數據分析在水電站調速器壓油泵故障處理中的應用

張學軍

（1.五凌電力有限公司五強溪水電廠，湖南 沅陵 419642；2.湖南省水電智慧化工程技術研究中心，湖南 長沙 410004）

1 引言

水電站調速器是水輪發電機組非常重要的輔助控制設備之一，它的運行品質好壞直接決定了機組運行的安全和穩定。通常而言，調速器故障的發現主要通過計算機監控系統、巡視巡查手段實現，但該手段發現問題時，往往在故障發生之后，不符合電站關口前移、防范隱患的理念。

通常而言，故障的出現，往往伴隨著不良的預警特征值，如軸線問題伴隨著機組運行振動偏大，泵體卡澀伴隨著電機運行電流偏大，基于這一理念，遠程運維系統通過大數據統計分析及趨勢預警功能，實現關鍵特征值的統計分析，進而通過數據變化趨勢，完成特征值的不良變化預警，幫助電站工作人員實現關口前移，防范隱患，同時也為電站鎖定問題癥結，遏除隱患提供理論基礎。

2 實例概述

2021年，遠程運維系統預警電站2、5號機組調速器壓油泵啟停時間間隔縮短，存在較低下限。

根據GB/T 9652.1-2019《水輪機調速系統技術條件》4.4.14要求，在調節系統穩定狀態下，對于間歇運行的油壓裝置，油壓從正常操作油壓上限降至正常操作油壓下限的間隔（油泵啟動間隔）時間應大于30 min[1]。

針對這一現象，電站立即調取2號、5號機調速器2021年3月～11月壓油泵啟停時間間隔數據，按開、停機工況區分，繪制曲線圖，逐一分析如下：

（1）2號機：

圖中較低位置均為開停機瞬間或調頻期間，調速器動作消耗油壓造成，過高位置為系統誤差，停機態下啟停時間趨勢重點關注直線段（非峰值），開機態下因峰值較多，重點關注曲線平均值，依此繪制平均值曲線如圖1重黑實線所示，由趨勢線可知，在停機狀態下，如圖1所示，2號機調速器壓油泵啟停時間間隔情況變化較為平穩，基本穩定在2～3 h之間，2號機調速器壓油泵起停時間沒有惡化趨勢；在開機狀態下，由2020年分析結果，穩定工況下（機組不參與調頻工作），2號機調速器壓油泵啟停周期由4 h逐步縮短至3 h以內，巡屏檢查機組運行時，油泵啟停間隔最短縮短至2 h，由圖2可知，2021年2號機調速器壓油泵起停時間間隔處于2～3 h之間，與去年數據和圖形相比近似，無惡化趨勢。

圖1 2號機調速器開機時壓油泵時間間隔曲線

圖2 2號機調速器停機時壓油泵時間間隔曲線

結合數據分析，2號機調速器壓油泵啟停時間間隔沒有繼續惡化的趨勢，但同比于1號、3號、4號機組，2號機調速器壓油泵啟停時間間隔相對較短，因此還需進一步分析原因，排查問題情況。

在滿負荷穩定工況下，電站對2號機、4號機調速器回油箱進行了觀察，如圖3所示，發現2號機組主配回油管上方液面存在翻油現象，即當主配處于中位時，主配回油腔排油口有油液流出；同比相同工況下4號機組，主配回油管上方液面較為平靜，基本可確定無油液流出，該現象說明2號機主配壓閥中位可能存在漂移情況，該漂移情況導致主配壓閥活塞存在向關機腔或開機腔偏移，壓力油不斷通過因偏移連通的閥腔回油，形成回油箱油面翻油現象，但該原因僅為該現象的初步分析，后續實際情況，還需進一步驗證。

圖3 調速器穩定狀態下回油箱主配位置情況對比

圖3左為2號機組滿負荷穩定工況下回油箱狀態，可明顯看到油面波動，內部持續有油涌出，圖3右為同狀態下4號機組，作為對比，油面安靜，無異常現象。

（2）5號機：調取5號機調速器2021年3月～11月壓油泵啟停時間間隔數據，按開、停機工況區分，繪制曲線圖如圖4。

圖4 5號機調速器開機時壓油泵時間間隔曲線

圖5 5號機調速器停機時壓油泵時間間隔曲線

圖中較低位置均為開停機瞬間或調頻期間，調速器動作消耗油壓造成，過高位置為系統誤差，與2號機分析過程類似，從圖像中可知，5號機在停機時，油泵啟停時間間隔變化平穩，在3～4 h之間，無惡化趨勢，開機過程因圖4坐標軸區間過大，不易觀察，現截去大于5 h的誤差值，重新繪制圖像如圖6所示。

圖6 5號機調速器停機時壓油泵時間間隔（＜5 h）曲線

從圖6中可以看出，5號機開機過程油泵起停時間間隔趨勢較為平穩，無明顯惡化趨勢，均值在2 h左右，而此前報警時間段為圓圈圈中部分，查閱該時間段機組工況及壓油槽油壓數據，截取圖形如圖7所示。

圖7 5號機調速器圓圈部分曲線

從圖7中可以看出，該時間段機組開機過程調功頻繁，引起壓油泵啟停頻繁，時間間隔縮短[2]，為正?，F象，與此同時，在滿負荷穩定工況下，電站檢查5號機調速器回油箱，內部情況與2號機類似，主配回油管上方液面存在翻油現象。

3 原因分析

根據電站主配壓閥結構，當機組處于開機時，主配在未接收操作指令時處于中位，在停機時由于停機電磁閥投入主配控制腔失壓而處于關機位。調速器壓油泵啟停時間間隔縮短直接原因為壓油槽失壓較快，結合回油箱內主配回油管上方液面翻油現象，可得出以下幾種可能。

（1）主配壓閥活塞與襯套之間因磨損、劃傷等原因導致間隙變大[3]（原始間隙0.015～0.025 mm），造成壓力油通過閥芯間隙流入回油腔；因目前可觀測到泄漏量較大，而閥芯閥套磨損所造成的間隙增大是一個長期且不可逆的過程，且往往伴隨著導葉波動增大。

（2）主配壓閥襯套與回油腔O型密封破損，造成回油腔與壓力腔連通，來自壓油槽的壓力油不斷通過該破損處，流入回油箱。

（3）主閥活塞中位漂移[4]，即閥芯閥盤與襯套過油口中心未完成對正，因調速器設計考慮調節靈敏度，主配壓閥行程均設計為較小數值，當中位存在微小漂移時，造成主配上、下閥盤不能完全隔離主配閥體各腔。導致開機腔（下漂移）或關機腔（上漂移）與回油腔聯通，壓力油持續泄壓至回油箱，使主配頻繁動作，開始向上述泄壓腔補油，壓油槽壓力消耗加快，壓油泵啟停時間間隔縮短。

此外，在調速器液壓系統油溫度較高時，油的黏度降低，流動性更強，通過活塞與襯套間隙損失至回油箱的壓力更多，壓油泵啟停時間更短，這與停機過程壓油泵啟停時間間隔隨季節變化趨勢相符。

4 處理

針對上述分析，為保障機組安全穩定運行，避免壓油泵啟停時間間隔持續縮短導致的壓油槽補壓故障，調速器液壓系統動力模塊失效，影響機組安全穩定運行，在機組檢修前，電站采取了以下預控措施。

（1）持續關注2號、5號機組壓油泵啟停時間間隔趨勢，提前做好搶修準備，避免啟停時間進一步縮短影響機組調速器正常功能；

（2）持續關注2號、5號機穩定工況下導葉運行規律，將其與壓油槽油壓變化趨勢進行關聯性分析，預防泄壓速度加快造成的波動值擴大；

（3）持續關注2號、5號機穩定工況下回油箱主配下方油面波動情況，結合壓力變化數據，記錄觀測內漏量變化。

通過長時間巡檢觀測，2號、5號機組調速器健康狀態穩定，未出現進一步惡化趨勢，為徹底處理該問題，電站在檢修過程中，逐一完成2號、5號機組主配壓閥解體檢修。

通過解體檢修，主配壓閥活塞與襯套間隙及主配壓閥襯套與回油腔O型密封均正常，但在無水調試中，接力器漂移達標但存在向關機方向移動趨勢（2號機：0.2 mm/30 min；5號機：0.24 mm/30 min），根據DL/T 496-2016《水輪機電液調節系統及裝置調整試驗導則》中4.8.4.4內容：“對于積分式手動操作方式，釋放接力器鎖錠后，先用手動操作機構將主接力器調整至任一位置，然后調整手動操作機構和主配壓閥的中間位置，使主接力器在手動操作機構復中時穩定于任意位置，同時主接力器30 min內位置漂移不得超過±0.2%”[5]，電站調速器接力器活塞全行程為860 mm，調整后反復測定漂移速度小于1.72 mm/30 min則為合格可知，電站接力器漂移數據達標，無需調整，但確實存在主閥活塞向下漂移，造成開機腔持續泄壓至回油箱，最終導致壓油泵啟停時間縮短的情況。

主配壓閥活塞向下漂移，主要原因為自復中結構定值發生變化，需在檢修過程中，不斷通過試驗，調整中位定值，最終達到無內泄的理想目的，在檢修過程中，電站通過適宜性調整，最終完成中位定值復歸，壓油泵打油時間間隔延長至4 h，實現隱患排除。

5 結語

本案例借助遠程運維系統趨勢分析預警，通過大數據分析的辦法，提前發現2號、5號機組調速器壓油泵打油時間間隔縮短異常，進而通過原理及結構分析，鎖定機組壓油泵打油時間縮短的根本原因，最終在檢修過程中得以驗證及解決，是遠程運維系統趨勢預警效果驗證的一次良好實踐，不僅對水電站調速器壓油泵同類型故障診斷分析具有借鑒意義，同時對高自動化智慧水電建設及應用，提供了寶貴的實踐經驗。