抽水蓄能機組單導葉控制不同步故障分析與處理

彭煜民，袁豐江

（廣州蓄能水電廠，廣東 廣州 510950）

0 引言

廣州抽水蓄能電站主要為南方電網(wǎng)、香港電網(wǎng)提供調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)壓服務。其中A廠4臺機組的調(diào)速器采用傳統(tǒng)控制環(huán)控制；B廠4臺機組的調(diào)速器采用單導葉控制。單導葉控制方式與傳統(tǒng)控制環(huán)控制方式相比，具有導葉調(diào)節(jié)方式靈活、水車室檢修空間大等優(yōu)點。但這種控制方式控制元件太多，要求質(zhì)量必須可靠，而且導葉的開啟同步性能也必須好，否則容易發(fā)生導葉不同步故障。2005年以前，廣蓄B廠調(diào)速器由于缺乏有效的運行數(shù)據(jù)監(jiān)測分析窗口，使得調(diào)速器故障后檢修人員很難準確判斷其真正的故障原因。為此，2005年電廠技術(shù)人員研發(fā)了一套調(diào)速器導葉監(jiān)視系統(tǒng)，實現(xiàn)了對導葉控制多個環(huán)節(jié)的監(jiān)視。在專用的監(jiān)視計算機上可以對導葉開度的設定值、平均值、反饋值以及發(fā)送給電液轉(zhuǎn)換器的控制電流信號進行監(jiān)視，以了解整個導葉閉環(huán)控制回路的運行狀態(tài)。另外，該系統(tǒng)還增加了導葉不同步的預警功能，在導葉不同步跳機的3%設定值之前設定一個2%一級報警值，該信號會送到監(jiān)控系統(tǒng)上位機報警顯示，以便通知檢修人員及時進行跟蹤處理。

1 故障現(xiàn)象

2006年6月1日開始，8號機 （B廠）接連發(fā)生6次在發(fā)電工況啟動時因為導葉不同步故障而啟動失敗的事件，且故障現(xiàn)象基本相同。

圖1和圖2分別是2006年8月4日09:45 8號機發(fā)電工況啟動失敗時導葉監(jiān)視系統(tǒng)記錄的導葉開度曲線和控制電流曲線。

圖1 導葉開度曲線

圖2 導葉控制電流曲線

機組啟動失敗的直接原因是導葉開度平均值與導葉開度設定值之間的差值超過3%，延時40 s鐘跳機。如圖1所示，在導葉設定值為9%左右時，大部分導葉開度還都在2%左右，只有14號導葉達到4.5%左右 （導葉同步功能強制它不能再開大）。顯然，導葉平均值只有2%多一些，與9%的導葉設定值差的太多，最終大于跳閘設定值3%超過40 s鐘而跳機。

2 故障分析

廣蓄B廠采用德國伏伊特 （VOITH）公司生產(chǎn)的單導葉控制調(diào)速器，其調(diào)速器單導葉控制閉環(huán)結(jié)構(gòu)見圖3。

單導葉共有20個，為了精確調(diào)節(jié)每個導葉的開度，各導葉均配置了1套精密元件參與控制，這些元件構(gòu)成了20個導葉控制環(huán)，任意1個元件故障均可導致控制環(huán)故障，而控制環(huán)故障又可直接導致機組跳閘。

圖3 調(diào)速器單導葉控制閉環(huán)結(jié)構(gòu)示意

為此，對導葉控制環(huán)各部件故障的可能性進行分析排查。

（1）PLC（可編程邏輯控制器）。從圖1可看到導葉開度設定值已經(jīng)正常發(fā)出，說明調(diào)速器PLC單元是正常工作的，排除了PLC控制單元故障的可能性。

（2）VCA3電流放大卡。在圖2中，導葉控制電流除了14號導葉為250 mA外，其他的導葉控制電流都達到最高的340 mA。對比圖1和圖2發(fā)現(xiàn)，14號導葉的開度最大，但它所使用的控制電流最??；其他導葉的開度都小，但控制電流卻都達到了上限值。查看其他時段的曲線，并對調(diào)速器進行相關(guān)試驗，得出的結(jié)論是：導葉開的越快，其控制電流越小；導葉開的越慢，其控制電流越大；如果導葉在開啟時停滯不動，則控制電流將達到最大值。也就是說，控制電流與導葉開關(guān)速度成反比。進行靜水開導葉試驗并結(jié)合圖2中的電流情況判斷，VCA3電流放大卡也不存在問題。

（3）導葉開度反饋傳感器。在靜水開導葉試驗時，開度反饋傳感器工作正常。此因素排除。

（4）導葉接力器。在靜水開導葉試驗中導葉開關(guān)均正常，導葉接力器活塞卡澀的可能性也被排除。

為了進一步排查電液轉(zhuǎn)換器、主配壓閥和導葉本體故障的可能性，技術(shù)人員直接對導葉接力器中的開啟和關(guān)閉腔進行了壓力監(jiān)測。2006年8月7日20:14 8號機發(fā)電工況啟動失敗時16號導葉相關(guān)信號波形見圖4。8號機發(fā)電工況啟動成功時16號導葉相關(guān)信號波形見圖5。

從圖4可以看出，在導葉開度設定值上升過程，導葉接力器的開啟腔和關(guān)閉腔壓強都進行了切換反轉(zhuǎn)，說明電液轉(zhuǎn)換器和主配壓閥已經(jīng)正確動作，此時接力器開啟腔和關(guān)閉腔壓差達到6.3 MPa。這就排除了電液轉(zhuǎn)換器和主配壓閥故障的可能性。但記錄儀上顯示導葉開度平均值卻只開到2%左右。

圖4 8號機發(fā)電工況啟動失敗時16號導葉相關(guān)信號波形示意

圖5 8號機發(fā)電啟動成功時16號導葉相關(guān)信號波形示意

從圖5可以看出，當8號機發(fā)電工況啟動成功時，導葉接力器開啟腔和關(guān)閉腔壓強在調(diào)速器開度設定值發(fā)出時也是1次切換反轉(zhuǎn)過來，但在導葉開啟過程開啟腔壓強逐漸減小同時關(guān)閉腔壓強開始回升，但整個開啟過程開啟腔的壓強都比關(guān)閉腔大。而在導葉保持平衡位置不動時，關(guān)閉腔的壓強又上升超過開啟腔壓強。這是因為活塞連桿的存在使得接力器開啟腔活塞的面積要比關(guān)閉腔大。根據(jù)計算公式F（壓力）＝P（壓強）×S（面積），要使導葉保持在平衡位置，關(guān)閉腔的壓強須大于開啟腔壓強，以保證活塞兩端受力平衡。

比較圖4和圖5，調(diào)速器控制系統(tǒng)兩次啟動的電氣信號都是一樣的，唯一不同的地方是導葉接力器兩端的壓強變化情況。圖5中，接力器兩腔壓強在導葉開啟后一直變化；而圖4中兩個腔的壓強在主配壓閥切換油路后就一直保持不變。也就是說，接力器活塞在兩邊壓差達到6．3 MPa的情況下仍然無法動作，前面已通過靜水開導葉試驗排除了接力器卡澀的可能性。因此，8號機發(fā)電工況啟動失敗的真正原因很大可能在于導水機構(gòu)本身，其中導葉開啟阻力太大是重點懷疑的對象。

接下來進行了機械回路的試驗。將球閥下游密封打開，使得漏水能進入導水機構(gòu)，在有水壓力的情況下手動開啟導葉，但絕大部分導葉開度到達2%就停止開啟，而接力器兩腔壓力正常 （在靜水手動開導葉時導葉能正常開關(guān)）。這直接說明了導葉開啟機構(gòu)存在卡澀現(xiàn)象。至此8號機導葉開啟不同步故障的原因基本確定。

在查找故障過程中，發(fā)現(xiàn)導葉不同步故障總是發(fā)生在發(fā)電工況，而水泵工況卻正常。由特意錄取的發(fā)電工況、水泵工況和靜水3種情況下導葉接力器兩端的壓強變化曲線 （如圖6、7、8所示），發(fā)現(xiàn)在發(fā)電工況時導葉開啟所需的壓差 （4 MPa）比抽水工況時導葉開啟壓差 （0．6～1．8 MPa） 大很多。 這充分說明發(fā)電工況時導葉開啟受到的阻力比抽水工況大很多，正是因為這個原因使得導葉不同步故障總是發(fā)生在發(fā)電工況。而靜水開導葉時關(guān)閉腔壓強略大于開啟腔。

圖6 8號機發(fā)電工況啟動時的接力器壓差曲線

圖7 8號機抽水工況啟動時的壓差曲線

圖8 8號機靜水開導葉時的壓差曲線

3 故障原因

8號機于2007年2月25日到4月20日退出備用進行了水輪機大修，主要目的就是處理導葉不同步故障。對導水機構(gòu)的解體檢查發(fā)現(xiàn)，導水機構(gòu)多個部件損壞嚴重：①導葉軸套密封粉碎性損壞；②導葉上端面除4、5、15、18號的小頭未損傷，其余導葉上端面大小頭都有不同程度的損傷，而下端面基本無磨損。③頂蓋上抗磨板磨損嚴重；④下軸套的進水方向全部存在偏磨，最大偏磨量達1 mm；⑤導葉拐臂止推環(huán)磨出臺階面，止推環(huán)壓板有磨損。

根據(jù)設備損壞情況綜合分析，確定了8號機在發(fā)電工況啟動導葉不同步故障的直接原因為：①導葉軸套密封損壞嚴重，導葉軸套嚴重漏水。在發(fā)電工況啟動過程球閥開啟后，導葉下軸套漏水壓力很難通過排水管釋放，造成導葉上抬，導葉上端面與抗磨板碰磨。②機組剛啟動時，由于上游高壓水全面作用在導葉進水邊，導葉軸頸偏移，使導葉軸套偏磨，自潤滑材料沖刷失效，造成導葉軸頸與軸套之間摩擦力矩增加。

導葉受到軸套摩擦力矩與上抗磨板碰磨的摩擦力矩之和大于接力器操作力矩與水力矩之差，很容易引起在機組剛開啟時導葉拒動。等到機組轉(zhuǎn)速上升至300 r/min后，轉(zhuǎn)輪室壓強才由0.8 MPa上升到5 MPa左右，此時導葉出水邊 （發(fā)電工況）壓力抵消導葉進水邊壓力，導葉偏移相應減少或消失，摩擦力矩也隨之降低。這也是為什么只要機組成功轉(zhuǎn)到高轉(zhuǎn)速后機組即運行正常的原因。

導致導葉不同步故障的間接原因為：①2003年8號機蝸殼排氣手動閥閥心脫落，造成機組調(diào)相工況運行水環(huán)排水不暢，轉(zhuǎn)輪室溫度過高，使得導葉軸套密封高溫加速老化、碎裂，軸套漏水嚴重。②導葉止推環(huán)與壓板磨損嚴重，止推環(huán)和壓板的結(jié)合面總磨損量超過導葉上端面間隙，使得止推環(huán)沒有起到止推的作用，未能減少導葉上端面與抗磨板之間的摩擦。

而抽水工況啟動時之所以沒有導葉開啟困難的情況出現(xiàn)，是因為當抽水工況啟動時，轉(zhuǎn)輪室經(jīng)歷回水排氣過程后轉(zhuǎn)輪室內(nèi)產(chǎn)生5 MPa左右關(guān)閉揚程，導葉進出水邊壓力相差不大，導葉不會產(chǎn)生很大的偏移，此時的摩擦力矩較小。

4 故障處理和預防措施

（1）對損傷嚴重的導葉端面用鎢極惰性氣體焊進行修復，輕微的用金屬修補劑進行修補。

（2）頂蓋上抗磨板磨損部位經(jīng)修磨后用金屬修補劑進行修補。

（3）軸套密封全部更換成耐高溫材料密封。

（4）導葉上中下所有軸套均更換自潤滑軸套備品。

（5）所有的止推環(huán)都作更換處理，將止推環(huán)壓板進行磨平處理，回裝時控制導葉上抬間隙在0.03～0.07 mm設計范圍內(nèi)。

（6）更換蝸殼排氣手動閥，由閘閥改型為球閥，防止閥心脫落。

（7）導葉下軸套腔體接通尾水泄壓改為導葉中心鉆孔后頂蓋排水泄壓。

在2007年8號機組水輪機大修結(jié)束交回系統(tǒng)后至今，8號機未再出現(xiàn)因?qū)~不同步故障而跳閘的事件，該故障得到了很好的解決。這也為處理單導葉控制調(diào)速器故障提供了經(jīng)驗。