單導(dǎo)葉接力器導(dǎo)葉不同步原因分析及故障處理

王 慷，黃中杰

（1.中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗中心，廣東 廣州 511400；2.中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司廣州蓄能水電廠，廣東 廣州 510950）

單導(dǎo)葉接力器導(dǎo)葉不同步原因分析及故障處理

王 慷1，黃中杰2

（1.中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗中心，廣東 廣州 511400；2.中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司廣州蓄能水電廠，廣東 廣州 510950）

廣州抽水蓄能電廠二期的水泵水輪機為高水頭、大容量、高轉(zhuǎn)速的混流式可逆機型。采用單導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)可以簡化導(dǎo)水機構(gòu)布置，提高單個導(dǎo)葉的可控制性。經(jīng)多年檢修經(jīng)驗得知，導(dǎo)葉不同步故障是導(dǎo)水機構(gòu)故障的主要原因之一，從多個方面分析了導(dǎo)葉不同步故障的原因及解決方法，對導(dǎo)葉不同步故障的原因分析及處理有一定指導(dǎo)意義。

抽水蓄能電廠；導(dǎo)葉不同步；導(dǎo)葉開度曲線

0 引言

廣州蓄能電廠（以下簡稱“廣蓄”）位于廣州從化境內(nèi)，總裝機容量2400MW，分A、B廠兩期建成，每期裝機1200MW，共安裝8臺300MW的可逆式水泵水輪發(fā)電電動機組。電站設(shè)計水頭535m，機組額定轉(zhuǎn)速500r/min。其中A廠4臺機組的調(diào)速器采用控制環(huán)結(jié)構(gòu)控制；B廠4臺機組采用單導(dǎo)葉接力器控制。相比控制環(huán)控制結(jié)構(gòu)，單導(dǎo)葉接力器控制更加靈活，但同時投資更大、故障發(fā)生率增大、檢修工作量增加。其中導(dǎo)葉不同步故障就是單導(dǎo)葉接力器故障中常見的一種，2005年以后經(jīng)過技改，增加了一套調(diào)速器導(dǎo)葉監(jiān)視系統(tǒng)，用以記錄監(jiān)視導(dǎo)葉控制各個環(huán)節(jié)。同時還增加了導(dǎo)葉不同步報警跳機裝置，導(dǎo)葉不同步達到2%時發(fā)出報警信號，不同步率達到3%時跳機。

1 廣蓄B廠單導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)介紹

廣蓄B廠調(diào)速器為單導(dǎo)葉控制，共裝有20個接力器和20個電液轉(zhuǎn)換器及20個反饋裝置，單導(dǎo)葉控制的特點有：

（1）單導(dǎo)葉由單獨接力器控制，導(dǎo)葉可設(shè)計為自關(guān)閉趨勢；

（2）每個導(dǎo)葉直接與接力器連接，具有液壓緩沖作用，任何情況下導(dǎo)葉不會失控旋轉(zhuǎn)，不需限位或制動裝置；

（3）結(jié)構(gòu)精簡，不需控制環(huán)，剪斷銷保護機構(gòu)，限位裝置等，頂蓋上方空間闊，便于安裝和維護；

（4）接力器的操作力矩始終受到調(diào)速器油壓系統(tǒng)的壓力限制，使導(dǎo)葉保持在控制之下，不需要制動斷銷保護；

（5）故障概率加大，檢修工作量較大。

1.1 PLC控制單元

廣蓄B廠導(dǎo)葉控制機構(gòu)原理圖見圖1，調(diào)速器單元共有3個PLC組成，其中PLC1和PLC2互相備用，在任何情況下均可對其中之一進行檢修且不影響機組正常運行。PLC3完成單導(dǎo)葉控制，從PLC1和PLC2及反饋機構(gòu)接受信號來控制VCA3放大卡。

圖1 導(dǎo)葉控制機構(gòu)原理圖

1.2 放大單元

單導(dǎo)葉接力器由控制系統(tǒng)現(xiàn)地可編程控制器PLC3、輸出放大器VCA3與20組單導(dǎo)葉控制機構(gòu)組成。PLC3將計算出的導(dǎo)葉開度傳遞給接力器的放大單元VCA3卡中，VCA3卡將接收到的信號轉(zhuǎn)換為0～300mA的電信號傳遞給電液轉(zhuǎn)換器來控制接力器開啟關(guān)閉行程。

1.3 執(zhí)行單元

由20個接力器分別驅(qū)動20導(dǎo)葉，接力器全行程262.5mm，壓緊行程1.7mm；

導(dǎo)葉全開時轉(zhuǎn)角為26°，控制電流4～20mA，全開時間25s，全關(guān)時間38s，采用一段關(guān)閉規(guī)律。

2 導(dǎo)葉不同步的危害

機組導(dǎo)葉開啟關(guān)閉不同步時導(dǎo)致機組各個導(dǎo)葉開度不統(tǒng)一，蝸殼內(nèi)壓力水不能均勻?qū)ΨQ的進入轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪四周壓力不同，導(dǎo)致水力不平衡，加劇機組的振動和擺度，同時也加劇了機組的汽蝕，使機組壽命大大減短[1]。

而同時大型水輪發(fā)電機組因為水力振動引起的機組穩(wěn)定運行問題越來越多，主要有運行時間不長，轉(zhuǎn)輪就出現(xiàn)嚴重裂紋；部分負荷下尾水管內(nèi)出現(xiàn)渦帶，引起水流壓力脈動導(dǎo)致機組擺度加?。粡S房振動加劇，影響機組安全穩(wěn)定運行；與固定部分碰撞，瓦摩擦加劇，瓦溫升高[2]；加劇機組擺度等。機組擺度較大的危害主要有導(dǎo)瓦摩擦加劇，瓦溫升高嚴重；導(dǎo)致發(fā)電機空氣間隙不均勻，電磁振動加劇；水輪機各個方向水力不平衡加劇，加劇機組振動[3]等。

3 導(dǎo)葉不同步故障現(xiàn)象及故障原因分析

3.1 機械原因

3.1.1 導(dǎo)葉軸套卡塞

導(dǎo)葉啟閉過程中由于導(dǎo)葉制造及安裝誤差，致使導(dǎo)葉軸在套筒內(nèi)旋轉(zhuǎn)時各個方向間隙不一，發(fā)生偏磨，加大導(dǎo)葉啟閉摩擦力矩，導(dǎo)致導(dǎo)葉啟閉需要更大力矩引起導(dǎo)葉啟閉不同步。當(dāng)導(dǎo)葉發(fā)生與軸套卡塞時可以從導(dǎo)葉開度曲線上明顯看到故障導(dǎo)葉開度落后，當(dāng)導(dǎo)葉卡塞嚴重?zé)o法動作時，在其他導(dǎo)葉開度達到設(shè)定值時故障導(dǎo)葉仍停留在卡塞位置；當(dāng)導(dǎo)葉卡塞較輕微可以克服時，在卡塞時故障導(dǎo)葉開度落后于其他導(dǎo)葉，在客服卡塞后，由于反饋作用，故障導(dǎo)葉開啟速度加快。

圖2、圖3為機組正常啟動時導(dǎo)葉開度曲線，不同步率小于0.5%。圖4、圖5為2013年3月廣蓄7號機組啟動時監(jiān)控系統(tǒng)接到報警信號，顯示19號導(dǎo)葉不同步率超過2%，10號導(dǎo)葉不同步率接近1%。從導(dǎo)葉啟閉曲線可以看出，10號和19號導(dǎo)葉在開啟初期落后于其他導(dǎo)葉啟閉開度，在導(dǎo)葉即將全開時導(dǎo)葉開啟速度迅速加快。根據(jù)曲線分析，在導(dǎo)葉開啟過程中某點發(fā)生卡塞，在力矩加大度過卡塞點后導(dǎo)葉開啟速度加快，因此判斷為軸套卡塞，根據(jù)檢修中導(dǎo)葉拆解確定故障原因為中軸套和上軸套偏磨嚴重導(dǎo)葉卡塞。

圖2 導(dǎo)葉開啟正常時開度差曲線

圖3 導(dǎo)葉開啟正常時開度差曲線

圖4 導(dǎo)葉開啟不同步時開度差曲線

圖5 導(dǎo)葉開啟不同步時導(dǎo)葉開度差曲線

3.1.2 抗磨板及止推環(huán)卡塞導(dǎo)葉及導(dǎo)葉軸

在機組運行過程中，由于導(dǎo)葉上下斷面間隙不均勻以及水浮力等原因，導(dǎo)葉有向上竄動的趨勢，當(dāng)導(dǎo)葉上移到一定高度后，止推環(huán)被頂起與止推環(huán)壓板摩擦，從而增加導(dǎo)葉啟閉摩擦力矩。機組運行中止推環(huán)磨損，當(dāng)止推環(huán)間隙大于或等于導(dǎo)葉上端面間隙時，導(dǎo)葉上竄時不僅導(dǎo)致止推環(huán)與止推環(huán)壓環(huán)摩擦，而且導(dǎo)致導(dǎo)葉摩擦上抗磨板，從而增加導(dǎo)葉啟閉力矩，致使該導(dǎo)葉啟閉不同步。

發(fā)生此故障時，可以從導(dǎo)葉開度及控制電流曲線上明顯發(fā)現(xiàn)某導(dǎo)葉曲線異于其他導(dǎo)葉曲線。在蝸殼排水后，通過觀察和測量導(dǎo)葉上端面間隙及止推環(huán)磨損量、止推間隙即可確定導(dǎo)葉上端面是否與上抗磨板發(fā)生卡塞及止推環(huán)與止推環(huán)壓環(huán)發(fā)生卡塞。在2006年6月至8月廣蓄B廠8號機曾因為此故障導(dǎo)致6次發(fā)電工況啟動失敗。

3.2 控制系統(tǒng)故障

3.2.1 PLC信號未正常發(fā)出

根據(jù)圖1單導(dǎo)葉控制結(jié)構(gòu)示意得知，PLC3可編程邏輯控制器向VCA3電流放大卡傳遞開度設(shè)定值及開度平均值。如若PLC控制信號為正常發(fā)出，在電流放大卡VCA3中則沒有電流信號，此時檢查導(dǎo)葉控制電流曲線應(yīng)沒有曲線存在。

此外，廣蓄B廠PLC3卡為公用卡，PLC3向20個電流放大卡發(fā)送開機信號且設(shè)定開度相同，故不會有邏輯錯誤導(dǎo)致各個導(dǎo)葉電流放大卡接收到不同導(dǎo)葉開度信號的情況發(fā)生，如若出現(xiàn)此故障則有可能是線路連接松動及電路干擾等原因，此時自動化人員對PLC進行試驗即可發(fā)現(xiàn)故障并解決。

正常機組運行中PLC出現(xiàn)硬件及邏輯故障的概率極小，一般不認為PLC故障是導(dǎo)致導(dǎo)葉不同步的主要原因。

3.2.2 VCA3電流放大卡故障

廣蓄B廠調(diào)速器控制系統(tǒng)中PLC1、PLC2、PLC3均為公用卡，采用電壓并聯(lián)方式送至20個VCA3卡中，控制電流大小決定電液轉(zhuǎn)換器閥芯上升量，決定油口開度，導(dǎo)葉啟閉速度越快，其VCA3卡中控制電流越小；導(dǎo)葉啟閉速度越慢，其VCA3卡中控制電流越大；若導(dǎo)葉停滯不動則其控制電流達到最大值，即導(dǎo)葉啟閉速度與控制電流成反比。發(fā)生導(dǎo)葉不同步故障后，根據(jù)當(dāng)時導(dǎo)葉控制電流曲線，依據(jù)各個導(dǎo)葉控制電流值的不同來分析導(dǎo)葉的不同步故障，當(dāng)某個導(dǎo)葉控制電流明顯大于或小于其他導(dǎo)葉控制電流，則認為該電流放大卡故障，電流放大卡故障后導(dǎo)葉將失去控制。

圖6和圖7為廣蓄7號機組在發(fā)電工況和泵工況啟動過程中導(dǎo)葉控制電流曲線，兩組曲線均為正常情況下導(dǎo)葉開啟曲線，由于采取閉環(huán)控制，電流大小不僅決定了導(dǎo)葉啟閉速度也反映了導(dǎo)葉開啟情況。如果某個電流放大卡發(fā)生故障則該導(dǎo)葉失去控制后控制電流曲線將消失或者出現(xiàn)無規(guī)律大波動[4]。

圖6 發(fā)電工況下導(dǎo)葉控制電流曲線

圖7 抽水工況下導(dǎo)葉控制電流曲線

3.2.3導(dǎo)葉反饋傳感器故障

當(dāng)導(dǎo)葉不同步報警時，控制系統(tǒng)最有可能發(fā)生的故障即為導(dǎo)葉位置反饋傳感器故障，發(fā)出錯誤導(dǎo)葉開度信號。

當(dāng)反饋傳感器反饋錯誤的導(dǎo)葉開度信號，會引起報警甚至跳機。導(dǎo)致反饋傳感器誤差增大的原因有振動導(dǎo)致傳感器部件松動和傳感器電子元件損壞。因此通過對傳感部件緊固后做靜水啟閉試驗，若故障現(xiàn)象還存在則證明與傳感器部件松動無關(guān)；再校驗傳感器反饋信號，如果校驗結(jié)果不符合要求，則證明位置傳感器存在故障，需要更換。

3.3 油系統(tǒng)故障

3.3.1 接力器油缸漏油

在導(dǎo)水機構(gòu)工作過程中，接力器油缸油液滲漏是造成導(dǎo)葉開啟不同步的原因之一。接力器端蓋在長時間使用過程中由于振動等原因?qū)е露松w密封損壞，接力器油缸內(nèi)有壓時少量油液從端蓋露出，由于油的可壓縮性小，少量的漏油會使接力器壓力腔壓力下降明顯，從而導(dǎo)致受力面壓力下降，接力器活動速度減慢造成導(dǎo)葉啟閉不同步。當(dāng)端蓋漏油現(xiàn)象比較明顯，發(fā)生導(dǎo)葉啟閉不同步時，對接力器兩腔封閉后進行打壓并使用錄波器錄油壓曲線，根據(jù)曲線上壓力降低速率可判斷接力器密封情況，確認故障后更換泄露處盤根。

3.3.2 電液轉(zhuǎn)換器、主配壓閥或者接力器進油管路故障

電液轉(zhuǎn)換器及主配壓閥故障是導(dǎo)致接力器不同步導(dǎo)致導(dǎo)葉啟閉不同步的主要原因。電液轉(zhuǎn)換器、主配壓閥的油路堵塞是導(dǎo)致接力器高壓腔壓力下降的原因之一；此外，主配壓閥單邊遮程過大（導(dǎo)葉開啟活塞動作方向）會使主配壓閥油口提前打開，使該接力器進油早于其他接力器，壓力上升快于其他接力器，導(dǎo)葉開啟速度較快；同樣當(dāng)主配單邊遮程（導(dǎo)葉開啟活塞動作方向）過短時，該接力器比其他接力器晚動作，導(dǎo)葉開啟速度較慢。電液轉(zhuǎn)換器堵塞時，壓力油進入電液轉(zhuǎn)換器速度較慢，該導(dǎo)葉電液轉(zhuǎn)換器下方的主配壓閥控制壓桿拉起慢于其他導(dǎo)葉，主配壓閥油口開啟較慢，接力器進油量小于其他導(dǎo)葉接力器，導(dǎo)葉開啟慢于其他導(dǎo)葉；而主配壓閥及管路堵塞時，進油速率變慢，接力器開啟腔壓力上升較慢，導(dǎo)葉開啟速度較慢。

當(dāng)主配壓閥單邊遮程過大時，導(dǎo)葉開啟曲線上，從零開度開始，該導(dǎo)葉開度曲線領(lǐng)先于其他導(dǎo)葉開度曲線；而當(dāng)主配壓閥單邊遮程過小時，導(dǎo)葉開度曲線上從零開度開始，該導(dǎo)葉開度曲線落后于其他導(dǎo)葉開度曲線；當(dāng)主配壓閥堵塞時，該導(dǎo)葉開度曲線與其他導(dǎo)葉開度曲線從零開度開始慢于其他導(dǎo)葉且由于進油量小，該導(dǎo)葉開度曲線斜率小于其他導(dǎo)葉；導(dǎo)葉電液轉(zhuǎn)換器堵塞時，曲線與主配壓閥單邊遮程較?。▽?dǎo)葉開啟活塞動作方向）時相同。

電液轉(zhuǎn)換器、主配壓閥及油路堵塞的原因主要為油液過臟，只需清洗電液轉(zhuǎn)換器、主配壓閥及管路，為了保障運行效果需要對調(diào)速器油進行過濾，同時清洗調(diào)速器油過濾器。而主配遮程不合適時需要對電液轉(zhuǎn)換器壓桿進行調(diào)節(jié)，通過電液轉(zhuǎn)換器壓桿控制主配壓閥閥芯位置，使油口兩邊遮程處于合適范圍內(nèi)，避免遮程不均勻造成接力器動作不同步。

3.3.3 接力器活塞密封損壞，接力器啟閉腔漏油

接力器活塞損壞是在檢修中常出現(xiàn)的故障之一，廣蓄B廠接力器密封為矩形盤根密封，運行中由于外力振動及油液過臟均有可能使活塞密封損壞，從而使接力器高壓腔和低壓腔之間漏油。導(dǎo)葉開啟時，接力器開啟腔壓力大于關(guān)閉腔壓力6MPa，達到設(shè)定開度后導(dǎo)葉兩腔壓力趨于平衡，使導(dǎo)葉開度固定在某一開度。而當(dāng)接力器密封損壞后，接力器高壓腔和低壓腔壓力達到平衡要快于其他接力器，接力器兩腔壓差較小，導(dǎo)葉開啟速度慢于其他導(dǎo)葉。通過比較接力器高壓腔和低壓腔壓力平衡曲線即可發(fā)現(xiàn)該故障，發(fā)生故障的接力器壓力達到平衡時間明顯短于其他接力器壓力平衡時間，如圖8、圖9所示。檢修時當(dāng)活塞使用金屬密封時需要對接力器活塞進行修補或更換，使用盤根密封時打開接力器更換盤根，即可排除該故障。

圖8 活塞密封故障時兩腔壓力曲線

圖9 活塞正常時兩腔壓力曲線

3.3.4 接力器活塞與油缸壁卡塞

安裝時導(dǎo)葉接力器安裝水平度不符合要求，致使運行中導(dǎo)葉接力器活塞與活塞缸卡塞摩擦力矩加大，使導(dǎo)葉啟閉力矩加大，導(dǎo)致導(dǎo)葉啟閉不同步故障。

當(dāng)導(dǎo)葉不同步報警信號發(fā)出后，測量報警導(dǎo)葉的水平度及拐臂與連桿角度即可確定接力器位置是否滿足要求，水平度等不符合要求時，即可打開接力器觀測活塞與油缸摩擦情況。

4 結(jié)語

單導(dǎo)葉接力器相比于控制環(huán)操作機構(gòu)有諸多優(yōu)點，便于實現(xiàn)智能控制從而獲得良好的動態(tài)特性和靜態(tài)特性。但是，單導(dǎo)葉接力器較高的故障率是單導(dǎo)葉接力器全面推廣的一大難題，導(dǎo)葉不同步故障是單導(dǎo)葉接力器常出現(xiàn)的故障，準(zhǔn)確快速的檢查出導(dǎo)葉不同步故障原因及制定檢修計劃是提高導(dǎo)葉不同步故障的檢修成功率的重要環(huán)節(jié)，而提高檢修成功率是維護機組正常安全運行重要支撐。本文對多種導(dǎo)葉不同步故障的原因分析在電廠檢修實踐中得到了驗證，對導(dǎo)葉不同步故障原因的分析及檢修有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

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TV734.4

B

1672-5387（2015）S-0022-05

10.13599/j.cnki.11-5130.2015.S.007

2015-10-23

王 慷（1991-），男，助理工程師，從事水電廠機械檢修工作。