某巨型水電站進水口快速門下滑分析

牟小雨,李紅濤,舒 進

（烏東德水力發(fā)電廠，云南 昆明 650000）

0 引言

某巨型水電站有多臺單機容量700 MW的水輪發(fā)電機組，該電站在電力系統(tǒng)中主要充當基荷、腰荷，同時滿足調(diào)峰、調(diào)壓及調(diào)頻等系統(tǒng)要求，機組的穩(wěn)定運行對于電網(wǎng)的穩(wěn)定具有重要影響[1]。機組進水口快速門作為水輪發(fā)電機組過流通道的重要組成部分，其能否正確動作直接關(guān)系到機組安全穩(wěn)定運行[2]。快速門下滑會引起機組過流通道改變，進而導(dǎo)致機組工況變差，影響機組安全穩(wěn)定運行。若下滑后不能正常提升，可能導(dǎo)致一類機械事故的重大風(fēng)險。鑒于該電站在電網(wǎng)中的重要作用，其對包括快速門在內(nèi)的多種設(shè)備提出了更高的可靠性要求。

1 故障現(xiàn)象

該電站自投運以來已有十余年，設(shè)備逐漸老化，進入故障多發(fā)期，存在一定安全隱患。尤其是近年來，電站多臺運行中機組快速門出現(xiàn)下滑，給機組運行帶來不確定性因素。基于機組安全可靠運行考慮，本文統(tǒng)計了該電站機組快速門自某年11月份至次年10月份的下滑頻次。從表1可以看出共有5臺機出現(xiàn)過下滑，其中1號、3號、4號、5號機組下滑次數(shù)較少，下滑周期全部在92 d以上。2號機快速門下滑次數(shù)顯著多于其他機組，且下滑時間間隔明顯短于其他機組，存在明顯異常。

表1 某電站機組下滑頻次統(tǒng)計表

從表2可以分析出，2號機6月份之前快速門下滑時間間隔基本在20 d左右。從6月初至8月初，下滑間隔有緩慢縮短趨勢，在8、9兩月份時間間隔達到穩(wěn)定值10 d。自9月末，快速門下滑時間間隔有緩慢上升趨勢。

表2 2號機快速門下滑時間間隔 d

2 快速門系統(tǒng)構(gòu)成

該電站每臺機設(shè)置1個進水口快速工作門，閘門型式為平板定輪閘門。每臺快速門設(shè)置1個液壓泵站，負責(zé)完成快速門的啟閉動作。每個液壓泵站設(shè)兩臺變量油泵，同時工作、互為備用。液壓系統(tǒng)設(shè)置有液壓缸無桿腔補油的回路，以補償閘門在開啟狀態(tài)下液壓缸和液壓系統(tǒng)的泄漏，避免液壓缸的無桿腔產(chǎn)生負壓，對液壓系統(tǒng)及液壓缸造成損壞[3]。液壓缸是液壓系統(tǒng)的執(zhí)行元件， 由缸體、活塞、活塞桿、端蓋、密封件等組成[4，5]。在該電站的啟閉機中, 液壓系統(tǒng)控制與調(diào)節(jié)部分全部采用電磁閥及插裝閥技術(shù)，通流能力大，集成度高[6，7]。控制系統(tǒng)通過開度儀采集和處理快速門位置信息，并作出相應(yīng)動作。

3 原因分析

快速門下滑能否正常開啟和關(guān)閉，主要取決于相關(guān)控制系統(tǒng)和快速門的液壓系統(tǒng)。液壓啟閉機能正常啟、閉快速門，且每次快速門下滑200 mm后均能自動提門成功，說明快速門的相關(guān)控制系統(tǒng)、控制閥組及液壓站各項基本功能正常。快速門下滑頻次明顯異常，說明啟閉機液壓系統(tǒng)存在泄漏或者快速門位置反饋不準確。

3.1 液壓系統(tǒng)泄漏分析

從式（1）中可以看出，快速門重力、活塞重力、活塞桿重力三者之和為快速門下滑提供動力，有桿腔和無桿腔之間產(chǎn)生的壓差力、活塞與液壓缸體的摩擦阻力阻止快速門下滑，當兩個方向的力相互平衡時，快速門保持靜止態(tài)。G、P2、S1、S2針對某一特定的快速門液壓系統(tǒng)均為恒定值。因此由泄漏引起的快速門下滑，其最根本的原因是因為有桿腔與無桿腔壓差降低。

式中：G為快速門重力、活塞重力、活塞桿重力之和；P1為有桿腔壓力；P2為無桿腔壓力；ΔP為有桿腔與無桿腔壓差；S1為有桿腔受壓橫截面；S2為活塞桿橫截面；F為快速門有下滑趨勢時活塞與缸體之間的摩擦力。

圖1 快速門液壓系統(tǒng)滲油通道圖

影響液壓系統(tǒng)泄漏原因大致可以分為三類：內(nèi)滲漏、外泄漏、環(huán)境溫度變化。

液壓系統(tǒng)內(nèi)滲漏可能出現(xiàn)的情況可分為兩種：

(1)液壓缸內(nèi)部滲漏。液壓缸的有桿腔在閘門的自重作用下會產(chǎn)生較高的壓力，而無桿腔有體積增大傾向，壓力相對較低。如果由于活塞密封損壞或者液壓缸內(nèi)部有磨損劃痕，在壓力差的作用下會形成有桿腔和無桿腔的滲油通道，導(dǎo)致液壓缸內(nèi)滲漏超標，進而使得有桿腔與無桿腔壓差降低，快速門隨之下滑[8]。

(2)控制閥組內(nèi)部滲漏。控制閥組滲漏是由于液壓系統(tǒng)插裝閥內(nèi)部磨損，導(dǎo)致對油流截止效果不佳。液壓缸的有桿腔管路在閘門的自重作用下會產(chǎn)生較高壓力。當液壓控制閥組內(nèi)部滲漏時，在壓力差作用下液壓缸的有桿腔管路和無桿腔管路之間或有桿腔管路和回油箱之間形成滲油通道。有桿腔管路內(nèi)液壓油向無桿腔管路或回油箱內(nèi)滲漏，造成快速門下滑。

如果液壓缸、閥組和管路存在裂紋或砂眼導(dǎo)致的外泄漏，也會引起液壓缸有桿腔壓力不足，導(dǎo)致快速門下滑。

工作環(huán)境溫度的改變同樣會對快速門液壓系統(tǒng)的正常運行產(chǎn)生一定的影響。當環(huán)境溫度升高時，有桿腔液壓油體積膨脹，導(dǎo)致有桿腔壓力升高[9]，無桿腔通過SQ5插裝閥接通回油箱，無桿腔壓力保持恒定。兩腔壓差變大，進而加速有桿腔內(nèi)液壓油向無桿腔內(nèi)或回油箱內(nèi)滲漏，造成快速門下滑時間間隔變短。當環(huán)境溫度降低時則相反，快速門下滑時間間隔會逐漸變長。本文統(tǒng)計了2號快速門液壓系統(tǒng)所在區(qū)域月最高平均氣溫和月最低平均氣溫，繪制了圖2。從圖2中可以清晰的看出，2號機每月下滑頻次與氣溫有一定的相關(guān)關(guān)系。

圖2 2號機快速門下滑時間間隔與氣溫相關(guān)圖

3.2 位置反饋失準

快速門控制系統(tǒng)作為一個負反饋控制體系，位置反饋的準確性尤為重要。機組快速門的位置反饋由檢測快速門開度的開度儀及其鋼絲繩組成。開度儀是一種利用活塞桿運動，以測量線性或非線性位移為目的的裝置，是快速門系統(tǒng)中重要的傳感器部件[10]。開度儀以內(nèi)外時鐘同步方式直接從編碼器接收數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理完成各種運算之后，送至顯示屏，同時輸出2路隔離4～20 mA信號，8路開關(guān)量信號，供PLC或其他設(shè)備讀取開度值等信息，來完成位移控制。當快速門下滑時，控制系統(tǒng)會通過開度儀監(jiān)測到快速門的位置信息，進而做出判斷是否需要提門和報警。如果開度儀故障或開度儀鋼絲繩由于長期疲勞使用導(dǎo)致張緊度不合適，進而導(dǎo)致反饋的位置信息不準確，控制系統(tǒng)將會監(jiān)測到錯誤的下滑信號并動作提門，更有甚者可能出現(xiàn)過度提高快速門現(xiàn)象。

3.3 多重故障并存

在大多數(shù)使用年限較久的快速門系統(tǒng)中，一般是多重故障因素并存。如果液壓缸內(nèi)滲漏和控制閥組內(nèi)滲漏同時存在，兩者同樣存在于啟門和閉門過程中，將直接影響到快速門啟、閉時的速動性和安全性。

4 故障處理方案

4.1 滲漏查找

仔細檢查未發(fā)現(xiàn)啟閉機外觀、液壓缸、閥組和管路存在砂眼或接口密封不佳導(dǎo)致的漏油，確認液壓系統(tǒng)不存在外泄。

檢查液壓缸內(nèi)活塞密封。將閘門提升到全開位后，停止液壓泵工作，關(guān)閉液壓缸與液壓管路連接的有桿腔閥門K**11及無桿腔閥門K**12。阻斷控制閥組和液壓缸之間的油路后，做持門試驗，每24 h記錄1次閘門開度數(shù)據(jù)和環(huán)境溫度，監(jiān)測閘門的下滑量。經(jīng)試驗未發(fā)現(xiàn)閘門出現(xiàn)下滑情況，說明液壓缸內(nèi)部密封良好，無液壓缸內(nèi)滲漏現(xiàn)象。

檢查控制閥組密封效果。將閘門提升到全開位后，停止液壓泵工作，關(guān)閉控制閥組與液壓泵及回油箱連接的閥門K**06及K**07。阻斷控制閥組和液壓油泵及回油箱之間的油路后，做持門試驗，每24 h記錄1次閘門開度數(shù)據(jù)和環(huán)境溫度，監(jiān)測閘門的下滑量。經(jīng)試驗未發(fā)現(xiàn)閘門出現(xiàn)下滑情況，說明控制閥組對油流截止效果良好，無滲漏現(xiàn)象。

基于前文針對溫度對于快速門下滑影響的分析，快速門液壓油工作在較低溫度不利于快速門下滑。但是液壓油溫度過低會導(dǎo)致粘度增大，影響液壓泵的效率。綜合兩種因素考慮，為快速門系統(tǒng)回油箱安裝恒溫器，用于控制回油箱內(nèi)液壓油溫度在10℃～20℃之間。控制系統(tǒng)通過油溫傳感器監(jiān)測到回油箱溫度的變化，借助恒溫器實現(xiàn)溫度控制。

4.2 位置反饋處理

檢查開度儀機是否損壞，查看反饋數(shù)據(jù)是否準確，調(diào)整鋼絲繩張緊度至適中。根據(jù)需要重新更換或調(diào)整開度儀和鋼絲繩。檢查發(fā)現(xiàn)開度儀存在質(zhì)量缺陷，輸出信號不穩(wěn)定，存在輸出信號跳變的現(xiàn)象，可以判定出開度儀反饋故障是快速門下滑的主要原因。

針對開度儀存在質(zhì)量缺陷的問題，首先需要更換開度儀。鑒于快速門位置反饋對于控制系統(tǒng)做出正確判斷與動作的重要性，正常運行時一套開度儀一旦出現(xiàn)故障，控制系統(tǒng)便會收到錯誤信號。考慮到開度儀反饋數(shù)據(jù)的準確性，另加裝兩臺開度儀，然后增加反饋信號選擇程序，使控制系統(tǒng)能夠判斷出開度儀信號異常，并選擇正確的反饋數(shù)據(jù)。

反饋信號選擇程序?qū)碜匀齻€開度儀的反饋信號自動做出差值判斷，其中以10 mm作為差值判斷的閾值，當三個開度儀輸出數(shù)據(jù)差值均小于10 mm時，說明三個開度儀均正常工作，可以輸出三個數(shù)據(jù)中的中間值作為反饋量給控制器；當三個數(shù)據(jù)差值中有兩組差值小于10 mm時，說明數(shù)據(jù)居中的開度儀肯定是正常的，另外兩個開度儀至少有一個正常，同樣可以輸出三個數(shù)據(jù)的中間值；當三個數(shù)據(jù)差值中只有一組差值小于10 mm時，說明與另外兩個數(shù)據(jù)差值大于10 mm的開度儀故障，輸出兩個正常開度儀數(shù)據(jù)的平均值；當三個數(shù)據(jù)差值均大于10 mm時，說明至少有兩個開度儀同時故障，報警開度儀大故障，控制系統(tǒng)暫以最后一次輸出的正常開度值作為反饋信號進行控制。

圖3 開度儀位置反饋判斷邏輯圖

快速門開度儀更換及加裝后，在長期的運行中快速門下滑周期大大延長，充分驗證了更換及增設(shè)開度儀的必要性。

5 結(jié)語

某電站所在大壩作為巨型水利樞紐，機組的安全可靠運行非常重要，這也對機組快速門系統(tǒng)提出了很高的要求。快速門的可靠運行直接關(guān)系到水電站的安全，快速門出現(xiàn)故障不能及時排除，不僅會損壞設(shè)備，還可能導(dǎo)致嚴重后果，所以解決快速門系統(tǒng)故障就顯得極為重要。本文通過快速門下滑原因分析及故障處理得出以下結(jié)論：

（1）溫度作為一個動態(tài)變量對于快速門下滑的影響難以避免，但可通過加裝恒溫器削弱其不利影響；

（2）快速門系統(tǒng)開度儀作為快速門重要的信息反饋裝置，多套開度儀配合使用可以有效降低位置反饋故障帶來的風(fēng)險。