某大型水電站機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程中調(diào)速器故障原因分析

李 士 哲， 李 金 輝

(雅礱江流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川 成都 610051)

0 引 言

某大型水電站水輪機(jī)控制系統(tǒng)接收到監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的開(kāi)機(jī)令后，調(diào)速器控制系統(tǒng)能按照既定的開(kāi)機(jī)邏輯，由靜止態(tài)經(jīng)開(kāi)機(jī)過(guò)程轉(zhuǎn)為空載態(tài)，并接受同期指令進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)整，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)態(tài)[1]。當(dāng)開(kāi)機(jī)過(guò)程中出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片、蝸殼、壓力鋼管等造成較大的沖擊，因此調(diào)速器自動(dòng)開(kāi)機(jī)過(guò)程中按照既定邏輯開(kāi)機(jī)尤為重要。

但受工作年限以及現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境影響，調(diào)速器控制系統(tǒng)測(cè)頻元件本身的故障偶有發(fā)生及機(jī)組開(kāi)機(jī)瞬間振動(dòng)較大[2]。當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)若不能及時(shí)進(jìn)行故障定位與診斷，將嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)分析某電站機(jī)組自動(dòng)開(kāi)機(jī)過(guò)程中調(diào)速器故障原因，提出了一種水輪發(fā)電機(jī)組在開(kāi)機(jī)過(guò)程中對(duì)頻率跳變的解決方法，提升了機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程中的穩(wěn)定性和可靠性。

1 某大型水電站調(diào)速器自動(dòng)開(kāi)機(jī)規(guī)律

某大型水電站調(diào)速器開(kāi)機(jī)過(guò)程需經(jīng)歷兩個(gè)階段。在調(diào)速器收到監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)機(jī)令后，先將導(dǎo)葉開(kāi)啟至第一開(kāi)機(jī)開(kāi)度，在開(kāi)機(jī)邏輯中，第一開(kāi)度為當(dāng)前水頭下協(xié)聯(lián)算出的空載開(kāi)度的基礎(chǔ)上再加上15%開(kāi)度。此時(shí)，機(jī)組將獲得比較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。導(dǎo)葉開(kāi)至第一開(kāi)機(jī)開(kāi)度后，機(jī)組頻率快速上升，當(dāng)機(jī)組頻率上升至35 Hz時(shí)，為防止機(jī)組頻率上升速度過(guò)快，調(diào)速器控制系統(tǒng)將導(dǎo)葉調(diào)至第二開(kāi)機(jī)開(kāi)度，第二開(kāi)度為第一開(kāi)度減去10%開(kāi)度。當(dāng)機(jī)組頻率上升到45 Hz后，調(diào)速器進(jìn)入空載態(tài)，根據(jù)空載PID參數(shù)進(jìn)行精確調(diào)節(jié)[3]，調(diào)速器自動(dòng)開(kāi)機(jī)進(jìn)入空載態(tài)曲線見(jiàn)圖1。

圖1 調(diào)速器自動(dòng)開(kāi)機(jī)進(jìn)入空載態(tài)曲線

通過(guò)統(tǒng)計(jì)某大型水電站1～6號(hào)機(jī)調(diào)速器自動(dòng)開(kāi)機(jī)時(shí)間規(guī)律，當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出調(diào)速器開(kāi)機(jī)令后，調(diào)速器控制系統(tǒng)按照自動(dòng)開(kāi)機(jī)規(guī)律開(kāi)啟導(dǎo)葉，機(jī)組頻率緩慢上升，調(diào)速器控制系統(tǒng)檢測(cè)到頻率的時(shí)間約為12 s，機(jī)組頻率達(dá)到空載態(tài)50 Hz的時(shí)間約為45 s，某大型水電站調(diào)速器自動(dòng)開(kāi)機(jī)規(guī)律時(shí)間統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 某大型水電站調(diào)速器自動(dòng)開(kāi)機(jī)規(guī)律時(shí)間統(tǒng)計(jì)

2 調(diào)速器自動(dòng)開(kāi)機(jī)過(guò)程異常分析

2.1 自動(dòng)開(kāi)機(jī)異常經(jīng)過(guò)

某大型水電站4號(hào)機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速1%Ne退出時(shí)，CCS報(bào)“4號(hào)機(jī)調(diào)速器A套齒盤(pán)測(cè)頻1、測(cè)頻2故障(SJ30)，調(diào)速器A套機(jī)組殘壓測(cè)量故障(SJ30)、A套全頻故障(SJ30)、A套頻率采樣故障，4號(hào)機(jī)調(diào)速器調(diào)節(jié)器A套總故障，4號(hào)機(jī)調(diào)速器調(diào)節(jié)器A套嚴(yán)重故障，4號(hào)機(jī)調(diào)速器伺服閥切換動(dòng)作，4號(hào)機(jī)調(diào)速器調(diào)節(jié)器A套/B套切換動(dòng)作，4號(hào)機(jī)調(diào)速器A套切至導(dǎo)葉純手動(dòng)(SJ30)，4號(hào)機(jī)調(diào)速器A套主用(SJ30)退出、B套主用(SJ30)到達(dá)”信號(hào)。現(xiàn)地檢查4號(hào)機(jī)電調(diào)畫(huà)面中“A套頻率偏差故障、齒盤(pán)1、2測(cè)速故障、機(jī)組PT頻率故障，A套總故障”指示燈點(diǎn)亮，PCC運(yùn)行在B套。檢查4號(hào)機(jī)組調(diào)速器信息窗，A套殘壓、齒盤(pán)1、齒盤(pán)2頻率與B套殘壓、齒盤(pán)1、齒盤(pán)2頻率顯示一致，刷新正常，4號(hào)機(jī)組后續(xù)正常并網(wǎng)。

2.2 故障原因分析

根據(jù)事件記錄，14:59:54.000監(jiān)控開(kāi)出4號(hào)機(jī)調(diào)速器開(kāi)機(jī)令，14:59:58.0004號(hào)機(jī)調(diào)速器全關(guān)退出，導(dǎo)葉開(kāi)啟。15:00:00.987 由于4號(hào)機(jī)組調(diào)速器測(cè)頻(殘壓、齒盤(pán)1、齒盤(pán)2)采樣出現(xiàn)跳變，最大跳變記錄值為47.5 Hz，調(diào)速器開(kāi)機(jī)過(guò)程中頻率曲線見(jiàn)圖2。調(diào)速器A套進(jìn)入空載態(tài)，當(dāng)頻率跳變回實(shí)際值時(shí)(根據(jù)正常開(kāi)機(jī)波形，接收到開(kāi)機(jī)令6 s后，殘壓、齒盤(pán)1、齒盤(pán)2測(cè)頻采樣此時(shí)仍無(wú)法測(cè)到)，因此調(diào)速器報(bào)“4號(hào)機(jī)組調(diào)速器A套頻率采樣故障”與4號(hào)機(jī)調(diào)速器A套總故障報(bào)警，A套總故障報(bào)警引起“15:00:02.140 調(diào)速器控制系統(tǒng)A/B套切換、4號(hào)機(jī)組調(diào)速器伺服閥切換動(dòng)作”。因SJ30時(shí)序滯后，殘壓測(cè)頻、齒盤(pán)1、齒盤(pán)2測(cè)頻故障報(bào)警滯后約1.8 s(殘壓測(cè)頻、齒盤(pán)1、齒盤(pán)2測(cè)頻故障在IP161內(nèi)進(jìn)行處理判斷，僅在空載或并網(wǎng)情況下才能輸出報(bào)警)。隨后齒盤(pán)1、齒盤(pán)2測(cè)頻故障均到達(dá)，滿足嚴(yán)重故障判斷條件中“調(diào)速器A套全頻故障”條件。15:00:01.493報(bào)出“4號(hào)機(jī)組調(diào)速器A套嚴(yán)重故障”，導(dǎo)致15:00:03.212 A套切換至導(dǎo)葉純手動(dòng)(SJ30時(shí)序滯后)。15:00:05.275因A套開(kāi)機(jī)過(guò)程中殘壓、齒盤(pán)1、齒盤(pán)2測(cè)頻信號(hào)恢復(fù)正常，“4號(hào)機(jī)組調(diào)速器A套嚴(yán)重故障” 和 “4號(hào)機(jī)組調(diào)速器A套頻率采樣故障”復(fù)歸，15:00:05.791 “調(diào)速器控制系統(tǒng)A/B套切換動(dòng)作復(fù)歸、4號(hào)機(jī)組調(diào)速器伺服閥切換動(dòng)作復(fù)歸”。

15:01:07.245 機(jī)組實(shí)際頻率已達(dá)到45 Hz，調(diào)速器控制系統(tǒng)按照空載PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，機(jī)組轉(zhuǎn)速升至50 Hz，然后進(jìn)行空載和并網(wǎng)增負(fù)荷調(diào)節(jié)。

根據(jù)某大型水電站調(diào)速器控制系統(tǒng)內(nèi)部邏輯，殘壓測(cè)頻故障、齒盤(pán)1、齒盤(pán)2測(cè)頻故障、頻率采樣故障、頻率超差故障、嚴(yán)重故障僅在空載態(tài)或并網(wǎng)態(tài)才會(huì)報(bào)出。其中殘壓測(cè)頻故障、齒盤(pán)1、齒盤(pán)2測(cè)頻故障在IP161中進(jìn)行的判斷，頻率采樣故障、頻率超差故障、嚴(yán)重故障在CP340中進(jìn)行判斷，因此可分析調(diào)速器A套在開(kāi)機(jī)過(guò)程中提前進(jìn)入了空載態(tài)。調(diào)速器由開(kāi)機(jī)態(tài)進(jìn)入空載態(tài)條件：機(jī)頻>45 Hz或開(kāi)機(jī)時(shí)間(從收到開(kāi)機(jī)令開(kāi)始計(jì)時(shí))超過(guò)50 s。正常情況下開(kāi)機(jī)至50 Hz需要45 s左右，此次報(bào)警在收到開(kāi)機(jī)令后6 s左右。

再根據(jù)調(diào)速器開(kāi)機(jī)過(guò)程中頻率曲線(圖2)，在開(kāi)機(jī)過(guò)程中A套頻率采樣有較為明顯的向上跳變現(xiàn)象。由于監(jiān)控系統(tǒng)采樣周期1 s，采樣精度不足，開(kāi)機(jī)過(guò)程中A套頻率采樣有可能已跳變至47.5 Hz，導(dǎo)致機(jī)組提前進(jìn)入空載態(tài)。根據(jù)開(kāi)機(jī)過(guò)程中調(diào)速器事件簡(jiǎn)報(bào)，調(diào)速器在接收開(kāi)機(jī)令后，A套測(cè)頻回路頻率發(fā)生跳變，頻率采樣超過(guò)45 Hz，機(jī)組立即進(jìn)入空載態(tài)，但此時(shí)仍未測(cè)到實(shí)際頻率。因機(jī)組頻率過(guò)低，調(diào)速器系統(tǒng)報(bào)出殘壓、齒盤(pán)測(cè)頻1、齒盤(pán)測(cè)頻2故障，控制系統(tǒng)開(kāi)出A套全頻故障報(bào)警、嚴(yán)重故障、A/B套切換、伺服閥切換以及A套切換至手動(dòng)方式。

圖2 調(diào)速器開(kāi)機(jī)過(guò)程中頻率曲線(導(dǎo)葉開(kāi)度單位：%，頻率單位：Hz)

在B套正常調(diào)節(jié)模式下，B套PID輸出迅速減少，導(dǎo)葉跟隨給定進(jìn)行減少，導(dǎo)葉開(kāi)度由20%減少至10%左右，機(jī)組頻率下降至50 Hz，隨后機(jī)組進(jìn)行正?？蛰d和并網(wǎng)調(diào)節(jié)。

2.3 測(cè)頻故障的排查

根據(jù)某大型水電站調(diào)速器測(cè)頻設(shè)備配置，導(dǎo)致調(diào)速器頻率跳變的因素為：發(fā)電機(jī)出口PT、測(cè)速齒盤(pán)、頻率處理環(huán)節(jié)的四路信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊以及測(cè)頻計(jì)算環(huán)節(jié)的 CPU1P161 模塊。

在對(duì)齒盤(pán)探頭的安裝及緊固情況檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)探頭支架橫向用人力單手可晃動(dòng)， 強(qiáng)度較弱。同時(shí)2只探頭的間距為38 mm，已接近極限間距(34 mm)，探頭間距過(guò)小，尤其在振動(dòng)劇烈時(shí)，彼此可能存在電磁干擾，影響脈沖輸出[4]。

四路信號(hào)轉(zhuǎn)換器為頻率處理模塊，能夠?qū)斎氲念l率信號(hào)進(jìn)行降壓、 濾波、 整形、 分頻等[5]。機(jī)組在導(dǎo)葉開(kāi)啟過(guò)程中，PT 較為微弱。開(kāi)機(jī)過(guò)程中，主要為導(dǎo)葉開(kāi)啟過(guò)程， 自動(dòng)化電感元器件的頻繁投退操作已經(jīng)完成， 電磁干擾可能性較小，所以因模塊自身故障引起測(cè)頻跳變的可能性不大。 且根據(jù)歷史記錄，1號(hào)機(jī)和 6號(hào)機(jī)更換新的模塊后，在開(kāi)機(jī)過(guò)程中也發(fā)生過(guò)類似的全頻故障等嚴(yán)重故障。 所以，該模塊故障的可能性排除。

IP161測(cè)頻單元如果故障，首先網(wǎng)頻也會(huì)報(bào)出故障，且故障應(yīng)該一直存在。縱觀自投產(chǎn)以來(lái)出現(xiàn)的4次故障，均發(fā)生在開(kāi)機(jī)階段，空載和發(fā)電后均正常。這與IP161故障發(fā)生的現(xiàn)象不符合，所以該模塊的故障可排除。

電廠技術(shù)人員對(duì)測(cè)頻回路的電纜屏蔽、端子緊固，以及探頭本身品牌、型號(hào)均做了排查，未發(fā)現(xiàn)異常情況。

綜合上述排查，可斷定引起頻率跳變的原因?yàn)椋簷C(jī)組在開(kāi)機(jī)過(guò)程，即調(diào)速器在得到開(kāi)機(jī)令的10 s內(nèi)，導(dǎo)葉迅速開(kāi)啟，在蝸殼內(nèi)形成強(qiáng)大的射流沖擊轉(zhuǎn)輪葉片。由于機(jī)組慣性較大，水能未充分轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，機(jī)組在9 s內(nèi)基本處于不動(dòng)和蠕動(dòng)(0.5 Hz以內(nèi))之間，巨大的能量會(huì)使下機(jī)架產(chǎn)生較大的振動(dòng)，探頭支架臂安裝在下機(jī)架內(nèi)側(cè)，長(zhǎng)度約600 mm。由于支架臂在水平方向未做加強(qiáng)支撐，在末端瞬間會(huì)形成較強(qiáng)的抖動(dòng)(放大誤差)。此時(shí)，探頭若正好處在齒沿( 初始位置在齒沿或因蠕動(dòng)使探頭掃過(guò)齒沿)， 就會(huì)形成交變高頻脈沖(0-1-0-1…)，從而引起齒盤(pán)測(cè)頻跳變。

3 調(diào)速器自動(dòng)開(kāi)機(jī)過(guò)程故障解決措施

為避免單一測(cè)頻環(huán)節(jié)異常導(dǎo)致調(diào)速器進(jìn)入空載態(tài)，同時(shí)對(duì)故障點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步定位，對(duì)控制程序進(jìn)行如下優(yōu)化。

(1)優(yōu)化開(kāi)機(jī)進(jìn)入空載態(tài)邏輯判斷策略。修改頻率判斷策略，頻率大于45 Hz且開(kāi)機(jī)時(shí)間大于30 s。

(2)開(kāi)機(jī)過(guò)程中20 Hz以下選擇齒盤(pán)測(cè)速作為主用，20 Hz以上選擇殘壓作為主用。

(3)對(duì)殘壓、齒盤(pán)1、齒盤(pán)2信號(hào)分別進(jìn)行跳變檢測(cè)判斷。5個(gè)周期內(nèi)頻率變化值超過(guò)10 Hz，即判斷為跳變，并將跳變信號(hào)送至觸摸屏進(jìn)行顯示，跳變信號(hào)為保持型，需人為手動(dòng)復(fù)歸。檢測(cè)出的跳變信號(hào)僅用于觸摸屏顯示，不作為總故障條件，也不參與其他控制。

通過(guò)完善調(diào)速器開(kāi)機(jī)過(guò)程中進(jìn)入空載態(tài)邏輯，并在開(kāi)機(jī)過(guò)程中模擬頻率跳變進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證，避免了在開(kāi)機(jī)過(guò)程中因頻率跳變而引起調(diào)速器控制系統(tǒng)全頻故障的現(xiàn)象。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析某大型水電站開(kāi)機(jī)過(guò)程中誤報(bào)全頻故障的原因，提出了在開(kāi)機(jī)過(guò)程中對(duì)頻率跳變的解決措施，提升了機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程中的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)對(duì)大型機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程中頻率跳變的處理提供了一定的參考價(jià)值，對(duì)提高水電站的安全運(yùn)行具有重大作用。