大型軸流轉槳式水輪機導葉開度反饋裝置故障分析與處理

趙 冉

（四川省能投攀枝花水電開發有限公司，四川 攀枝花 617000）

0 引言

金沙水電站位于四川省攀枝花市西區金沙江干流中游末端的攀枝花河段上，壩址位于四川省攀枝花市西區，上距觀音巖水電站壩址28.9 km，壩址距攀枝花市中心10.3 km，距銀江水電站壩址21.3 km。金沙水電站工程為二等大（2）型工程，樞紐工程主要由混凝土重力壩、河床式電站廠房及泄洪消能等建筑物組成。電站裝機容量560 MW，安裝4臺140 MW的軸流轉槳式水輪發電機組，并配備4臺主變壓器，設計年平均發電量21.77億kW·h。

金沙水電站調速器采用南瑞集團有限公司SAFR-2000H型微機調速器、雙PCC系統。導葉主配直徑200 mm，槳葉主配直徑150 mm，協聯方式為導葉槳葉協聯，額定工作壓力為6.3 MPa。導葉開度反饋裝置因采用美國MTS公司E系列EP2型磁致伸縮線性位移傳感器（非接觸式），在1號機組試運行過程中發現因導葉反饋裝置固定支架跟隨接力器杠發生水平擺動位移和缸體轉動，導致接觸式傳感器位移磁鐵與傳感元件（波導管）之間的感應距離發生變化，導葉開度采樣信號跳變、失真，傳感器采樣異常報警或導致接力器頻繁抽動，造成事故低油壓保護動作機組“非停”發生。經過對傳感器固定支架調整及滑動支架加配重塊的方法進行處理，均未達到較好的效果，重新對傳感器選型及支架進行優化，將磁致伸縮線性位移傳感器更換為德國ASM拉繩式位移傳感器，并經調試、試驗合格后試運行穩定、可靠，從本質上解決了反饋信號的不穩定性，降低了因此導致的傳感器采樣信號異常告警及機組發生故障的風險。

機組主要技術參數：

水輪機型號：ZZ(JS)-LH-1065

額定出力： 142.9 MW

額定水頭： 16.8 m

最小水頭： 8 m

最大水頭： 26.8 m

額定流量：938 m3/s

轉輪直徑： 10 650 mm

額定轉速： 57.7 r/min

飛逸轉速： 178 r/min

制造廠家：通用電氣水電設備（中國）有限公司

發電機型號：SF140-104/16950

額定容量：160 MVA

額定電壓：13 800 V

額定電流：6 693.9 A

功率因素：0.875

勵磁電壓：388 V

勵磁電流：1 710 A

絕緣等級：F/F

推力負荷：3 600 t

制造廠家：浙江富春江水電設備有限公司

1 故障現象

2021年02月10 日20：04，運行值班人員在上位機將1號機組有功由131 MW設置為140 MW；調速器壓油泵正常啟動，油罐油壓迅速下降；20：06，1號機組壓力油罐事故低油壓保護動作，監控系統啟動機械事故停機程序，1號機組事故低油壓機械事故停機。

2 現場檢查情況

停機后，分別對機組停機流程、調速器油壓裝置壓力油罐、回油箱油位及油壓，導葉主配、槳葉主配、接力器、受油器及油管路、閥門等附件進行了全面檢查，未發現漏點及異常情況。進一步對調速器油泵過濾器濾芯拆卸檢查，未發現濾芯堵塞及其他異常現象。對尾水流道水質進行檢查，未發現水質異常（排除轉輪漏油），槳葉開、關腔油壓顯示正常，對4臺油泵進行打壓試驗，打壓試驗正常，油泵試運行無異常情況。對調速器導葉開度反饋裝置進行排查時，檢查發現調速器接力器位移傳感器間隙偏大，導葉傳感器位置發生偏移，查看上位機故障報警信息顯示，機組停機過程中頻率波動較大，有油壓越低限告警記錄。

3 導葉動作過程及反饋裝置工作原理

3.1 水輪機導葉動作過程

金沙水電站水輪機導葉接力器為搖擺式直缸接力器，主要由缸體、活塞、推拉桿、銷軸、配油裝置、固定支座、密封及油管等部件組成。推拉桿一端通過叉頭與控制環經銷軸連接，另一端與活塞螺紋連接，通過調節螺母調整接力器的行程；接力器后缸蓋支座通過銷軸與內頂蓋裝配，調節導葉開度時，缸體以后缸蓋支座銷軸軸線為中心水平擺動，推拉桿和活塞桿直線伸縮調節控制環位置，實現對導葉開度的調整（導水機構結構原理圖詳見圖1）。

圖1 導水機構結構原理圖

3.2 反饋裝置工作原理

調速器導葉開度反饋裝置主要由三組磁致伸縮線性位移傳感器（包括感應元件波導管、移動磁鐵）、固定支架、滑動支架組成。傳感器的核心由一根鐵磁材料的感應元件(亦稱作“波導管”)和一個可移動的永磁鐵組成，波導管支架通過抱箍固定于接力器缸體，移動磁鐵支架組成通過抱箍固定于活塞桿端部。機組調整負荷時，通過接力器活塞與缸體的相對位移（活塞桿的伸縮）改變導葉開度，同時磁鐵與感應元件同步發生相對位移。永磁鐵在波導管上會產生一個縱向的磁場。每當電流脈沖由傳感器電子頭送出來并通過波導管時，會沿波導管產生一個徑向磁場。在傳感器內部,波導管在兩個磁場相互作用的瞬間產生扭變脈沖。這兩個磁場相互作用產生的應變脈沖能夠被傳感器的電子頭檢測出來。其中一個磁場由沿著帶有波導管的傳感器桿移動的磁鐵產生，另一個磁場由波導管上通入的電流脈沖產生。位移磁鐵的位置可通過計算產生電流脈沖與應變脈沖到達傳感器電子外殼這段時間，從而進行準確的測量。通過上述基本原理，實現高重復性和高準確性的可靠位移測量。當這兩個磁場在波導管相互作用的瞬間，波導管產生“磁致伸縮”現像，一個應變脈沖即時產生。這個被稱為“返回信號” 的脈沖以超聲波的速度從發生點(即位置測量點)返回傳感器電子頭，并被應變脈沖轉換器檢測出來，導葉開度位置信號反饋給調速器，實現對接力器活塞與缸體的相對位置的精確控制，從而實現對導葉開度的精確控制（磁致伸縮位移傳感器原理圖見圖2）。

圖2 磁致伸縮位移傳感器原理圖

4 原因分析

因金沙水電站水輪機結構特殊性，主要體現在接力器為搖擺式直缸接力器，同時因接力器缸體與內頂蓋為球形結構連接形式（接力器與內頂蓋連接結構原理圖見圖3），導葉接力器調整導葉開度時，活塞和缸體的運動是一種復合運動：缸體帶動活塞以缸體后缸蓋支座銷軸軸線為中心的水平擺動、缸體以球面軸承中心點為中心在豎直面的轉動也造成活塞與缸體同步旋轉。接力器缸體的擺動和位移必然會帶動支架發生水平位移和轉動，造成感應元件與磁鐵之間間隙變大，甚至脫離感應區，導致導葉采樣反饋信號跳變、失真，調速器控制邏輯為“三選二”方式，當調速系統兩路開度反饋信號失真或跳變時，調速系統便會給定導葉開度頻繁調整機組負荷，同時槳葉動作持續調整尋找最佳協聯點，接力器大范圍抽動引起耗油量瞬時迅速增加，壓油罐壓力急劇下降，造成調速器油壓裝置全部油泵陸續啟動，仍不能滿足調速器系統供油需要。此時，事故低油壓保護動作，監控系統啟動機組事故停機流程，機組停機（導葉反饋裝置見圖4）。

圖3 接力器與內頂蓋連接結構原理圖

圖4 導葉反饋裝置圖片

5 處理過程

5.1 臨時處理

在現場采取對傳感器滑動支架進行加配重塊及調整固定支架水平的方法進行處理后，雖能恢復機組暫時運行，但隨著機組運行過程中傳感器直接隨接力器動作發生位移和擺動后，導致傳感器感應元件（位移磁鐵）與傳感元件（波導管）的感應距離發生變化（正常感應距離為3～5 mm），且感應磁鐵偏離波導管中心線，甚至超過感應距離無法感應，且運行人員在增、減負荷時必須隨時觀察傳感器是否發生偏移，大大增加了運行人員的工作強度，且不能滿足機組長期穩定運行的要求（導葉反饋裝置滑動支架臨時加配重塊處理圖片詳見圖5）。

圖5 導葉反饋裝置滑動支架臨時加配重塊處理

5.2 改造處理

在傳感器滑動支架增加配重塊仍未取得明顯效果后，決定將原磁致伸縮線性位移傳感器（非接觸式）更換為拉繩式位移傳感器，傳感器采用CLMB1系列位移傳感器，模擬量或同步串行輸出，量程范圍為：0～1 500 mm至 0～15 000 mm，模擬量輸出為：0～10 V，4～20 mA雙信號輸出，拉繩式傳感器固定于接力器活塞桿上安裝的移動支架上，拉繩通過掛鉤懸掛在固定在接力器缸體上的滑動支架上，在機組正常運行時，接力器活塞桿在開、關腔油壓作用下做往復直線運行，通過活塞桿移動帶動拉繩的伸縮輸出導葉開度反饋信號，拉繩式位移傳感器采取與磁致伸縮線性位移傳感器安裝思路。同時，對固定支架進行優化設計，增加其穩固性，使其更適用于拉繩式傳感器運行可靠性的要求。但也存在支架偏轉的問題，該偏轉會造成傳感器拉伸量的微小變化，但該變化量在測量精度要求的范圍內，不會造成位置信號丟失，不會引起機組故障停機，避免了因接力器杠體位移及轉動導致的反饋信號跳變及失真現象，提高了調速器導葉開度反饋裝置運行的穩定性和可靠性，使機組運行更加穩定、可靠（導葉反饋裝置改造后結構示意圖見圖6）。

圖6 導葉反饋裝置改造后結構示意圖

5.3 測試與試驗

目的：檢查閉環控制中輸出電壓與電液伺服閥配合是否適當；確定導葉副環控制的比例、積分死區、穩零輸出等參數。

試驗準備工作：對電調柜、機柜、油壓裝置柜進行檢查上電；油壓裝置建壓到額定壓力6.3 MPa；調試機柜與傳感器的配合性，重新調試綜合模塊，使之可以手動開關操作，正確顯示導葉開度；手動開關接力器進行管路充油，檢查有無漏油現象并處理；調試電柜與機柜的配合，使之可以自動開關操作。

試驗項目：進行導葉副環實驗。

方法：選擇設置窗，輸入試驗密碼，選擇A套和B套調試，進入導葉負環擾動界面，設置導葉負環KP，積分死區參數。進行階躍擾動，最后記錄試驗波形。

調試技巧：在無水試驗中進入導葉擾動試驗，導葉切手動，根據經驗預設PI參數，然后設置導葉給定，觀察導葉動作情況，若不動作或反向動作，在電柜端子調整控制輸出正負（控制輸出正負是否正確，可以在定位試驗窗強制全開全關，看接力器方向是否相同，若相反，調換正負即可）。導葉擾動，根據錄波觀察導葉動作是否平滑，是否到位。根據經驗，比例不要超過8，積分根據實際選擇。如果給定和反饋始終有偏差，可修正一下主配零點，微調一下主配反饋增益（W4），使之反饋變小，靈敏。擾動結束后，自動維持一個開度，要觸摸主配閥芯是否有抽動，副環擾動給定和反饋偏差相差0.2%以內后，主配閥芯抽動應降到最小。副環擾動的時候，注意電柜、機柜間導葉開度顯示的差異不要太大。

試驗結果：導葉閉環控制穩定，功放和電液伺服閥匹配良好（1號機運行穩定后調速器電控柜信息窗見圖7）。

圖7 1號機運行穩定后調速器電控柜信息窗

6 結束語

針對金沙水電站1號機組調速器導葉開度反饋裝置傳感器選型不合理造成導葉采樣信號失真、跳變引起機組事故底油壓導致機組事故停機的情況，通過現場改造、試驗結果及試運行情況來看，將導葉開度反饋裝置3支磁致伸縮線性位移傳感器現場改造為拉繩式位移傳感器、并對傳感器支架進行優化設計，能滿足機組安全穩定運行的要求。目前已完成金沙水力發電廠1號、2號機組的導葉反饋裝置改造工作，且試運行效果良好，機組運行穩定性大大提高，也避免因“非停”事故造成電網的考核，間接增加了發電效益。證明以上分析和處理是正確的，由此也可以看出在水電站設備中因自動化元件設計及選型不合理導致的故障也應該引起重視，尤其是涉及到參與機組控制系統采樣的自動化元件必須可靠、穩定運行，每個電站的情況都不盡相同，應結合實際情況全面考慮，確保機組安全、穩定運行。