巨型水電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)故障智能診斷方法探究

郝 輝，艾遠(yuǎn)高

（三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌443133）

0 引言

水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的作用是保證水輪發(fā)電機(jī)組的頻率及出力穩(wěn)定，維持電力系統(tǒng)的平衡。調(diào)速系統(tǒng)可根據(jù)控制命令自動(dòng)完成機(jī)組調(diào)節(jié)，是水輪發(fā)電機(jī)組的重要控制設(shè)備。雖然調(diào)速系統(tǒng)經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)機(jī)組導(dǎo)葉開度和出力的閉環(huán)控制，但在系統(tǒng)故障分析、智能判斷方面尚有進(jìn)一步發(fā)展的空間。

某電站調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)偶發(fā)性缺陷后，調(diào)速系統(tǒng)不能自動(dòng)進(jìn)行故障點(diǎn)的確認(rèn)，按傳統(tǒng)故障診斷方法，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)和分析。本文通過引入故障回路監(jiān)視分析和處理，提出了一種調(diào)速系統(tǒng)故障智能診斷新方法。

1 概述

調(diào)速系統(tǒng)的形式和結(jié)構(gòu)多種多樣，總體上，都是由調(diào)速控制器、電液轉(zhuǎn)換單元、主配壓閥、接力器及位移反饋等部分組成，如圖1所示。

圖1 調(diào)速系統(tǒng)的構(gòu)成

其中電液轉(zhuǎn)換單元的作用是將調(diào)節(jié)控制器的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為液壓信號(hào)，是機(jī)電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，其性能直接關(guān)系到調(diào)速系統(tǒng)控制的精度和速度。目前水輪發(fā)電機(jī)組電液轉(zhuǎn)換單元普遍使用的是伺服閥類和電機(jī)類設(shè)備。

經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展，水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的控制器已經(jīng)由單片機(jī)，可編程控制器（PLC），發(fā)展到可編程計(jì)算機(jī)控制器（PCC），控制流程和控制邏輯已經(jīng)完善。系統(tǒng)自診斷功能也有所設(shè)計(jì)，常規(guī)故障判斷也比較豐富，比如控制器硬件故障、信號(hào)傳感器故障、通信故障、液壓故障等。但是要達(dá)到水輪發(fā)電機(jī)組智慧運(yùn)行的目標(biāo)，還需在設(shè)備故障細(xì)化和定位上加強(qiáng)思考和實(shí)踐。

在此對(duì)某電站出現(xiàn)的調(diào)速器大故障進(jìn)行分析，進(jìn)而探討調(diào)速系統(tǒng)智能運(yùn)行的方向及條件。

2 調(diào)速系統(tǒng)故障分析

2.1 系統(tǒng)概況

某電站調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)為雙套PCC控制，電液轉(zhuǎn)換執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用比例閥和步進(jìn)電機(jī)。其中PCC-A套控制比例閥，PCC-B套控制步進(jìn)電機(jī)，比例閥和步進(jìn)電機(jī)兩個(gè)通道相互間完全獨(dú)立，互為備用，采用切換閥實(shí)現(xiàn)液壓回路之間的切換（圖2）。其中步進(jìn)電機(jī)采用自復(fù)中機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)的純手動(dòng)操作。

圖2 調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

上述結(jié)構(gòu)采用比例閥和步進(jìn)電機(jī)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，有效地避免了因同一種設(shè)備缺陷造成的調(diào)速器停運(yùn)風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)可靠性較高。

2.2 缺陷出現(xiàn)

調(diào)速器在A套比例閥正常運(yùn)行，機(jī)組進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整時(shí)出現(xiàn)調(diào)速器A套大故障，調(diào)速器切至B套步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行，2 min后調(diào)速器B套也報(bào)大故障，調(diào)速器切至純手動(dòng)方式運(yùn)行。

運(yùn)維人員抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)檢查A、B套調(diào)速器大故障均是液壓故障。液壓故障判斷邏輯為：導(dǎo)葉給定值與實(shí)際導(dǎo)葉開度的偏差大于8%，且導(dǎo)葉的動(dòng)作速度小于1.6%/s，延時(shí)1.5 s報(bào)液壓跟隨故障。

現(xiàn)場(chǎng)檢查調(diào)速器導(dǎo)葉給定、導(dǎo)葉開度、主配壓閥、比例閥和步進(jìn)電機(jī)的電氣反饋信號(hào)均正常。

因調(diào)速器已切至純手動(dòng)開環(huán)運(yùn)行，液壓故障的邏輯條件已經(jīng)復(fù)歸，遂將調(diào)速器A、B套大故障復(fù)歸，調(diào)速器恢復(fù)正常運(yùn)行，所以調(diào)速系統(tǒng)此次缺陷的具體原因待后續(xù)繼續(xù)分析。

2.3 故障模擬

針對(duì)上述故障現(xiàn)場(chǎng)，運(yùn)維人員進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，對(duì)機(jī)組負(fù)荷進(jìn)行了多次調(diào)整后，終于復(fù)現(xiàn)液壓跟隨故障：A套調(diào)速器報(bào)大故障，14 s后B套調(diào)速器也報(bào)大故障，調(diào)速器切至純手動(dòng)運(yùn)行。試驗(yàn)波形如圖3。

圖3 A套大故障錄波1

從波形可以看出：在調(diào)節(jié)過程中，功率設(shè)定值增加后，PID通過功率給定值與實(shí)際功率的偏差進(jìn)行計(jì)算，此時(shí)比例閥信號(hào)輸出后，主配并無變化，切至B套運(yùn)行；B套控制電機(jī)輸出過程中，主配仍然沒有動(dòng)作導(dǎo)致B機(jī)也報(bào)液壓故障，切至純手動(dòng)運(yùn)行。

將調(diào)速器恢復(fù)至正常狀態(tài)再次試驗(yàn)，有功從660 MW增加至700 MW的調(diào)節(jié)過程中，A套調(diào)速器報(bào)大故障，但B套則沒有出現(xiàn)大故障現(xiàn)象，錄波曲線如圖4。

圖4 A套大故障錄波2

在此過程中，有功設(shè)定變化后，PID根據(jù)有功設(shè)定與有功的偏差，逐步計(jì)算，累計(jì)到滿足液壓跟隨故障條件后切至B套運(yùn)行。B套運(yùn)行時(shí)電機(jī)調(diào)節(jié)正常，主配往開方向移動(dòng)，導(dǎo)葉快速打開，B套未出現(xiàn)液壓跟隨故障。

在此之后，多次試驗(yàn)均未再出現(xiàn)A、B套液壓故障。

3 故障分析及智能故障定位

3.1 原因分析

對(duì)試驗(yàn)過程中的主配壓閥位置和比例閥位置的電氣反饋信號(hào)進(jìn)行提取和分析，如圖5。

圖5 關(guān)鍵信號(hào)比對(duì)

從圖3和圖5可以看出，因?qū)~給定增大，比例閥開始向開方向移動(dòng)，隨著導(dǎo)葉給定與導(dǎo)葉開度的偏差變大，比例閥的開口達(dá)到了最大值，但是主配壓閥的位置沒有變化。可以排除電液轉(zhuǎn)換單元的故障，確定故障直接原因?yàn)橹髋鋲洪y拒動(dòng)。

主配壓閥拒動(dòng)的原因如下：

（1）主配壓閥發(fā)卡。若主配壓閥發(fā)卡則必然存在開方向或者關(guān)方向的持續(xù)偏移，導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷不能穩(wěn)定，每次故障時(shí)主配壓閥都卡在中間位置的可能性極低，所以排除主配發(fā)卡的情況。

（2）從液壓系統(tǒng)圖（圖6）可以看出電液轉(zhuǎn)換單元至主配中間還設(shè)置有急停閥和切換閥。急停閥為雙線圈電磁閥，若其故障則是永久性故障，故障現(xiàn)象可以完全復(fù)現(xiàn)，所以急停閥故障的可能較小。而切換閥為單線圈電磁閥，若其故障處于中間位置（即比例閥和電機(jī)油路均不通），控制油路則無法到達(dá)主配控制腔，可能導(dǎo)致主配拒動(dòng)。

遂在試驗(yàn)臺(tái)對(duì)切換閥進(jìn)行人為控制調(diào)整，可完全復(fù)現(xiàn)切換閥閥芯處于中間位置的狀態(tài)，進(jìn)一步驗(yàn)證切換閥故障的可能性較大。

圖6 液壓系統(tǒng)圖（部分）

綜上所述，判斷調(diào)速器大故障是由于切換閥故障導(dǎo)致的，后續(xù)對(duì)切換閥進(jìn)行拆解檢查并清洗后，現(xiàn)場(chǎng)故障再未出現(xiàn)。

3.2 智能定位方法

針對(duì)不能長期保持的瞬時(shí)、偶發(fā)性故障，目前的調(diào)速系統(tǒng)尚缺乏成熟的設(shè)計(jì)方案和判斷邏輯。在設(shè)備故障的最初階段無法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和數(shù)據(jù)找到故障點(diǎn)，需要在后期進(jìn)行大量試驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析，排除可能性較小的故障點(diǎn)，然后對(duì)疑似故障點(diǎn)進(jìn)行逐一檢查，故障消除時(shí)效性較低，耗費(fèi)資源大。

如前文所述調(diào)速系統(tǒng)大故障問題，設(shè)計(jì)在液壓控制回路中加入控制油源的壓力或流量檢測(cè)機(jī)制，進(jìn)行智能故障定位，即可在第一時(shí)間判斷出故障原因在哪一級(jí)、哪一個(gè)設(shè)備。如圖7。

圖7 液壓回路故障定位

通過監(jiān)測(cè)主配壓閥控制腔油源壓力，結(jié)合比例閥位置電氣反饋信號(hào)監(jiān)視，即可通過控制器程序快速鎖定故障源：比例閥向開方向移動(dòng)且主配壓閥控制腔壓力小于系統(tǒng)壓力，即報(bào)“切換閥發(fā)卡”故障。

對(duì)調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行全過程監(jiān)視，可以對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面分析，對(duì)于實(shí)現(xiàn)故障智能診斷有著積極的意義。如對(duì)接力器開關(guān)腔壓力、步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)反饋、比例閥信號(hào)反饋、控制油路關(guān)鍵點(diǎn)壓力等信號(hào)的監(jiān)視，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)速系統(tǒng)快速故障定位及診斷，如圖8所示。

圖8 調(diào)速系統(tǒng)全過程監(jiān)視流程方法示意圖

4 結(jié)語

調(diào)速系統(tǒng)作為水輪發(fā)電機(jī)組的核心設(shè)備，其正常運(yùn)行對(duì)機(jī)組和電網(wǎng)安全有著至關(guān)重要的作用，所以調(diào)速系統(tǒng)的故障判斷和預(yù)警尤為重要。而調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行又涉及電氣部分和機(jī)械部分，其控制介質(zhì)又包括油和氣，故障判斷與定位較為復(fù)雜，目前調(diào)速器故障報(bào)警僅考慮電氣信號(hào)的閉環(huán)邏輯和機(jī)械設(shè)備的故障后果，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程判斷尚未考慮。

本文針對(duì)調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)的無規(guī)律性、瞬時(shí)性偶發(fā)故障進(jìn)行分析，提出了一種調(diào)速系統(tǒng)故障診斷全過程監(jiān)視方法，該智能診斷方法將關(guān)鍵過程信號(hào)值引入故障判斷機(jī)制，可快速準(zhǔn)確的進(jìn)行故障判斷，為調(diào)速系統(tǒng)故障處理提供有力依據(jù)，同時(shí)也為巨型水電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行及智能故障診斷打下基礎(chǔ)。