兩起水輪機調(diào)速器故障的分析與處理

張中弛

（福建永泰閩投抽水蓄能有限公司，福建 福州 350700）

0 引言

調(diào)速器承擔了機組頻率調(diào)節(jié)、有功功率調(diào)節(jié)、開度調(diào)節(jié)的重要任務，一旦出現(xiàn)異常就可能導致導葉開度的大幅度波動，甚至造成機組事故停機。因此調(diào)速器一般采用冗余設計，重要的控制、測量、反饋、執(zhí)行元件都設有雙套，甚至三套，采取“主備用”或者“三選二”的方式，主用元件故障立即切換至其他備用元件工作，基本可以實現(xiàn)導葉開度、機組負荷無擾動的切換，有效保證了機組運行可靠。

但是在電站實際生產(chǎn)運行中，仍然存在由于單一元件的工作不穩(wěn)定或失效導致機組緊急停運的風險，影響發(fā)電機組甚至是電網(wǎng)安全。這其中既有元件自身產(chǎn)品質(zhì)量的問題，也有控制邏輯設計的不合理，還有安裝調(diào)試過程中由于不當操作埋下的隱患，最終在一定條件下觸發(fā)，造成事故發(fā)生。

1 概述

1.1 調(diào)速器工作原理

水輪機調(diào)速器通常由控制元件、測量元件、反饋元件和執(zhí)行元件構成，其直接控制對象是接力器，通過動作接力器，改變導葉開度大小，調(diào)整沖擊轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動的水流量，也就是調(diào)整水輪機所吸收的水能，實現(xiàn)對水輪機轉(zhuǎn)速或發(fā)電機輸出功率的控制。

在控制過程中，調(diào)速器要測量水輪發(fā)電機組的頻率、有功功率、導葉位移（開度）、水頭等變量，計算測量值與目標值（給定值）的偏差，然后將偏差值轉(zhuǎn)化為控制信號，經(jīng)過信號放大、電液轉(zhuǎn)換，控制液壓操作機構動作接力器，調(diào)整導葉開度大小，最終完成對水輪發(fā)電機組頻率或有功功率的閉環(huán)調(diào)節(jié)，并能執(zhí)行機組開停機、工況轉(zhuǎn)換、事故停機等操作[1]。

1.2 調(diào)速器結構組成[1，2]

調(diào)速器一般由電氣控制柜、機械操作柜、電液隨動裝置、事故配壓閥、分段關閉裝置、油壓裝置及其控制柜等組成。

電氣控制柜是調(diào)速器系統(tǒng)的核心，它釆集機組的導葉開度、有功功率、頻率、水頭等信息，通過控制流程和導葉開度給定值，轉(zhuǎn)換成相應的電氣量輸送到機械操作柜。液壓操作柜主要配置比例伺服閥放大器和手動增減、停機等操作回路，將電氣控制柜信號進行傳遞和放大，并對液壓系統(tǒng)進行各種控制操作。

電液隨動裝置配置了比例伺服閥和主配壓閥，對電氣控制柜信號進行電液轉(zhuǎn)換，并進行液壓放大。事故配壓閥主要在調(diào)速器電氣或液壓系統(tǒng)失靈時，能夠緊急關閉導葉。分段關閉裝置需根據(jù)調(diào)節(jié)保證設計的要求進行配置，用來實現(xiàn)導葉分段關閉規(guī)律。油壓裝置通常包括壓力油罐和回油箱及其附屬自動化元件，對控制導葉開啟和關閉提供操作能量。油壓裝置控制柜的功能是通過對油泵的啟?？刂坪妥詣友a氣控制來維持壓力油罐的油壓穩(wěn)定和合理的油氣比。

2 案例1：機頻采樣故障信號異常

2.1 故障現(xiàn)象

某大型電站機組在發(fā)電狀態(tài)時，調(diào)速器判斷出現(xiàn)機頻采樣故障，開出故障信號至監(jiān)控系統(tǒng)。經(jīng)運行人員現(xiàn)地確認頻率信號無異常后，在調(diào)速器電氣控制柜觸摸屏上點擊故障復歸按鈕，故障開出信號仍繼續(xù)保持，無法復歸。

2.2 原因分析

電站在該異常情況出現(xiàn)前，對調(diào)速器進行了技術改造，增加了機頻采樣“三選二”功能，機頻采樣由殘壓、齒盤1、齒盤2三路信號組成，同時對機頻采樣故障的判別條件進行了修改，程序邏輯如圖1所示。

圖1 機頻采樣故障判斷邏輯框圖

從程序可以看出，當三路機頻采樣信號（殘壓、齒盤1、齒盤2）均故障，則分別執(zhí)行以下2個運算：

（1）若機組為發(fā)電態(tài)或孤島態(tài)，則自動退出一次調(diào)頻功能、向監(jiān)控系統(tǒng)上送機頻采樣故障信號，若為其他狀態(tài)則復歸一次調(diào)頻自動退出信號、機頻采樣故障信號；

（2）若機組為空載態(tài)，則將導葉切至手動控制；若為其他狀態(tài)則復歸導葉切手動信號。

若三路機頻采樣信號不同時故障，復歸一次調(diào)頻自動退出信號、導葉切手動信號。

機頻采樣故障信號的復歸條件僅為在非發(fā)電態(tài)、非孤島態(tài)下，發(fā)生三路信號同時故障的情況下復歸信號，無法通過觸摸屏或者其他方式復歸。而機組處于靜止態(tài)、開機態(tài)、停機態(tài)時調(diào)速器不判斷機頻采樣故障，發(fā)電調(diào)相態(tài)在該電站不使用，僅為程序內(nèi)預留，因此僅有當調(diào)速器判斷進入空載態(tài)時，模擬三路機頻采樣信號均故障才可復歸。

除了復歸條件設置不當，還因為故障信號誤報導致此次故障發(fā)生。三路機頻采樣信號同時報故障，但現(xiàn)地檢查發(fā)現(xiàn)機頻無明顯異常，基于長期對調(diào)速器運行情況的觀察，綜合判斷應為故障誤報。檢查PLC程序中殘壓偏差過大、齒盤1偏差過大、齒盤2偏差過大的判斷條件，發(fā)現(xiàn)判斷條件中的延時均為0.2 s，考慮到該電站的齒盤測頻一直不穩(wěn)定，延時過短容易導致機頻采樣故障誤報。

2.3 處理措施

明確機頻采樣故障無法復歸是故障判斷的控制程序設計不合理所致后，對調(diào)速器電氣控制柜PLC控制程序進行修改完善：

（1）增加自動判斷復歸故障的條件，當三路機頻采樣信號中任意一路正常后或者在靜止態(tài)，頻率采樣故障自動復歸。

（2）將判斷殘壓偏差過大的延時由0.2 s增加到0.5 s，判斷齒盤偏差過大的延時由0.2 s增加到2 s，進一步減少頻率偏差故障誤觸發(fā)的可能性。

之后又進行了驗證試驗，對修改的這部分程序邏輯進行檢驗，以確保按照設計的故障觸發(fā)和復歸條件正確動作，試驗步驟和試驗結果如下：

（1）在無水狀態(tài)下，調(diào)速器處于靜止態(tài)，切至自動控制，發(fā)開機令（短接開機令輸入端與公共端），調(diào)速器進入開機態(tài)，導葉開啟至空載開度，達到開機限時后進入空載態(tài)。

（2）將繼電保護測試儀（以下簡稱繼保儀）接入調(diào)速器電氣控制柜頻率信號轉(zhuǎn)換器的殘壓、齒盤1、齒盤2采樣輸入通道，對殘壓通道發(fā)AC10 V/50 Hz信號，對齒盤1和齒盤2通道發(fā)AC10 V/100 Hz信號，在觸摸屏信息窗中檢查確認殘壓、齒盤1、齒盤2均顯示為50 Hz。

（3）發(fā)并網(wǎng)令（短接并網(wǎng)令輸入端與公共端），調(diào)速器進入發(fā)電態(tài)。

（4）將繼保儀送殘壓通道信號調(diào)為AC10 V/50.6 Hz，0.5 s后電氣控制柜觸摸屏狀態(tài)報警窗顯示殘壓偏差過大，再斷開齒盤1和齒盤2信號，可以觀察到監(jiān)控系統(tǒng)報調(diào)速器機頻采樣故障動作，故障動作信號上送正確。

（5）重新接入齒盤1和齒盤2信號，可以觀察到監(jiān)控報調(diào)速器機頻采樣故障復歸，故障復歸信號上送正確。再將繼保儀送殘壓通道信號調(diào)為AC10 V/50 Hz，在狀態(tài)報警窗點擊故障復歸，可以觀察到狀態(tài)報警窗上殘壓偏差過大消失。

（6）將繼保儀送齒盤1通道信號調(diào)為AC10 V/ 101.2 Hz，2 s后觸摸屏狀態(tài)報警窗顯示齒盤1偏差過大，再斷開殘壓和齒盤2信號，可以觀察到監(jiān)控系統(tǒng)報調(diào)速器機頻采樣故障動作，故障動作信號上送正確。

（7）重新接入殘壓和齒盤2信號，可以觀察到監(jiān)控報調(diào)速器機頻采樣故障復歸，故障復歸信號上送正確。再將繼保儀送齒盤1通道信號調(diào)為AC10 V/100 Hz，在狀態(tài)報警窗點擊故障復歸，可以觀察到狀態(tài)報警窗齒盤1偏差過大消失。

（8）對齒盤2通道進行與前述第7、8步驟相同操作，狀態(tài)報警窗報警信息顯示、上送監(jiān)控系統(tǒng)的故障動作和復歸信號均正確。

（9）斷開并網(wǎng)令，再發(fā)停機令（短接停機令輸入端與公共端），將繼保儀送殘壓、齒盤1、齒盤2通道信號降至0Hz，之后拆除繼保儀接線和其他短接線，恢復柜內(nèi)接線，試驗結束。

2.4 建議與思考

經(jīng)過故障分析、處理、驗證一系列工作，最終順利將該故障消除，從中可以發(fā)現(xiàn)在故障判斷的邏輯設計時應仔細考量故障的觸發(fā)條件，要結合電站運行的實際情況，對故障判斷的延時條件進行優(yōu)化，使故障既能準確報出又不會因信號的瞬時波動而導致故障信號頻繁上報。對故障復歸的條件應合理設置，在故障消失后自動復歸或在觸摸屏上通過復歸按鈕復歸。在現(xiàn)場條件允許的情況下，針對修改的程序內(nèi)容設計一定的驗證試驗以檢驗程序執(zhí)行過程是否正確也很有必要。

3 案例2：導葉位移傳感器滑塊脫落

3.1 故障現(xiàn)象

某電站機組在發(fā)電狀態(tài)，調(diào)速器報A套PLC導葉反饋故障、A套嚴重故障，主用控制器自動切換至B套PLC。運行人員現(xiàn)地檢查發(fā)現(xiàn)A套導葉開度值為0，B套導葉開度值正常。將PLC主從切換把手切至B主，選擇B套PLC為主用，待機組具備停機條件后繼續(xù)做進一步檢查。

3.2 原因分析

查看調(diào)速器電氣原理圖發(fā)現(xiàn)導葉位移模擬量信號取自安裝在水車室中的導葉位移傳感器，經(jīng)機械操作柜內(nèi)信號隔離模塊，分別送至機械操作柜綜合控制模塊和電氣控制柜PLC。綜合控制模塊再輸出信號至綜合顯示模塊，PLC輸出信號至觸摸屏，實現(xiàn)信號顯示。導葉位移模擬量信號傳輸過程如圖2所示。

圖2 導葉位移模擬量信號傳輸過程

機組停機后，根據(jù)信號傳輸?shù)姆较?，逆向依次檢查電氣控制柜、機械操作柜采集的導葉位移信號。首先檢查電氣控制柜觸摸屏，A套PLC采集到的導葉位移模擬量信號反饋碼值為32 767，并報A套導葉反饋故障、A套嚴重故障。檢查A套PLC到觸摸屏的通信線纜完好，除導葉位移信號外，其他信號在觸摸屏上均正常顯示，初步判斷接入A套PLC的導葉位移信號消失。

檢查機械操作柜綜合顯示模塊，發(fā)現(xiàn)導葉開度顯示為0.0，該顯示模塊信號來自機械操作柜綜合控制模塊1，檢查信號傳輸線纜完好，初步判斷接入綜合控制模塊1的導葉位移信號消失。進入水車室檢查導葉位移傳感器安裝情況，發(fā)現(xiàn)導葉位移傳感器1滑塊已脫落，進一步檢查發(fā)現(xiàn)傳感器滑塊與固定用螺釘間的焊點斷裂，如圖3。

圖3 滑塊與螺釘間焊點斷裂

將螺釘與滑塊重新焊接，之后回裝，檢查各處的導葉位移信號均正常。機組正常開機，并網(wǎng)發(fā)電后約2 h，調(diào)速器報A套PLC導葉反饋故障、A套嚴重故障，主用控制器自動切換至B套PLC。檢查發(fā)現(xiàn)導葉位移傳感器1滑塊再次脫落，在檢查過程中還發(fā)現(xiàn)機組在發(fā)電狀態(tài)下，水車室內(nèi)機組振動較大。

待機組再次停機后對脫落的滑塊進行檢查，發(fā)現(xiàn)滑塊固定用螺釘發(fā)生斷裂，如圖4。判斷是由于焊接及后續(xù)淬火導致螺釘脆化，且水車室內(nèi)振動大，導致螺釘斷裂。

圖4 滑塊固定用螺釘斷裂

3.3 處理措施

考慮到水車室內(nèi)的振動情況，未再對損壞的滑塊進行修復，取導葉位移傳感器滑塊備品進行更換，安裝新的滑塊后，重新開機繼續(xù)觀察，未再出現(xiàn)滑塊脫落情況。電站長期運行后，該機組和電站其他機組均未再發(fā)生導葉位移傳感器滑塊脫落。

3.4 建議與思考

導葉位移傳感器是調(diào)速系統(tǒng)最重要的傳感器之一，一旦滑塊脫落會導致導葉位移信號消失，導葉開度閉環(huán)控制失去反饋值，無法實現(xiàn)自動開度調(diào)節(jié)，嚴重影響機組安全穩(wěn)定運行。在本次故障處理過程中，注意到該電站調(diào)速器配置的是電手動閉環(huán)控制，控制原理如圖5所示，無純手動操作功能。在導葉位移傳感器1故障后，電氣控制柜主用控制器自動切換至B套PLC，雖然機械操作柜綜合控制模塊1的導葉位移信號已消失，但能夠接受B套PLC發(fā)送的控制信號，可以正常調(diào)節(jié)導葉開度，比例伺服閥控制并未失效，不會報出伺服故障，也不會切至導葉位移信號正常的綜合控制模塊2工作。一旦將機械操作柜上的手自動切換把手切換到手動1模式，選擇綜合控制模塊1進行手動調(diào)節(jié)，由于電手動為閉環(huán)控制，而此時綜合控制模塊1接入的導葉位移信號已消失，測量不到反饋值，閉環(huán)控制失效，可能引發(fā)導葉波動。因此在故障排查過程中，特別強調(diào)了機械操作柜不能切至手動1控制，防止故障影響擴大化。

圖5 電手動閉環(huán)控制原理

電站調(diào)速器使用的是非接觸式導葉位移傳感器，與生產(chǎn)廠家了解，滑塊的焊點斷裂導致滑塊脫落是此類型位移傳感器的首次?；瑝K與固定螺釘間的焊點不能承受強扭力，在傳感器安裝過程中，備緊滑塊固定用螺母時，扳手只能對上下螺母緊固，而不能夾在滑塊上施力，否則極易導致焊點被破壞。建議在位移傳感器安裝時，對施工單位人員加強指導，需按照正確的安裝工藝進行操作，避免操作不當造成部件損壞。

4 結語

在電站智能化的發(fā)展浪潮中，越來越多的電站通過采取增加測控裝置、傳感器的方式，以實現(xiàn)更加精準的自動控制，甚至可以達到“缺陷早發(fā)現(xiàn)、故障自診斷”的程度，極大的減輕了電站運維人員的勞動強度。但同時也應當注意到在增加測控裝置的過程中，也增加了控制的環(huán)節(jié)，使程序邏輯更加復雜。新式傳感器的安裝工藝要求更加嚴格，對施工人員的素質(zhì)也提出了更高的要求。

這兩起故障案例都充分暴露出面對新控制理念和新設備器件，應當在設計施工過程中給予更高的關注。程序設計時要仔細考量，不能慣性思維。調(diào)試過程中應進行完備的試驗驗證，找出設計缺陷。安裝操作環(huán)節(jié)更要嚴格按照工藝要求施工，不能憑經(jīng)驗盲目硬干。只有從全環(huán)節(jié)做好質(zhì)量管控，才能更好的發(fā)揮新技術的優(yōu)勢，為電站的安全穩(wěn)定運行提供保障。