死區6.5”后進行槳葉副環試驗，副環擾動滿足要求；在槳葉副環參數為“比例增益8.0、積分死區6.5”條件下，進行并網狀態下的檢查，小幅度增負荷時槳葉跟蹤不到位，主配閥芯偏開，有較大過油量，小幅度減負荷時槳葉超調，超調超過1%死區后出現反調現象。試驗過程中發現受油器部分下浮動瓦部位漏油量很大，通過改變比例增益參數無法將槳葉調節到位，因此只能在機組檢修過程中更換下浮動瓦，減小漏油量以徹底解決此缺陷。

2017年4月25 日桐子林4號機組C修工作開始后，對3號機組受油器進行分解檢查，發現受油器下浮動瓦嚴重燒損，受油器上操作油管擺度超標（0.28 mm，標準0.15 mm），按照廠部及廠家會商處理方案進行了處理（方案大致為：拆除現有受損的上操作油管，外運加工至滿足設計要求（直徑縮小），采用備品受油器浮動瓦根據加工后的操作油管尺寸及配合間隙要求進行加工，重新安裝上操作油管、浮動瓦及所有組件），回裝后設備運行正常。

3 結語及建議

桐子林水電站自投產發電以來，調速系統發生的兩次主要缺陷均為槳葉控制系統缺陷，為提高設備可靠性，增強設備管理水平，結合桐子林水電站的實際情況，特提出如下建議：

（1）FC型主配壓閥并未設計機械零位，運行過程中其閥芯的中間位置完全依靠電氣零位來確定。廠家所提供的電氣零位數值是根據電站投產時機組的工況計算，隨著接力器的磨損、浮動瓦的磨損及受油器部位漏油量改變，其電氣零位不一定滿足當前工況。因此在調整電氣零位過程中不應僅僅以廠家的固定數值為依據，應綜合考慮機組當前的工況條件。

調整導葉主配的電氣零位時，將導葉開至50%開度，切除導葉位移傳感器的反饋信號，避免控制系統根據反饋位置進行自動調整，此時導葉主配閥芯應在電氣零位的控制下處于中間位置，由機械專業人員在導葉接力器位置架百分表時刻監控，導葉接力器向偏關方向動作且1 min位移量不超過0.5 mm視為合格。

槳葉控制方面我們應隨時關注受油器部位的漏油情況，上下浮動瓦漏油量過大時應及時處理或更換，避免出現3號機組類似故障。

（2）FC型主配壓閥的主配位移傳感器為導電塑料電阻軌形式，觸點長時間在導電塑料導軌的某一點摩擦會造成接觸不良，降低了主配壓閥閥芯回到中間平衡位置的精度，造成主配閥芯不能回到中間平衡位置，而是在死區的臨界位置來回波動,使得調速器調節頻繁，引起主配壓閥抽動。桐子林水電站1號機組故障就是由此引起的，為徹底解決此類缺陷，建議將主配位移傳感器改造為差動變壓器非接觸型，若不具備技改條件，也應將主配位移傳感器的檢查及更換列為檢修標準項目，每年或者每兩年更換一次，避免出現1號機組類似故障。

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