巨型機組調速器液壓系統故障診斷技術

哈爾濱電機廠有限責任公司 孔令義

對于巨型機組調速器液壓系統而言，其依托于信息技術等先進的科技，已經能夠實現故障自動分析和控制，這對延長設備使用壽命和提高設備應用率也大有裨益。相關行業工作人員應當在充分了解調速器故障原因的基礎上，不斷學習先進的故障診斷技術，完善故障控制策略，這樣才能為巨型機組調速器液壓系統的長期穩定運行奠定良好基礎。

1 巨型機組調速器液壓系統故障診斷的必要性

調速器主要應用于水輪發電機組當中，其功能是對進入水輪機轉輪的水量進行調節，從而改變水輪機的出力大小，滿足不同需求場景下的水輪機使用。在實際應用過程中，調速器長期運行有可能會出現各類異常問題，如螺母松動或接力器磨損等情況，使得調速器出現故障，影響調速器的正常使用。如果故障問題不能及時解決，就會逐漸演化成危險源，造成嚴重的安全事故。因此，對機組調速器液壓系統故障進行科學檢修十分有必要，特別是針對大型機組設備，故障診斷的意義更為重要。

2 巨型機組調速器液壓系統控制結構及現狀分析

在過去企業生產中，巨型機組調速器的控制系統主要是以傳統的施耐德QuantumCPU雙冗余熱備控制系統為主，這一系統中兩個核心控制系統分別設置在不同的獨立電源上面，但是通信系統卻又共用一個體系，通過PLC控制系統與RIO控制系統串聯線路形成信號傳輸。這些主要包括DI和AI，都需在RIO子站完成數據接收和篩選，然后再傳遞給PLC智能控制系統進行深化處理。經過處理后的數據會重新反饋給RIO子站，然后再通過DO和AO對外傳輸模塊將相關信息輸出到外部元件當中。

Quantum系列的PLC控制系統雙機安裝程序保持一致，雙機熱備主要由系統結構自動實現，不需要進行雙機切換，所以也沒有切換程序。但是雙機中一個被定義為主機，另一個被定義為備用機，備用機實際上沒有參與任何的程序運算，所有的數據都是從主機當中讀取調用的，這樣可以保證主機向備用機切換的時候，不產生任何差異，且可以瞬間完成切換，無須數據切換適應時間。該設計方式使得任一CPU退出都不會影響監控系統的工作[1]。

3 巨型機組調速器液壓系統常見的故障類型及原因

以水電廠巨型發電機組為例，其調速器液壓系統普遍存在的故障問題主要集中在以下幾個方面：一是在系統運行中存在隔離法動作異常的現象；二是補氣時出現氣體流動；三是冷卻系統運行存在故障，電廠用電倒換時泵體結構運行存在異常。這些問題的存在一方面影響了機組運行整體效率，另一方面給設備維修帶來一定的影響，增加企業管理維護成本，甚至造成安全事故的發生。

3.1 液壓系統故障問題

液壓系統發生故障會導致其無法繼續運行，發生該類故障多是由于多因素導致的。因此，在實際故障診斷過程中，很難直接定位問題來源。雖然當前時期相關故障技術已經較為先進，智能化診斷水平日益提高，但是對于這類大故障問題，仍然存在一定的診斷缺陷問題，存在診斷信息誤報的可能性。如某水輪機組調速器液壓系統的打泵裝置有3臺，其智能化控制程序對于大故障的判斷邏輯如圖1所示。當關聯的兩臺大泵不可用的時候，系統就會發出液壓系統大故障警報，但是其他幾部分大泵仍然可以保持獨立的穩定運行狀態，這種情況下有可能會對設備運行監測控制人員造成一定的信號干擾，使得故障判斷出現不及時和不準確的現象。當動力電源用電倒換的時候，有可能出現大故障問題或正常系統反應的混淆[2]。

圖1 液壓系統大故障控制邏輯圖

3.2 油泵自動停泵問題

油泵在巨型機組中占據著核心地位，且為了提高資源配置應用效果，一般會同時設置幾臺大油泵和1臺小油泵。其中，大泵一般按照間歇運行方式使用，小泵一般按照連續運行方式使用。當大泵啟動并達到預設的壓力參數值以后，泵機會自動停止運行，以減少多余的不必要做工。這種設備運行策略雖然能夠起到明顯的資源成本降低效果，但是同樣也難以避免設備長期空載現象，或者在反復啟動之后，大泵可能會出現較為嚴重的設備老化和磨損，無法實現自動停泵，這種故障多數是由于泵機自動啟停的控制邏輯不合理導致的。

以某巨型水輪機組為例，其油泵自動啟停控制邏輯如圖2所示[3]。當系統中的小泵發生故障的時候，與之關聯的大泵會被自動啟動并保持連續運行狀態，以暫時替代小泵裝置，直至小泵的故障被修復，壓力重新達到預設狀態，大泵才會自動停止。原則上大泵和小泵臨界壓力參數值應具有一定的交叉性，這樣才能有效觸發聯動機制。但是實際上小泵的壓力恢復過程可能會由于不確定性因素導致壓力值不達標，此時大泵就會一直處于空轉，無法觸發自動停泵程度的狀態。

圖2 大泵控制邏輯圖

3.3 隔離閥狀態異常問題

隔離閥的異常狀態主要表現在系統進行低油壓試驗的時候，出現隔離閥反復啟動以及關閉等典型的故障現象。這種現象產生的原因主要是隔離控制系統運行不善，隔離邏輯存在控制不合理以及隔離閥反復啟動和關閉等因素造成的。在原程序控制中，主要是隔離閥開關失敗、管控邏輯不合理，導致在特殊情況下隔離閥出現了反復關閉和開啟，在正常情況下隔離閥關閉指令的控制時間是30s，但如果系統檢測到隔離閥本身處于關閉狀態，那么則會發出關閉指令發送失敗的現象。這種故障影響下，如果沒有設置故障自動恢復條件，那么故障會強行發出隔離閥關閉指令，在液壓系統運行的時候，如果檢測到隔離閥屬于開啟狀態，則又會發出異常關閉的故障警告，并且強行發出隔離閥開啟指令。液壓系統在運行的時候，PLC控制系統會每隔5s發出隔離閥關閉信號，待隔離閥狀態啟動完全回歸之后又會給出隔離閥控制異常的故障指令，此時也會發出強行關閉和控制的指令，這種反復的質量會導致隔離閥運行狀態發生異常，進而影響到設備運行穩定。

3.4 油泵卸負荷啟動故障問題

在油泵啟動的時候，由于沒有考慮到油泵荷載以及回路設計狀況，導致設備啟動出現故障的現象。在具體工作中，從實際應用情況進行分析，油泵啟動的時候需要增加荷載組合閥，在啟動之前組合閥處于空載狀態，避免因啟動帶來的油壓影響到系統穩定性和設備運行安全。但是在具體設計的時候，這種功能只能設置在控制系統中，在啟動油泵的時候將加載啟動項，油泵承擔的壓力能夠通過啟動柜加載控制裝置進行分擔，避免了油泵啟動對電機構成的損害。如果在設計中出現了油泵泵體帶來的電機損害，則需要及時檢查卸載控制回路是否合理和科學。

4 巨型機組調速器液壓系統故障控制策略優化措施

4.1 液壓系統大故障策略優化

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

4.2 大泵啟停控制策略優化

通過結合上述內容對巨型機組調速器系統的運行故障情況分析，在原控制系統啟動時如果取消小泵系統，那么則容易出現無法同時啟動大泵系統的現象。特別是在主泵1啟動條件中設置小泵系統時，小泵絕對不能夠直接使用低于6.15MPa的啟動條件。而是在機組運行速度變緩的時候，及時啟動優化邏輯和應對，提高啟動壓力，保持系統整體維持在既定范圍內，延長設備耐久性和穩定性，同時降低設備的運行故障發生概率[4]。

4.3 自動補氣閥控制策略優化

自動補氣閥故障問題的控制優化主要在于閉鎖條件的改善，具體優化策略如下：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，并增加補氣持續時間與間隔時間的判斷條件。當補氣控制程序開啟之后，系統不再是單一地對補氣是否完成進行判斷，而是對整個補氣過程的多項指標進行監控，從而判斷指令執行是否到位，進而更加精準地對補氣失敗故障原因進行定位。

4.4 油泵控制回路優化措施

關于油泵控制回路存在的問題，在對其所存在的回路設計問題進行優化的過程中，可以重點從以下兩方面入手采取措施：一是優化和改進油泵卸載回力控制方案，在設計的時候通過在油泵卸載電流控制系統中增加繼電保護器裝置和信號檢測裝置，在油泵啟動的時候能夠及時執行啟動命令，如此一來便能夠及時觀察到油泵啟動的延時情況，及時的接通油泵卸載控制系統中的電線圈數，達到設備啟動和停止環節荷載分擔的目的。二是改進油泵啟動回路，與油泵卸載回路的改進原理類似，啟動回路的優化原理同樣是串入繼電器[5]。如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，同時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。

5 巨型機組調速器液壓系統故障診斷注意事項

巨型機組調速器液壓系統故障診斷是一項系統化的復雜工作，導致故障產生的原因也是多種多樣的，因此在實際診斷過程中，需要從多方面加強診斷質量控制。注意事項主要包括以下幾點：

一是要重視日常的設備養護與監控，通過對數據參數進行定期掌握，及時發現可能存在的故障風險，這樣可以提前規避掉較大一部分故障問題。

二是要及時進行設備零件更換。巨型機組調速器液壓系統的運行負荷相對較高，運行時長也比較久，很多零件都需要連續不間斷作業，長期使用狀態下難免會存在磨損。對于使用壽命到期或已經明顯老化的零件，應當第一時間進行替換，避免設備帶病運行，這樣可以有效防止設備故障的擴大發展。

三是相關巨型機組調速器液壓系統使用單位，應當構建完善的調速器液壓系統故障數據庫，將既有發生過的故障問題進行統一歸集，同時對故障處理措施進行統計。這樣一方面可以提高對設備故障問題的追溯能力，當發生故障的時候，以最快的速度調取歷史故障檔案，從而進行問題綜合分析。另一方面，通過建立故障及故障處理數據庫，也能夠總結積維修方案，為日后設備使用的維護以及故障解決提供可靠的參考方案。

經過以上分析闡述不難發現，巨型機組調速器液壓系統故障診斷是一項綜合性較強的工作，對于故障檢測人員的專業技術水平要求較高。工作人員應積極學習先進的調速器液壓系統故障診斷技術理論知識，并在實際診斷工作中不斷積累經驗，融合理論和實踐，從而探索創新故障診斷方法，提高診斷技術水平，以保障巨型機組調速器液壓系統的穩定運行。