兩起水輪機調(diào)速器故障的分析與處理

張中弛

（福建永泰閩投抽水蓄能有限公司，福建 福州 350700）

0 引言

調(diào)速器承擔(dān)了機組頻率調(diào)節(jié)、有功功率調(diào)節(jié)、開度調(diào)節(jié)的重要任務(wù)，一旦出現(xiàn)異常就可能導(dǎo)致導(dǎo)葉開度的大幅度波動，甚至造成機組事故停機。因此調(diào)速器一般采用冗余設(shè)計，重要的控制、測量、反饋、執(zhí)行元件都設(shè)有雙套，甚至三套，采取“主備用”或者“三選二”的方式，主用元件故障立即切換至其他備用元件工作，基本可以實現(xiàn)導(dǎo)葉開度、機組負(fù)荷無擾動的切換，有效保證了機組運行可靠。

但是在電站實際生產(chǎn)運行中，仍然存在由于單一元件的工作不穩(wěn)定或失效導(dǎo)致機組緊急停運的風(fēng)險，影響發(fā)電機組甚至是電網(wǎng)安全。這其中既有元件自身產(chǎn)品質(zhì)量的問題，也有控制邏輯設(shè)計的不合理，還有安裝調(diào)試過程中由于不當(dāng)操作埋下的隱患，最終在一定條件下觸發(fā)，造成事故發(fā)生。

1 概述

1.1 調(diào)速器工作原理

水輪機調(diào)速器通常由控制元件、測量元件、反饋元件和執(zhí)行元件構(gòu)成，其直接控制對象是接力器，通過動作接力器，改變導(dǎo)葉開度大小，調(diào)整沖擊轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動的水流量，也就是調(diào)整水輪機所吸收的水能，實現(xiàn)對水輪機轉(zhuǎn)速或發(fā)電機輸出功率的控制。

在控制過程中，調(diào)速器要測量水輪發(fā)電機組的頻率、有功功率、導(dǎo)葉位移（開度）、水頭等變量，計算測量值與目標(biāo)值（給定值）的偏差，然后將偏差值轉(zhuǎn)化為控制信號，經(jīng)過信號放大、電液轉(zhuǎn)換，控制液壓操作機構(gòu)動作接力器，調(diào)整導(dǎo)葉開度大小，最終完成對水輪發(fā)電機組頻率或有功功率的閉環(huán)調(diào)節(jié)，并能執(zhí)行機組開停機、工況轉(zhuǎn)換、事故停機等操作[1]。

1.2 調(diào)速器結(jié)構(gòu)組成[1，2]

調(diào)速器一般由電氣控制柜、機械操作柜、電液隨動裝置、事故配壓閥、分段關(guān)閉裝置、油壓裝置及其控制柜等組成。

電氣控制柜是調(diào)速器系統(tǒng)的核心，它釆集機組的導(dǎo)葉開度、有功功率、頻率、水頭等信息，通過控制流程和導(dǎo)葉開度給定值，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電氣量輸送到機械操作柜。液壓操作柜主要配置比例伺服閥放大器和手動增減、停機等操作回路，將電氣控制柜信號進行傳遞和放大，并對液壓系統(tǒng)進行各種控制操作。

電液隨動裝置配置了比例伺服閥和主配壓閥，對電氣控制柜信號進行電液轉(zhuǎn)換，并進行液壓放大。事故配壓閥主要在調(diào)速器電氣或液壓系統(tǒng)失靈時，能夠緊急關(guān)閉導(dǎo)葉。分段關(guān)閉裝置需根據(jù)調(diào)節(jié)保證設(shè)計的要求進行配置，用來實現(xiàn)導(dǎo)葉分段關(guān)閉規(guī)律。油壓裝置通常包括壓力油罐和回油箱及其附屬自動化元件，對控制導(dǎo)葉開啟和關(guān)閉提供操作能量。油壓裝置控制柜的功能是通過對油泵的啟?？刂坪妥詣友a氣控制來維持壓力油罐的油壓穩(wěn)定和合理的油氣比。

2 案例1：機頻采樣故障信號異常

2.1 故障現(xiàn)象

某大型電站機組在發(fā)電狀態(tài)時，調(diào)速器判斷出現(xiàn)機頻采樣故障，開出故障信號至監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)運行人員現(xiàn)地確認(rèn)頻率信號無異常后，在調(diào)速器電氣控制柜觸摸屏上點擊故障復(fù)歸按鈕，故障開出信號仍繼續(xù)保持，無法復(fù)歸。

2.2 原因分析

電站在該異常情況出現(xiàn)前，對調(diào)速器進行了技術(shù)改造，增加了機頻采樣“三選二”功能，機頻采樣由殘壓、齒盤1、齒盤2三路信號組成，同時對機頻采樣故障的判別條件進行了修改，程序邏輯如圖1所示。

圖1 機頻采樣故障判斷邏輯框圖

從程序可以看出，當(dāng)三路機頻采樣信號（殘壓、齒盤1、齒盤2）均故障，則分別執(zhí)行以下2個運算：

（1）若機組為發(fā)電態(tài)或孤島態(tài)，則自動退出一次調(diào)頻功能、向監(jiān)控系統(tǒng)上送機頻采樣故障信號，若為其他狀態(tài)則復(fù)歸一次調(diào)頻自動退出信號、機頻采樣故障信號；

（2）若機組為空載態(tài)，則將導(dǎo)葉切至手動控制；若為其他狀態(tài)則復(fù)歸導(dǎo)葉切手動信號。

若三路機頻采樣信號不同時故障，復(fù)歸一次調(diào)頻自動退出信號、導(dǎo)葉切手動信號。

機頻采樣故障信號的復(fù)歸條件僅為在非發(fā)電態(tài)、非孤島態(tài)下，發(fā)生三路信號同時故障的情況下復(fù)歸信號，無法通過觸摸屏或者其他方式復(fù)歸。而機組處于靜止態(tài)、開機態(tài)、停機態(tài)時調(diào)速器不判斷機頻采樣故障，發(fā)電調(diào)相態(tài)在該電站不使用，僅為程序內(nèi)預(yù)留，因此僅有當(dāng)調(diào)速器判斷進入空載態(tài)時，模擬三路機頻采樣信號均故障才可復(fù)歸。

除了復(fù)歸條件設(shè)置不當(dāng)，還因為故障信號誤報導(dǎo)致此次故障發(fā)生。三路機頻采樣信號同時報故障，但現(xiàn)地檢查發(fā)現(xiàn)機頻無明顯異常，基于長期對調(diào)速器運行情況的觀察，綜合判斷應(yīng)為故障誤報。檢查PLC程序中殘壓偏差過大、齒盤1偏差過大、齒盤2偏差過大的判斷條件，發(fā)現(xiàn)判斷條件中的延時均為0.2 s，考慮到該電站的齒盤測頻一直不穩(wěn)定，延時過短容易導(dǎo)致機頻采樣故障誤報。

2.3 處理措施

明確機頻采樣故障無法復(fù)歸是故障判斷的控制程序設(shè)計不合理所致后，對調(diào)速器電氣控制柜PLC控制程序進行修改完善：

（1）增加自動判斷復(fù)歸故障的條件，當(dāng)三路機頻采樣信號中任意一路正常后或者在靜止態(tài)，頻率采樣故障自動復(fù)歸。

（2）將判斷殘壓偏差過大的延時由0.2 s增加到0.5 s，判斷齒盤偏差過大的延時由0.2 s增加到2 s，進一步減少頻率偏差故障誤觸發(fā)的可能性。

之后又進行了驗證試驗，對修改的這部分程序邏輯進行檢驗，以確保按照設(shè)計的故障觸發(fā)和復(fù)歸條件正確動作，試驗步驟和試驗結(jié)果如下：

（1）在無水狀態(tài)下，調(diào)速器處于靜止態(tài)，切至自動控制，發(fā)開機令（短接開機令輸入端與公共端），調(diào)速器進入開機態(tài)，導(dǎo)葉開啟至空載開度，達到開機限時后進入空載態(tài)。

（2）將繼電保護測試儀（以下簡稱繼保儀）接入調(diào)速器電氣控制柜頻率信號轉(zhuǎn)換器的殘壓、齒盤1、齒盤2采樣輸入通道，對殘壓通道發(fā)AC10 V/50 Hz信號，對齒盤1和齒盤2通道發(fā)AC10 V/100 Hz信號，在觸摸屏信息窗中檢查確認(rèn)殘壓、齒盤1、齒盤2均顯示為50 Hz。

（3）發(fā)并網(wǎng)令（短接并網(wǎng)令輸入端與公共端），調(diào)速器進入發(fā)電態(tài)。

（4）將繼保儀送殘壓通道信號調(diào)為AC10 V/50.6 Hz，0.5 s后電氣控制柜觸摸屏狀態(tài)報警窗顯示殘壓偏差過大，再斷開齒盤1和齒盤2信號，可以觀察到監(jiān)控系統(tǒng)報調(diào)速器機頻采樣故障動作，故障動作信號上送正確。

（5）重新接入齒盤1和齒盤2信號，可以觀察到監(jiān)控報調(diào)速器機頻采樣故障復(fù)歸，故障復(fù)歸信號上送正確。再將繼保儀送殘壓通道信號調(diào)為AC10 V/50 Hz，在狀態(tài)報警窗點擊故障復(fù)歸，可以觀察到狀態(tài)報警窗上殘壓偏差過大消失。

（6）將繼保儀送齒盤1通道信號調(diào)為AC10 V/ 101.2 Hz，2 s后觸摸屏狀態(tài)報警窗顯示齒盤1偏差過大，再斷開殘壓和齒盤2信號，可以觀察到監(jiān)控系統(tǒng)報調(diào)速器機頻采樣故障動作，故障動作信號上送正確。

（7）重新接入殘壓和齒盤2信號，可以觀察到監(jiān)控報調(diào)速器機頻采樣故障復(fù)歸，故障復(fù)歸信號上送正確。再將繼保儀送齒盤1通道信號調(diào)為AC10 V/100 Hz，在狀態(tài)報警窗點擊故障復(fù)歸，可以觀察到狀態(tài)報警窗齒盤1偏差過大消失。

（8）對齒盤2通道進行與前述第7、8步驟相同操作，狀態(tài)報警窗報警信息顯示、上送監(jiān)控系統(tǒng)的故障動作和復(fù)歸信號均正確。

（9）斷開并網(wǎng)令，再發(fā)停機令（短接停機令輸入端與公共端），將繼保儀送殘壓、齒盤1、齒盤2通道信號降至0Hz，之后拆除繼保儀接線和其他短接線，恢復(fù)柜內(nèi)接線，試驗結(jié)束。

2.4 建議與思考

經(jīng)過故障分析、處理、驗證一系列工作，最終順利將該故障消除，從中可以發(fā)現(xiàn)在故障判斷的邏輯設(shè)計時應(yīng)仔細(xì)考量故障的觸發(fā)條件，要結(jié)合電站運行的實際情況，對故障判斷的延時條件進行優(yōu)化，使故障既能準(zhǔn)確報出又不會因信號的瞬時波動而導(dǎo)致故障信號頻繁上報。對故障復(fù)歸的條件應(yīng)合理設(shè)置，在故障消失后自動復(fù)歸或在觸摸屏上通過復(fù)歸按鈕復(fù)歸。在現(xiàn)場條件允許的情況下，針對修改的程序內(nèi)容設(shè)計一定的驗證試驗以檢驗程序執(zhí)行過程是否正確也很有必要。

3 案例2：導(dǎo)葉位移傳感器滑塊脫落

3.1 故障現(xiàn)象

某電站機組在發(fā)電狀態(tài)，調(diào)速器報A套PLC導(dǎo)葉反饋故障、A套嚴(yán)重故障，主用控制器自動切換至B套PLC。運行人員現(xiàn)地檢查發(fā)現(xiàn)A套導(dǎo)葉開度值為0，B套導(dǎo)葉開度值正常。將PLC主從切換把手切至B主，選擇B套PLC為主用，待機組具備停機條件后繼續(xù)做進一步檢查。

3.2 原因分析

查看調(diào)速器電氣原理圖發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉位移模擬量信號取自安裝在水車室中的導(dǎo)葉位移傳感器，經(jīng)機械操作柜內(nèi)信號隔離模塊，分別送至機械操作柜綜合控制模塊和電氣控制柜PLC。綜合控制模塊再輸出信號至綜合顯示模塊，PLC輸出信號至觸摸屏，實現(xiàn)信號顯示。導(dǎo)葉位移模擬量信號傳輸過程如圖2所示。

圖2 導(dǎo)葉位移模擬量信號傳輸過程

機組停機后，根據(jù)信號傳輸?shù)姆较?，逆向依次檢查電氣控制柜、機械操作柜采集的導(dǎo)葉位移信號。首先檢查電氣控制柜觸摸屏，A套PLC采集到的導(dǎo)葉位移模擬量信號反饋碼值為32 767，并報A套導(dǎo)葉反饋故障、A套嚴(yán)重故障。檢查A套PLC到觸摸屏的通信線纜完好，除導(dǎo)葉位移信號外，其他信號在觸摸屏上均正常顯示，初步判斷接入A套PLC的導(dǎo)葉位移信號消失。

檢查機械操作柜綜合顯示模塊，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉開度顯示為0.0，該顯示模塊信號來自機械操作柜綜合控制模塊1，檢查信號傳輸線纜完好，初步判斷接入綜合控制模塊1的導(dǎo)葉位移信號消失。進入水車室檢查導(dǎo)葉位移傳感器安裝情況，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉位移傳感器1滑塊已脫落，進一步檢查發(fā)現(xiàn)傳感器滑塊與固定用螺釘間的焊點斷裂，如圖3。

圖3 滑塊與螺釘間焊點斷裂

將螺釘與滑塊重新焊接，之后回裝，檢查各處的導(dǎo)葉位移信號均正常。機組正常開機，并網(wǎng)發(fā)電后約2 h，調(diào)速器報A套PLC導(dǎo)葉反饋故障、A套嚴(yán)重故障，主用控制器自動切換至B套PLC。檢查發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉位移傳感器1滑塊再次脫落，在檢查過程中還發(fā)現(xiàn)機組在發(fā)電狀態(tài)下，水車室內(nèi)機組振動較大。

待機組再次停機后對脫落的滑塊進行檢查，發(fā)現(xiàn)滑塊固定用螺釘發(fā)生斷裂，如圖4。判斷是由于焊接及后續(xù)淬火導(dǎo)致螺釘脆化，且水車室內(nèi)振動大，導(dǎo)致螺釘斷裂。

圖4 滑塊固定用螺釘斷裂

3.3 處理措施

考慮到水車室內(nèi)的振動情況，未再對損壞的滑塊進行修復(fù)，取導(dǎo)葉位移傳感器滑塊備品進行更換，安裝新的滑塊后，重新開機繼續(xù)觀察，未再出現(xiàn)滑塊脫落情況。電站長期運行后，該機組和電站其他機組均未再發(fā)生導(dǎo)葉位移傳感器滑塊脫落。

3.4 建議與思考

導(dǎo)葉位移傳感器是調(diào)速系統(tǒng)最重要的傳感器之一，一旦滑塊脫落會導(dǎo)致導(dǎo)葉位移信號消失，導(dǎo)葉開度閉環(huán)控制失去反饋值，無法實現(xiàn)自動開度調(diào)節(jié)，嚴(yán)重影響機組安全穩(wěn)定運行。在本次故障處理過程中，注意到該電站調(diào)速器配置的是電手動閉環(huán)控制，控制原理如圖5所示，無純手動操作功能。在導(dǎo)葉位移傳感器1故障后，電氣控制柜主用控制器自動切換至B套PLC，雖然機械操作柜綜合控制模塊1的導(dǎo)葉位移信號已消失，但能夠接受B套PLC發(fā)送的控制信號，可以正常調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度，比例伺服閥控制并未失效，不會報出伺服故障，也不會切至導(dǎo)葉位移信號正常的綜合控制模塊2工作。一旦將機械操作柜上的手自動切換把手切換到手動1模式，選擇綜合控制模塊1進行手動調(diào)節(jié)，由于電手動為閉環(huán)控制，而此時綜合控制模塊1接入的導(dǎo)葉位移信號已消失，測量不到反饋值，閉環(huán)控制失效，可能引發(fā)導(dǎo)葉波動。因此在故障排查過程中，特別強調(diào)了機械操作柜不能切至手動1控制，防止故障影響擴大化。

圖5 電手動閉環(huán)控制原理

電站調(diào)速器使用的是非接觸式導(dǎo)葉位移傳感器，與生產(chǎn)廠家了解，滑塊的焊點斷裂導(dǎo)致滑塊脫落是此類型位移傳感器的首次?；瑝K與固定螺釘間的焊點不能承受強扭力，在傳感器安裝過程中，備緊滑塊固定用螺母時，扳手只能對上下螺母緊固，而不能夾在滑塊上施力，否則極易導(dǎo)致焊點被破壞。建議在位移傳感器安裝時，對施工單位人員加強指導(dǎo)，需按照正確的安裝工藝進行操作，避免操作不當(dāng)造成部件損壞。

4 結(jié)語

在電站智能化的發(fā)展浪潮中，越來越多的電站通過采取增加測控裝置、傳感器的方式，以實現(xiàn)更加精準(zhǔn)的自動控制，甚至可以達到“缺陷早發(fā)現(xiàn)、故障自診斷”的程度，極大的減輕了電站運維人員的勞動強度。但同時也應(yīng)當(dāng)注意到在增加測控裝置的過程中，也增加了控制的環(huán)節(jié)，使程序邏輯更加復(fù)雜。新式傳感器的安裝工藝要求更加嚴(yán)格，對施工人員的素質(zhì)也提出了更高的要求。

這兩起故障案例都充分暴露出面對新控制理念和新設(shè)備器件，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計施工過程中給予更高的關(guān)注。程序設(shè)計時要仔細(xì)考量，不能慣性思維。調(diào)試過程中應(yīng)進行完備的試驗驗證，找出設(shè)計缺陷。安裝操作環(huán)節(jié)更要嚴(yán)格按照工藝要求施工，不能憑經(jīng)驗盲目硬干。只有從全環(huán)節(jié)做好質(zhì)量管控，才能更好的發(fā)揮新技術(shù)的優(yōu)勢，為電站的安全穩(wěn)定運行提供保障。