巨型機組調速器液壓系統故障診斷策略優化

羅紅俊，張官祥，唐國平

（1.中國長江電力股份有限公司白鶴灘電廠，四川 涼山 615400；2.中國長江電力股份有限公司葛洲壩電廠，湖北 宜昌 443000）

0 引言

機組在正常運行時，對液壓系統本身的運行狀況進行監控，實現監控與故障自診斷功能，可大力提升設備可維護性。這不僅可對系統設備實行動態監測，及時掌握液壓系統的運行狀態；同時，設備一旦出現故障，系統還可以實現故障自診斷功能，對發生故障部位進行隔離，為設備維護和機組運行提供智能決策支持。某巨型水電廠機組調速器液壓系統在機組正常運行過程中，曾多次發生倒換廠用電時報液壓系統大故障、液壓系統補氣及冷卻流程異常動作、隔離閥動作異常等事件，直接影響了機組的安全穩定運行。針對上述問題，結合國內巨型水電廠設備運維及管理經驗，本文提出了優化水電廠調速器液壓系統的控制策略，并對液壓系統的控制流程及硬件回路進行了深入研究，以求找出設備存在的問題，消除液壓系統存在的安全隱患，提高液壓系統設備運行的安全性和穩定性，以提升機組運行的可靠性。

1 液壓系統控制結構及現狀分析

調速器液壓系統控制部分采用施耐德Quantum CPU雙冗余熱備控制系統。雙CPU具有各自獨立的電源和共同的I/O通道，PLC與RIO之間通過通信電纜聯接。所有的外部DI、AI輸入信號均通過RIO子站采集然后通信給PLC進行處理，PLC將處理后的數據通信給RIO子站，并通過DO、AO模塊輸出到外部元件。Quantum系列PLC的雙機安裝同樣的程序，其熱備由其系統結構自動實現，無需編寫切換邏輯程序。備用PLC不進行程序運算，全部數據從主用PLC讀取，保證備用PLC在切換為主用的瞬間，所有輸出與主用PLC相同，以實現無擾切換，交叉備份的結構設計使任一CPU退出都不會影響監控系統的工作。設備運行時，故障系統不停地對運行通道及備用通道進行故障監測，甚至故障監測系統本身也會受到監測，但故障監測系統不能保證監測到全部故障，在大部分情況下，調速系統的各正常功能都由故障監測系統在持續地監測著，這些功能一旦發生故障，監測系統會發出報警信號，并給出故障信息進而執行相關流程。

2 原液壓系統控制策略研究與分析

水電廠自機組投運以來，先后出現調速器液壓系統隔離閥動作異常、補氣流程異常、冷卻流程異常及廠用電倒換時大泵不可用等缺陷約20條，導致設備故障率高，設備運行不可靠。針對上述問題，對調速器液壓系統控制策略進行研究與分析，以便徹底消除設備隱患，提高設備可靠性。

2.1 液壓系統大故障控制策略

在監控系統故障定義中的液壓系統大故障是指液壓系統存在不可繼續運行的嚴重故障，報此故障的主要原因是液壓系統大故障定義不明確，導致信息誤報。原程序控制邏輯設計如圖1所示，當2臺大泵不可用時即報出“液壓系統大故障”，而此時液壓系統仍可自動運行，且由于調速器液壓系統1號、3號油泵動力電源均取自于同一段廠用電母線，在機組運行過程中，尤其是在廠用電倒換時必然會出現兩臺泵同時故障，此時會報出“液壓系統大故障”，但液壓系統仍具備正常運行條件，對運行人員設備監視造成干擾。

圖1 原液壓系統大故障控制邏輯圖

2.2 油泵自動停泵控制策略

某水電廠機組液壓系統的油泵設置有3臺大泵加1臺小泵。大泵采用間歇運行方式，小泵采用連續運行方式。大泵每次啟動加載，在達到設定壓力后將自動卸載停泵，但機組在運行期間液壓系統啟動后多次出現一臺大泵啟動且長期空載運行，無法自動停泵的問題。其主要原因是大泵啟停控制邏輯不合理導致大泵空載運行無法自動停止。原程序控制邏輯設計如圖2所示，當小泵故障后將啟動一臺大泵連續運行，待小泵故障恢復且系統壓力達到6.3 MPa以后，該大泵卸載并停泵。而小泵的加卸載控制邏輯為系統壓力低于6.15 MPa加載，系統壓力高于6.28 MPa且延時2 s卸載，即小泵故障恢復后再進行一輪加卸載過程系統壓力有可能低于6.3 MPa，不能保證系統壓力達到6.3 MPa，以致于啟動后的大泵一直空轉運行無法停泵。

圖2 原大泵控制邏輯圖

2.3 隔離閥狀態異常控制策略分析

在液壓系統進行事故低油壓試驗時，隔離閥出現反復開啟、關閉的情況，并在調速器控制柜觸摸屏報液壓系統停機失敗、隔離閥關閉失敗、隔離閥狀態異常等故障信息。其主要原因是隔離控制邏輯不合理導致在極端情況下出現隔離閥反復開啟和關閉。原控制程序中隔離閥關閉失敗故障的判斷條件是隔離閥關閉指令發出30 s內，若未檢測到隔離閥關閉狀態反饋，則報“隔離閥關閉失敗”故障。該故障未設計故障自動復歸條件，而且該故障存在時將強制發出隔離閥關閉指令；而在液壓系統運行態下，若未檢測到隔離閥開啟狀態反饋則會報“隔離閥異常關閉”故障，并將強制發出隔離閥開啟指令。液壓系統在運行態時，若“隔離閥關閉失敗”故障一直保持，則PLC每隔5 s發出隔離閥關閉指令，而隔離閥開啟狀態復歸后，又報出“隔離閥異常關閉”故障，并強制發出隔離閥開啟指令，導致PLC反復發出隔離閥開啟和關閉指令，隔離閥反復開啟和關閉。

2.4 自動補氣閥控制策略分析

在液壓系統壓油罐液位滿足補氣條件，補氣流程啟動后，補氣閥開啟時間較短，且在短時間內反復開啟和關閉，補氣效率低下。其原因是補氣流程控制邏輯不合理導致補氣閥反復動作。在原程序中，補氣流程啟動條件為壓油罐液位高于1 950 mm且系統壓力低于6.18 MPa，補氣流程退出條件為壓油罐液位低于1 850 mm或系統壓力高于6.35 MPa。在補氣流程啟動后，若機組導葉動作，則系統壓力將迅速下降至6.10 MPa以下，啟動一臺大泵并加載，由于大泵加載后系統壓力上升速度很快，系統壓力在短時間內上升至6.35 MPa以上，滿足補氣流程退出條件，補氣流程退出，而由于此時補氣流程持續時間過短，油罐的油氣比未發生明顯變化，當大泵停止后，油罐液位和壓力很快又重新滿足補氣流程啟動條件，導致補氣流程反復啟動、停止，補氣閥反復動作。

2.5 油泵卸負荷啟動控制策略

1～4號油泵啟動柜加卸載控制回路設計時未考慮油泵啟動條件，根據實際運行情況來看油泵啟動時加卸載組合閥需處于空載狀態，避免油泵重載啟動，縮短油泵使用壽命，但此功能只寫入控制柜軟件控制邏輯，在油泵切手動方式啟動時，油泵將加載啟動，油泵啟動時泵體承受壓力大，電機啟動電流大，易對油泵泵體和電機造成損害。以上表明1～4號油泵加卸載控制回路設計不合理。

2.6 回油箱液位過低啟泵控制策略

為保證接力器的操作功，液壓系統為封閉式系統，不允許系統進氣，但回油箱液位低于油泵吸油口時，存在油泵進氣的風險。這是1～4號油泵啟動控制回路設計不合理導致的。1～4號油泵啟動柜啟動回路在設計時，未對回油箱液位條件進行閉鎖處理，當回油箱液位低于油泵吸油口時，油泵仍可以手動啟動，則此時油泵將會吸入空氣，從而導致整個液壓系統進氣，影響機組導葉的正常操作。

3 液壓系統控制策略優化措施

針對該水電廠機組調速器液壓系統存在的問題，確認其原因后對液壓系統控制邏輯進行優化。

3.1 液壓系統大故障策略優化

通過對原控制策略分析，優化液壓系統大故障列表和液壓系統就緒條件，取消2臺大泵不可用的條件，改為3臺大泵同時不可用時才能故障報警。修改后控制邏輯如圖3所示。

圖3 優化液壓系統大故障控制邏輯圖

3.2 大泵啟停控制策略優化

經原因分析后，在原控制邏輯中取消小泵不可用時啟動一臺大泵連續運行的邏輯，在主1泵啟動條件中增加小泵不可用且系統壓力低于6.15 MPa時啟主泵的判斷條件。在機組并網運行時系統壓力變化緩慢，經優化邏輯后大泵維持間歇運行方式，提高啟動壓力，保證系統壓力維持在允許的范圍內，同時可有效減少大泵運行時間，延長設備壽命，降低設備故障率。優化控制邏輯如圖4所示。

圖4 優化大泵啟停控制邏輯圖

3.3 隔離閥異常狀態控制策略優化

為了避免“隔離閥異常關閉”故障和“隔離閥關閉失敗”故障信號同時存在導致隔離閥反復“開啟”“關閉”的問題，在原控制邏輯中取消隔離閥開啟失敗或關閉失敗故障時強行關閉隔離閥的邏輯，在此基礎上增加隔離閥開啟/關閉失敗自動復歸條件，增加故障信號復歸開關操作指令，即“隔離閥開啟/關閉失敗故障”作為“隔離閥開啟/關閉操作指令”的閉鎖條件，避免隔離閥電磁閥長期勵磁。

3.4 自動補氣閥控制策略優化

在原補氣過程關閉的控制邏輯基礎上取消補氣閥開啟失敗的閉鎖條件，補氣閥開啟失敗只作為故障報警，同時增加補氣持續時間的判斷條件。在原補氣開啟過程控制邏輯的基礎上增加本次補氣完成與下次補氣開啟之間的時間間隔；優化補氣閥關閉失敗的處理邏輯，若補氣閥在規定時間內未關閉到位則報補氣閥關閉失敗，同時該故障復歸補氣閥關閉指令，退出補氣流程的同時在該故障尚未復歸前不再投入補氣閥。

3.5 油泵控制回路優化措施

就1～4油泵控制回路存在的問題對其硬接線回路進行優化改造，主要分為以下2個部分：

（1）油泵卸載回路改進方案。在油泵卸載電力型繼電器線圈回路中，并入油泵啟動命令繼電器的一對常開接點和啟動延時繼電器的一對常閉接點，以實現在油泵啟動至啟動延時完成期間，接通組合閥卸載電磁閥線圈，實現啟動過程中強制卸載的目的。

（2）油泵啟動回路改進方案。在油泵啟動命令繼電器線圈回路中，串入回油箱液位過低繼電器的一對常閉接點，在回油箱液位過低接點動作時，斷開油泵啟動命令線圈回路，強制停泵，以實現在回油箱液位過低時油泵無法啟動的目的。

4 結束語

對某電廠機組調速器液壓系統運行過程中所暴露出來的問題進行分析，深入研究設備運行控制邏輯，結合巨型電站的設備運行維護經驗，進一步優化設備運行性能，對液壓系統的狀態流轉、補氣流程、冷卻流程及隔離閥控制流程和油泵加卸載流程進行全面優化，解決了液壓系統存在的問題和異常情況，提升了液壓系統運行的穩定性。自優化方案實施后液壓系統運行穩定，尚未重復發生上述問題，優化效果顯著，進一步提高了設備運行的可靠性，對其他電廠處理液壓系統控制邏輯具有一定的參考價值。