一起調(diào)速器主配異常動作的原因分析與處理

黃 銀，母 冬，王乙力

（1.華電貴州烏江水電開發(fā)有限公司構(gòu)皮灘發(fā)電廠，貴州 遵義 564408；2.華電貴州烏江水電開發(fā)有限公司烏江渡發(fā)電廠，貴州 遵義 563104）

0 引言

構(gòu)皮灘發(fā)電廠位于貴州烏江中游，共安裝有5 臺單機(jī)600 MW 的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，其水輪機(jī)調(diào)速器采用ALSTOM 公司生產(chǎn)的WB（L）DT-6.5-250 型調(diào)速器，該型調(diào)速器機(jī)械部分采用德國BOSH 公司比例閥伺服系統(tǒng)＋日本三洋公司步進(jìn)式無油自復(fù)中伺服系統(tǒng)。調(diào)速器主配壓閥采用三閥盤等徑閥芯，配壓閥上腔為控制腔，下腔為恒壓腔，上腔受力面積為下腔受力面積的2 倍。當(dāng)上腔通壓力油時，主閥芯向下運動；當(dāng)上腔通排油時，主閥芯向上運動；當(dāng)上腔被封閉時，主閥芯穩(wěn)定不動。設(shè)備自2009 年投產(chǎn)以來已運行14 年，由于投產(chǎn)初期系統(tǒng)油質(zhì)較差，加之主活塞、上下輔接等運動部件的長期運行磨損，導(dǎo)致調(diào)速器系統(tǒng)內(nèi)漏嚴(yán)重，系統(tǒng)油溫逐漸上升，壓油裝置油泵長期連續(xù)運行、缺陷頻發(fā)。因此很有必要對調(diào)速器機(jī)械部分進(jìn)行升級改造，從而解決上述缺陷隱患。

1 構(gòu)皮灘調(diào)速器液壓系統(tǒng)組成及工作原理

構(gòu)皮灘發(fā)電廠調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)由雙精濾油器（301LP）、主配壓閥（301DV）、同服電機(jī)直線位移轉(zhuǎn)換器（301ET）、緊急停機(jī)電磁閥(303EV)、比例伺服閥（301PV）、手/自動切換閥（302EV）等元件組成。

液壓系統(tǒng)原理如圖1 所示，來自于供油裝置的主壓力油，分為兩路，一路為操作油，進(jìn)入主配壓閥(301DV)的壓力腔和恒壓腔;一路經(jīng)過雙精油濾器(301LP)輸出控制用油。進(jìn)入主配壓閥（301DV）活塞恒壓腔的壓力油，始終具有推動主活塞向關(guān)閉方向運動的力。經(jīng)過雙精濾油器(301LP)的潔凈油，一路依次經(jīng)過比例伺服閥（301PV）、手/自動切換閥（302EV）、緊急停機(jī)電磁閥（303EV、304EV）到主配壓閥(301DV)的控制腔。另一路經(jīng)過引導(dǎo)閥、手/自動切換閥（301EV）、緊急停機(jī)電磁閥（303EV、304EV）到主配壓閥（301DV）的控制腔。

圖1 調(diào)速器液壓原理圖

2 主配壓閥異常動作經(jīng)過

2023 年3 月，構(gòu)皮灘電廠按計劃開展5 號機(jī)組汛前檢修工作，主要涉及“機(jī)組調(diào)速器電氣部分改造”、“機(jī)組調(diào)速器內(nèi)漏過大缺陷處理”等重點技改項目。機(jī)組檢修完成后根據(jù)《5 號機(jī)組C 級檢修啟動試驗方案》要求，進(jìn)行調(diào)速器系統(tǒng)動態(tài)特性試驗，此時調(diào)速器切換至B 套電手動控制模式運行，當(dāng)頻率給定從52 Hz~48 Hz 進(jìn)行大擾動試驗時，機(jī)組活動導(dǎo)葉異常動作，開度瞬間（1.94 s）從13%迅速打開至90.96%，同時機(jī)械柜內(nèi)部發(fā)出劇烈的撞擊聲響，調(diào)速器系統(tǒng)管路出現(xiàn)劇烈振動，機(jī)組115%Ne過速保護(hù)動作停機(jī)，最高轉(zhuǎn)速上升至130%Ne。停機(jī)后為找到引起故障的原因消缺隱患，電廠相關(guān)專業(yè)人員對調(diào)速器機(jī)械管路、電氣回路、試驗步驟、調(diào)節(jié)參數(shù)等進(jìn)行逐一檢查，均未發(fā)現(xiàn)異常。

3 故障原因分析

（1）調(diào)取故障過程中的試驗數(shù)據(jù)錄波（圖2），并結(jié)合監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)反復(fù)對比分析發(fā)現(xiàn)如下異常點：①故障過程導(dǎo)葉開啟速度極快，達(dá)到41.24%/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我廠“調(diào)保計算”整定的導(dǎo)葉開啟速度限制（5.26%/s）；②故障過程中，導(dǎo)葉開度超過了為保證擾動試驗安全而臨時設(shè)定的35%導(dǎo)葉開度限制，達(dá)到90.96%。為進(jìn)一步查找故障原因，在機(jī)組引水壓力鋼管排水后，先后復(fù)核了電氣開限功能、接力器機(jī)械零位、開關(guān)機(jī)時間等參數(shù)，均未發(fā)生偏移與變化，調(diào)速器系統(tǒng)動作正常。

圖2 故障過程錄波數(shù)據(jù)

（2）經(jīng)對事件經(jīng)過及相關(guān)圖像、影音等資料進(jìn)行綜合分析后，可能故障原因如下：

1） 調(diào)速器下輔助接力器閥芯卡阻或下輔助接力器閥芯磨損過大（圖3），從而造成主配快速動作下輔助接力器恒壓腔失壓。

圖3 調(diào)速器主配壓閥

分析：假若調(diào)速器下輔助接力器閥芯發(fā)生卡阻或閥芯因運行磨損較大，在造成恒壓腔失壓等情況后，因主活塞無法復(fù)中，機(jī)組接力器開機(jī)腔一直通系統(tǒng)壓力油，導(dǎo)葉持續(xù)迅速開啟，此時調(diào)速器主配壓閥喪失調(diào)節(jié)功能，這與故障后調(diào)速器能繼續(xù)正常動作并控制導(dǎo)葉開啟與關(guān)閉的實際情況明顯不符。后經(jīng)解體調(diào)速器主配壓閥后，檢查、測量下輔助接力器閥芯未發(fā)現(xiàn)有磨損、卡阻現(xiàn)象，該因素可排除。

2）主配壓閥主活塞與上輔助接力器發(fā)生分離，主活塞行程遠(yuǎn)超設(shè)計允許行程。

分析：我廠調(diào)速器所采用的是ALSTOM 公司較早設(shè)計、生產(chǎn)的的T250 主配產(chǎn)品，該型調(diào)速器主活塞、下輔助接力器、上輔助接力器之間均采用面接觸結(jié)構(gòu)方式進(jìn)行受力與位移的剛性傳遞[1]。主活塞向上動作為關(guān)機(jī)，向下動作為開機(jī)。關(guān)機(jī)時主活塞行程受關(guān)機(jī)限位螺母限制，極限行程受機(jī)械柜上端蓋機(jī)械限制且小于設(shè)計最大允許行程15 mm；正常開機(jī)時，下輔助接力器與主活塞隨動上輔助接力器，行程受開機(jī)螺母限制，而當(dāng)主活塞上腔產(chǎn)生異常背壓時，主活塞向下行程受下輔助接力器與下端蓋限制，其行程遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計最大允許行程15 mm[2]。

結(jié)合本次調(diào)速器系統(tǒng)機(jī)械部分在改造前后設(shè)計、加工、裝配等方面的區(qū)別后發(fā)現(xiàn)，廠家為解決上端蓋內(nèi)漏較大問題，除了對上端蓋整體進(jìn)行改造更換及部分排油管路的優(yōu)化外，還在主活塞上閥盤表面加工了8×Φ16 的排油通孔，用以將主活塞上腔的滲漏油排至開回油腔。但當(dāng)機(jī)組檢修后，在調(diào)速器進(jìn)行上、下擾動試驗過程中，因?qū)~需反復(fù)的開啟與關(guān)閉，主配壓閥油口在壓力油和開回油狀態(tài)下快速反復(fù)切換，開回油腔產(chǎn)生較大的回油，回油管通徑（DN150）小于進(jìn)油管管徑（DN200）,在主配壓閥開回油腔進(jìn)口處將產(chǎn)生局部節(jié)流，導(dǎo)致回油不能快速排出從而產(chǎn)生較大的瞬時壓力，瞬時壓力通過主活塞上閥盤的排油孔進(jìn)入主活塞上腔形成背壓，導(dǎo)致上輔助接力器快速向上運動至限位、主活塞與上輔助接力器脫離后異常快速向下運動，從而造成開機(jī)速率過快且短時無法復(fù)歸，最終導(dǎo)致了本次事件的發(fā)生。

（3）為驗證故障原因準(zhǔn)確性，機(jī)組檢修狀態(tài)下反復(fù)多次開展導(dǎo)葉快關(guān)、快開動作試驗，在導(dǎo)葉正常關(guān)閉后立即進(jìn)行導(dǎo)葉快開操作時，故障現(xiàn)象再次出現(xiàn)，機(jī)組活動導(dǎo)葉異常快開，調(diào)速器機(jī)械柜內(nèi)部產(chǎn)生劇烈撞擊聲響，系統(tǒng)油管發(fā)生劇烈振動。調(diào)速器上輔助接力器向開方向動作后，約1 s 后反向，迅速運動至上限位，導(dǎo)葉仍快速開啟持續(xù)約3 s，充分驗證主配壓閥主活塞和上輔助接力器出現(xiàn)分離并向相反方向運動，進(jìn)一步確定在主活塞上腔產(chǎn)生了異常推力[3]。

4 故障危害

（1）設(shè)計缺陷的隱蔽性。因廠家生產(chǎn)制造車間條件限制，并不具備布置類似電廠現(xiàn)場管路、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)等設(shè)備以及模擬調(diào)速器動態(tài)特性試驗的條件，從而無法全面有效模擬、驗證本次改造設(shè)計的合理性，因此該設(shè)計缺陷隱患未能在出廠驗收階段暴露。

（2）觸發(fā)條件的苛刻性。經(jīng)分析該缺陷隱患需同時具備以下兩個條件才能有效觸發(fā)：①調(diào)速器處于機(jī)組導(dǎo)葉大開度快速關(guān)閉后隨即快速打開工況（例如調(diào)速器空載擾動試驗或機(jī)組測頻回路故障等）；②調(diào)速器主配壓閥主活塞上閥盤表面作用力大于主活塞下閥盤（即主活塞上、下閥盤表面達(dá)到一定壓力差）。

（3）極端條件下調(diào)速器系統(tǒng)主配壓閥失控，并以遠(yuǎn)超調(diào)保計算整定要求的開機(jī)速率將導(dǎo)葉迅速打開至大開度，存在如下重大安全隱患：①機(jī)組轉(zhuǎn)速在極短時間內(nèi)迅速過速115%Ne甚至143%Ne，機(jī)組事故停機(jī)流程啟動；②當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速極速上升過程中，轉(zhuǎn)動部件離心力急劇增加，其振動與擺度可能大幅超過允許值，機(jī)組轉(zhuǎn)動部分與靜止部分可能會發(fā)生碰撞、損壞；③機(jī)組過速會引起設(shè)備過電壓，從而導(dǎo)致設(shè)備絕緣水平降低，嚴(yán)重時絕緣被擊穿將造成事故。

5 故障處理過程

（1）為防止極端狀況下主活塞上腔產(chǎn)生背壓，結(jié)合現(xiàn)場主配壓閥的解體檢查結(jié)果（下輔助接力器柱塞檢查無劃痕與磨損，測量柱塞外徑與配合孔徑數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計要求），經(jīng)充分討論和驗證后決定對主活塞和上輔助接力器間的排油方式進(jìn)行改進(jìn)與調(diào)整，并根據(jù)現(xiàn)場實際情況采取以下處理措施：

1）采用 M18×1.5 的堵頭，封堵主活塞上閥盤8個排油孔；

2）在調(diào)速器控制端蓋上重新開設(shè)Φ16 mm 規(guī)格的油孔，并通過獨立油管排至漏油箱；

3）在不影響調(diào)速器調(diào)節(jié)品質(zhì)的情況下，將電氣控制輸出進(jìn)行一定的限制，減小沖擊。

（2）檢修人員嚴(yán)格按照裝配工藝對調(diào)速器主配壓閥及機(jī)械柜進(jìn)行裝復(fù)，調(diào)速器系統(tǒng)經(jīng)恢復(fù)建壓后，在快速頻繁調(diào)節(jié)下，全過程、反復(fù)多次模擬，均未發(fā)生主配壓閥主活塞異常動作情況，主配壓閥內(nèi)部油流穩(wěn)定無異常聲響、系統(tǒng)管路無異常振動，調(diào)速器靜態(tài)、動態(tài)試驗結(jié)果滿足要求，調(diào)速器調(diào)節(jié)性能穩(wěn)定、調(diào)節(jié)品質(zhì)優(yōu)良。

6 結(jié)語

調(diào)速器主配壓閥是電廠調(diào)速系統(tǒng)的主要控制設(shè)備，其運行故障直接危及發(fā)電機(jī)的主設(shè)備安全，該設(shè)備潛在隱患分析與故障排除是水電技術(shù)的重點內(nèi)容，本次設(shè)備異常動作的分析、論證與處理過程，對于國內(nèi)其他廠站機(jī)組同類型調(diào)速器的改造升級，提供了極具價值的經(jīng)驗借鑒。