水輪發(fā)電機組過速事故分析及處理

繆文輝

摘 要：針對水輪機調(diào)速器故障引發(fā)機組過速事故，介紹了PSWT型比例伺服數(shù)字微機調(diào)速器，事故的過程及處理，并詳細(xì)分析了事故原因，提出防范對策。

關(guān)鍵詞：調(diào)速器;過速;原因;防范對策

中圖分類號：TV737 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）20-0144-02

1 簡介

某水電站5號水輪機調(diào)速器系統(tǒng)采用武漢三聯(lián)水電控制設(shè)備有限公司PSWT-100型比例伺服數(shù)字微機調(diào)速器。該調(diào)速器機械部分采用兩套互為熱備用的電液轉(zhuǎn)換機構(gòu)、機械手動操作機構(gòu)、自動復(fù)中裝置、主配壓閥、緊急停機電磁閥等構(gòu)成機械液壓隨動系統(tǒng)。先導(dǎo)控制級采用比例伺服閥、數(shù)字球閥構(gòu)成的機械冗余結(jié)構(gòu)，對主配壓閥進(jìn)行裕度控制。該先導(dǎo)級可以分別通過比例伺服閥或者數(shù)字球閥進(jìn)行自動控制，互不干擾，互為熱備用。比例伺服閥、數(shù)字球閥都起電液轉(zhuǎn)換作用，將電氣信號轉(zhuǎn)換成位移和流量信號，進(jìn)而形成接力器行程。兩套控制系統(tǒng)一套在線運行，則另一套熱備用;由調(diào)速器電氣部分進(jìn)行切換分選。如調(diào)速器電氣控制部分檢測主用的電液轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)發(fā)生拒動卡阻時，電磁閥將自動切換至熱備用的電液轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。

PSWT-100型調(diào)速器系統(tǒng)，采用比例伺服閥作為調(diào)速器液壓系統(tǒng)的主用電液轉(zhuǎn)換元件，該閥由德國BOSCH公司生產(chǎn)。比例伺服閥是比例和伺服技術(shù)有機結(jié)合的產(chǎn)物，采用比例閥中的比例電磁鐵作為電氣、機械轉(zhuǎn)換器，而功率級滑閥又采用伺服閥的結(jié)構(gòu)和閥芯、閥套加工技術(shù)。比例伺服閥電磁操作力大、靜態(tài)精度高、動態(tài)響應(yīng)好，特別適用于閉環(huán)系統(tǒng)，具有重復(fù)性和滯環(huán)小的控制特點。數(shù)字球閥具有防油污和抗卡能力強的特性，是理想的小功率液壓控制和先導(dǎo)控制回路元件。彌補比例伺服閥對油質(zhì)要求高的缺點，并且在調(diào)節(jié)過程中有實時的70～80Hz的微小顫動量，有效防止卡阻，作為比例伺服閥的冗余備份，確保調(diào)速器可靠控制。

2 事故經(jīng)過

3月16日7時01分，5號機組開機，監(jiān)控系統(tǒng)啟動開機流程。機組開機過程轉(zhuǎn)速120%過速，調(diào)速器拒動，導(dǎo)葉未關(guān)回。運行人員現(xiàn)場檢查，機組頻率58.8Hz，調(diào)速器故障燈亮。運行人員現(xiàn)地操作停機流程，緊急停機動作，停穩(wěn)機組。

5號機過速過程調(diào)速器故障信號“比例閥出錯”、“導(dǎo)葉機械拒動”。監(jiān)控系統(tǒng)信號“調(diào)速器局部故障”、“5號機轉(zhuǎn)速105.6%，越上限”、“5號發(fā)電機115%過速保護(hù)動作”、“5號機轉(zhuǎn)速110.3%，越上上限”。

3 事故檢查、處理經(jīng)過

事故發(fā)生后，檢修人員檢查確認(rèn)自動控制回路動作正確，初步判斷機組過速為調(diào)速器機械卡阻拒動引起。為確定調(diào)速器故障原因與故障發(fā)生部位，對5號機進(jìn)行空載開機試驗檢查。檢查情況如下：（1）調(diào)速器切“機手動”，數(shù)字球閥工作。現(xiàn)地手動操作數(shù)字球閥，開側(cè)數(shù)字球閥操作正常，關(guān)側(cè)數(shù)字球閥無法操作;（2）調(diào)速器切“電動”，比例閥工作。現(xiàn)地電手動操作比例閥，開關(guān)機組導(dǎo)葉正常;（3）調(diào)速器切“電動”，數(shù)字球閥工作。現(xiàn)地電動操作數(shù)字球閥，開側(cè)數(shù)字球閥操作正常，關(guān)側(cè)數(shù)字球閥無法操作。經(jīng)上述現(xiàn)場檢查，確認(rèn)關(guān)側(cè)數(shù)字球閥損壞。更換失效的數(shù)字球閥后，5號機自動開、停機正常。

4 事故原因分析

4.1 機組開機過速過程分析

5號機正常開機時，調(diào)速器接到開機令，自動將導(dǎo)葉開至開機導(dǎo)葉最大開度33%amax。當(dāng)機組頻率達(dá)到45Hz時，調(diào)速器經(jīng)PID調(diào)節(jié)，將導(dǎo)葉調(diào)至對應(yīng)水頭的空載開度。該過程如圖1所示。

3月16日5號機開機，調(diào)速器比例閥將導(dǎo)葉開至28%amax開度時，機械卡阻，調(diào)速器控制輸出與導(dǎo)葉開度存在5%amax偏差，調(diào)速器判斷比例閥出錯，切數(shù)字球閥運行。此時機組頻率已達(dá)45Hz，調(diào)速器投入PID調(diào)節(jié)，操作關(guān)側(cè)數(shù)字球閥，欲將導(dǎo)葉關(guān)回至空載開度。由于關(guān)側(cè)數(shù)字球閥失效，導(dǎo)葉未動作，保持28%amax開度，機組轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升。當(dāng)機組轉(zhuǎn)速升至120%Ne左右時，機組動力矩與阻力距達(dá)到平衡，轉(zhuǎn)速不再上升。該過程如圖2所示。

4.2 機組115%過速保護(hù)動作情況分析

通常，如果5號機轉(zhuǎn)速115%過速，又遇調(diào)速器故障，經(jīng)延時投入事故配壓閥，機組緊急停機。由于5號機主配發(fā)卡接點不能正確反應(yīng)主配壓閥的實際情況，機組過速限制回路采用調(diào)速器自動控制退出替代常見的主配發(fā)卡接點。機組現(xiàn)地控制單元LCU判斷調(diào)速器故障的依據(jù)是調(diào)速器自動控制退出。

4.2.1 調(diào)速器自動控制退出信號動作情況分析

調(diào)速器自動控制退出PLC回路如圖3所示。3月16日5號機開機，比例閥卡阻，調(diào)速器判斷導(dǎo)葉機械拒動，導(dǎo)葉機械拒動000393閉合，比例閥控制出錯000446動作（回路1）;進(jìn)而比例閥控制出錯000444動作并自保持（回路3、4）。調(diào)速器切數(shù)字球閥運行，關(guān)側(cè)數(shù)字球閥失效，調(diào)速器判斷導(dǎo)葉機械拒動，導(dǎo)葉機械拒動000393閉合，由于比例閥控制出錯000444打開，數(shù)字閥控制出錯000447無法動作（回路1、2）;故數(shù)字閥控制出錯000445無法動作（回路5、6）;進(jìn)而自動控制退出000013無法復(fù)歸（回路7）。

注釋：000393導(dǎo)葉機械拒動;001024機手動;000003比例閥工作;000445數(shù)字閥控制出錯;000446比例閥控制出錯;000444比例閥控制出錯;000447數(shù)字閥控制出錯;000402上電2S動作;000313復(fù)歸信號;000312導(dǎo)葉反饋斷線;000013自動控制退出。

調(diào)速器自動控制退出判據(jù)為：調(diào)速器機手動、導(dǎo)葉反饋斷線、比例閥和數(shù)字閥均出錯（回路7）。由于數(shù)字閥出錯000445未動作，故調(diào)速器自動控制退出未動作。

同樣，如果調(diào)速器在數(shù)字閥主用時出錯，比例閥出錯000446也要判別數(shù)字閥無出錯（數(shù)字閥控制出錯000445未動作），故調(diào)速器自動控制退出亦無法動作。

4.2.2 機組115%過速保護(hù)動作情況分析

注釋：I0072導(dǎo)葉空載及以上位置;I0020轉(zhuǎn)速115%接點;I0092調(diào)速器自動控制退出接點;I0066機組開關(guān)分位置;M0109中間變量;M0107事故回路中間變量;I0028現(xiàn)地投事故配壓閥;Q0024事故配壓閥投入。

機組115%過速保護(hù)PLC回路如圖4所示。由于調(diào)速器自動控制退出未復(fù)歸，故調(diào)速器自動控制退出接點I0092閉合，中間變量M0109動作（回路1）;則事故回路中間變量M0107未動作（回路2）。事故配壓閥投入Q0024無法動作（回路4），機組無法動作緊急停機。

綜上所述，事故發(fā)生過程中，自動回路動作正確。5號機過速時，由于調(diào)速器自動控制退出回路存在的設(shè)計缺陷，致使機組115%過速保護(hù)未動作。

5 防范措施

5.1 比例閥發(fā)卡防范措施

比例伺服閥的先導(dǎo)級單純采用滑閥的閥芯、閥套配合形式，液壓集成塊內(nèi)部油流通道沒有微小節(jié)流孔口，不易堵塞。油質(zhì)的精度通常小于20μm即可，要求不太高。但比例伺服閥仍屬高精密的元件，若油中存在的雜質(zhì)較大，尤其是較大的金屬雜質(zhì)，在調(diào)速器工作過程中，雜質(zhì)可能卡住比例伺服閥導(dǎo)致其無法復(fù)中，引起水輪機導(dǎo)葉異常動作。如要避免此種故障，建議做到以下三點：（1）加強調(diào)速器在大、小修時的檢查、維護(hù)工作;閥體內(nèi)部油流通道徹底清洗干凈，確保無雜質(zhì)遺留，避免雜質(zhì)進(jìn)入閥體內(nèi)部流道，造成比例伺服閥閥芯卡阻;（2）調(diào)速器油過濾器更換高目數(shù)濾網(wǎng)，確保調(diào)速系統(tǒng)油質(zhì)清潔，無雜質(zhì);（3）定期檢修維護(hù)比例伺服閥，完善周期試驗、更換制度。

5.2 機組115%過速保護(hù)未動作防范措施

針對調(diào)速器自動控制退出回路設(shè)計缺陷，修改調(diào)速器控制程序，確保調(diào)速器在機械拒動時，準(zhǔn)確送出調(diào)速器自動控制退出信號，保證機組115%過速保護(hù)正確動作，保障機組運行安全。

6 結(jié)語

5號機調(diào)速器關(guān)側(cè)數(shù)字球閥損壞是機組過速的直接原因，致使導(dǎo)葉無法關(guān)回;先導(dǎo)閥或者比例伺服閥瞬時發(fā)卡，是機組過速的間接原因。調(diào)速器自動控制退出回路的設(shè)計缺陷是造成機組115%過速保護(hù)未動作停機的原因。

參考文獻(xiàn)

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