三星水電站2 號發(fā)電機組調(diào)速器抽動故障分析與處理

鄧海建

（四川明星電力股份有限公司，四川 遂寧629000）

1 概 述

三星水電站位于四川省遂寧市船山區(qū)老池鄉(xiāng)三星場與重慶潼南米新鎮(zhèn)之間，距遂寧市區(qū)約35 km，是明星電力股份有限公司承擔調(diào)峰任務的主力電站，于1999 年正式投產(chǎn)使用。電站配3 臺額定容量16 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組，日峰值發(fā)電量120 萬kW·h 左右。三星站調(diào)速器系統(tǒng)早期采用南瑞公司的S700 控制柜，2007—2008 年間逐步將1～3 號機組升級更新為南瑞公司最新的SAFR—2000水輪機調(diào)速系統(tǒng)控制柜。

SAFR—2000 核心控制模塊采用貝加萊公司的PCC 整體方案，分A、B 兩套獨立控制，基本原理是使用完全獨立的模塊組合，包括測頻、冗余切換、開入開出，繼電器陣列等，通過測量機組的殘壓產(chǎn)生頻率反饋進入核心部件進行PID 運算輸出模擬和脈沖兩種控制信號，然后讓模擬信號經(jīng)過驅(qū)動板放大驅(qū)動電磁線圈動作，閥頭和位移變送器再將信號反饋，以此達到閉環(huán)控制的目的（見圖1）。

從圖1 中可以看出，PCC 調(diào)速系統(tǒng)采用了全模塊化控制，每一個獨立的部件承擔一個獨立的作用，目的就是形成一套閉環(huán)控制系統(tǒng)，主環(huán)控制頻率，副環(huán)控制開度，層次調(diào)配關系非常明確，三星水電站自更換控制柜之后調(diào)速系統(tǒng)運行穩(wěn)定，負荷控制調(diào)節(jié)的精確度良好。

2 故障現(xiàn)象

從2016 年4 月初開始，運行人員發(fā)現(xiàn)2 號發(fā)電機組平穩(wěn)運行時油壓裝置壓力油泵啟動較以往頻繁很多，油壓屏指示的油罐壓力值下降很快（油壓裝置設定油泵從3.6 MPa 啟動打油，4.0 MPa 停止），4.0 MPa 的油壓在短短10 min 之內(nèi)就降到了油泵啟動值3.6 MPa；而相鄰的1 號和3 號機組，該數(shù)據(jù)基本都在40 ～60 min 左右。在有機組負荷調(diào)整時，2 號機組的油泵打油間隔在僅5 ～6 min，這樣的時間間隔，較正常時減少了數(shù)倍，不但容易引發(fā)油泵故障，使得廠用電量和廠用電率超標，同時也給機組的安全穩(wěn)定運行帶來了極大風險（見表1）。

現(xiàn)場對調(diào)速系統(tǒng)電氣和機械設備進行反復檢查后發(fā)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)機械設備中導葉柜中接和主接有輕微抽動現(xiàn)象，主接抽動行程3 mm 左右，將調(diào)速器切手動運行時，油泵運行間隔能保持28 min 左右；電氣部分油壓屏停泵值偶爾出現(xiàn)未到正常停泵值4.0 MPa，但此數(shù)據(jù)并不固定，有時3.90 MPa，有時3.85 MPa；電調(diào)柜導葉平衡表電壓偏差基本維持在± 1.5 V 左右，當槳葉平衡表電壓偏差超過±2.5 V時抽動有所加劇，在通過調(diào)速器微調(diào)后，槳葉平衡表電壓偏差控制在±1.5 V 左右時抽動略微減輕，但也僅能增加油泵運行間隔時間3 ～4 min左右，效果不明顯。將機組調(diào)整到不同負荷區(qū)間進行觀察，現(xiàn)象依舊。

表1各機組油泵相關數(shù)據(jù)

從表1 中可以看出，2 號發(fā)電機組的油泵運行時間較其他機組明顯偏短，且油泵的間隔時間也較其他機組短很多。

3 排查分析

3.1 從機械部分排查分析

（1）對壓力油罐排油閥、補氣閥及油泵組合閥及各主油路及控制油路檢查未發(fā)現(xiàn)有漏油或漏氣現(xiàn)象。對各控制油路電磁閥從聲音判斷和漏油箱漏油管處觀察均未發(fā)現(xiàn)有串油現(xiàn)象。

（2）將導葉柜切至手動運行時，中接和主接均無抽動偏移現(xiàn)象。說明中接和主接油腔間密封完好，同時也排除比例伺服閥閥芯磨損、卡阻或回中彈簧機械受損導致閥體內(nèi)部串油的可能（如比例伺服閥因閥芯磨損、卡阻或未回中導致串油，那么在手動情況下依然會串油，中接應該會向開或向關的方向輕微動作）。

（3）因機組大修不久，轉(zhuǎn)輪在大修期間耐壓試驗效果非常好，受油器各部件運行平穩(wěn)，也排除轉(zhuǎn)輪室各壓力油腔串油的可能。

通過以上3 點對各調(diào)速系統(tǒng)機械部分導致油泵運行頻繁的可能基本排除。

3.2 從電氣部分排查分析

（1）對油泵啟停時間觀察，正常情況從3.6 MPa 加壓到4.0 MPa 油泵運行時間約48 s，偶爾出現(xiàn)壓力在3.85、3.9 MPa 停泵時，油泵運行時間在30 ～36 s 左右，但這并不是油泵頻繁啟動的根本原因；因為即使油壓到4.0 MPa 停泵，運行間隔仍然在10 min 左右。

（2）通過對機組不同負荷區(qū)間調(diào)整，抽動基本一致，沒有在某一區(qū)間穩(wěn)定的情況，基本排除旋轉(zhuǎn)變送器線性度出現(xiàn)問題的可能。

（3）對機組振動情況進行對比監(jiān)測，在負荷不調(diào)節(jié)時振動非常微小，可以排除因振動使旋變抖動引起反饋誤差使調(diào)速器輸出對應變化的可能。

（4）調(diào)速器自動情況下，將導葉柜旋變脫離中接引導固定在某一個位置時，發(fā)現(xiàn)中接緩慢向關方向動作（對另兩臺機組做同樣試驗，中接保持不動），說明反饋無變化的情況下，比例伺服閥伺服線圈接收到動作信號。

（5）最后觀察調(diào)速器觸摸屏的運行監(jiān)視窗口，發(fā)現(xiàn)導葉平衡表和槳葉平衡表的電壓值左右漂移范圍較大，而該平衡表所指示的正是PCC 的控制調(diào)節(jié)輸出信號；這表示調(diào)速器在不斷的調(diào)節(jié)輸出來保證并網(wǎng)后的頻率、開度在正常控制的范圍內(nèi)（正好與第4 點現(xiàn)象相符）。同時，通過實驗發(fā)現(xiàn)，如果拔出導葉比例伺服閥的控制閥頭后，導葉柜中間接力器也完全停止了抽動；而導葉不抽動時，油泵的運行間隔能到1 h 以上。

3.3 綜合分析

綜合以上排除分析，基本將次要故障原因歸咎于油泵控制系統(tǒng)啟停不正常，而主要原因鎖定到調(diào)速器電控部分；也就是說從調(diào)速器電柜到機柜伺服閥線圈這一段，而電控部分發(fā)生故障的可能原因較多，通過分析之后，有以下幾點：

（1）旋轉(zhuǎn)位移變送器反饋錯誤或出現(xiàn)非線性，導致反饋開度與實際開度產(chǎn)生誤差，使得調(diào)速器誤認為沒有調(diào)節(jié)到位，導葉副環(huán)產(chǎn)生控制輸出，不斷調(diào)節(jié)導葉開度數(shù)值（從不同負荷區(qū)間調(diào)節(jié)運行試驗看，此項應作排除）。

（2）測頻回路出現(xiàn)干擾，頻率出現(xiàn)測量偏差，導致主環(huán)調(diào)節(jié)信號動作，控制導葉副環(huán)輸出調(diào)節(jié)開度。

（3）調(diào)速器PID 參數(shù)設置不合理，導致調(diào)速器控制輸出長期圍繞目標值調(diào)整，從而超出死區(qū)范圍動作到導葉伺服線圈上。

（4）導葉功放板故障，產(chǎn)生錯誤的伺服線圈動作電流，使比例伺服閥閥芯不能回到中位。

（5）控制回路受到干擾或其它原因，使得伺服閥線圈誤動作。

（6）比例伺服閥伺服反饋出現(xiàn)誤差或伺服反饋受到干擾，導致電磁閥閥芯中位反饋信號與實際不一致。

（7）比例伺服閥線圈部分故障。

4 處理過程

關于次要故障原因，通過更換壓力傳感器和油泵控制程序優(yōu)化得以排除，這里不作討論，以下介紹一下主要故障原因的處理過程。

在調(diào)速器靜態(tài)實驗中，通過導葉副環(huán)調(diào)節(jié)實驗，設定不同的導葉開度目標值進行試驗調(diào)節(jié)，觀察實際動作過程并記錄下PID 調(diào)節(jié)曲線（見圖2）。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在各種大小擾動調(diào)節(jié)中，曲線平滑良好，導葉開度接近目標值的時間非常好，到達目標死區(qū)范圍后即不再調(diào)節(jié)，實際反饋誤差和給定值非常接近，在0.01 ～0.05 之間。

而通過副環(huán)調(diào)節(jié)發(fā)現(xiàn)導葉的位移反饋值也并未出現(xiàn)跳動、偏差和非線性，現(xiàn)場觀察無論是在開機運行還是靜態(tài)試驗下，調(diào)速器系統(tǒng)在目標值死區(qū)范圍內(nèi)均無控制信號改變輸出，頻率信號也很穩(wěn)定，所以綜合分析中的（1）、（2）、（3）點均被排除。為排除功放板故障，將2 號機組導葉功放板與3 號機組功放板進行了對調(diào)（對調(diào)前后都對功放各項數(shù)據(jù)進行了測量記錄），更換后在開機狀態(tài)下調(diào)速器抽動現(xiàn)象依舊，將第（4）點原因也排除。

為檢測控制回路是否受到干擾，直接從導葉控制輸出處單獨布屏蔽良好的專用線纜直接接到導葉柜端子排（在接線過程中，發(fā)現(xiàn)導葉柜端子接線板的伺服閥開入信號端子嚴重松動，考慮到對伺服線圈較大的電流推動，接觸不好也會影響電流的電磁力驅(qū)動。另外，伺服閥驅(qū)動和反饋回路屏蔽線均未按規(guī)范做接地處理），接線后仍發(fā)現(xiàn)有輕微抽動；因時間較緊，未做長時間運行對比觀察，所以將端子松動和未屏蔽處理列為懷疑對象之一。

對于綜合分析中的（6）、（7）點，我們直接采取更換比例伺服閥的辦法，并對原接線端子逐一檢查緊固，對屏蔽線做了良好接地，以消除外部相鄰電路可能帶來的干擾。

完成上述措施后，在保證導葉不會誤動的情況下（油壓裝置主油路閘閥關閉，中間接力器機械開限全關），再次對調(diào)速器進行靜態(tài)和開機運行調(diào)節(jié)實驗，發(fā)現(xiàn)抽動故障解決，電柜顯示面板上的導葉平衡表基本不再左右漂動，保持在一個微小的偏置狀態(tài)（關方向0.5 V 左右）；導葉控制系統(tǒng)在無調(diào)節(jié)信號時中接和主接穩(wěn)定在固定位置無任何抽動。經(jīng)過處理后幾個月運行情況觀察，油泵運行間隔保持在60 ～70 min 之間。至此，調(diào)速器抽動致使壓力油泵頻繁啟動故障得以解決（見表2）。

因此，我們將此次故障鎖定為比例伺服閥伺服反饋或閥頭驅(qū)動線圈部分異常導致調(diào)速器不斷輸出調(diào)節(jié)信號所致。

表2更換比例伺服閥后，機組不同狀態(tài)下測量數(shù)據(jù)

5 經(jīng)濟效益

此次2 號發(fā)電機組調(diào)速器抽動故障的徹底解決，提高了該機組自動控制系統(tǒng)的安全性、可靠性，減少了電網(wǎng)設備事故損失；同時減少了設備事故發(fā)生率，獲得電量收益。

（1）按故障停機更換比例伺服閥及調(diào)速器做靜態(tài)、動態(tài)試驗，搶修需停機時間約5 h，而此次故障排查處理及時，減少損失電量約8 萬kW·h。

（2）單臺油泵運行間隔時間由原來的10 min增加到60 min 以上，以油泵功率37 kW 計算，一年能節(jié)約廠用電量約3 萬kW·h。

（3）油泵運行間隔時間的增長，有效減少了油泵長期運行導致的磨損、發(fā)熱等，大大延長了油泵使用壽命。

（4）調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)定性增強，杜絕了油泵故障導致機組事故停機的潛在風險，為機組長期滿發(fā)穩(wěn)供和降低故障停機臺數(shù)打下了良好基礎。

6 結(jié) 語

為了保證電網(wǎng)頻率正常調(diào)節(jié)及機組過速事故下緊急動作，調(diào)速器內(nèi)部運行涉及的參數(shù)復雜，各項參數(shù)都是通過逐項實驗得出，與當前設備工況相匹配，各參數(shù)間相互作用配合，牽一發(fā)動全身，非專業(yè)技術人員禁止修改。

三星水電站的此次調(diào)速抽動故障與大多數(shù)的抽動案例有所區(qū)別，它沒有出現(xiàn)明顯的負荷變化情況，但如果不加以處理，對設備長期穩(wěn)定和經(jīng)濟運行會造成非常惡劣的影響。為了避免調(diào)速系統(tǒng)的類似故障再次發(fā)生，機組大修或大修后必須注意以下事項：一是調(diào)速器各項試驗必須如實進行，并做好數(shù)據(jù)收集備案。二是控制回路各個轉(zhuǎn)接端子的緊固情況必須仔細檢查審核，并盡量減少轉(zhuǎn)接次數(shù)。三是重要控制回路一定選擇屏蔽良好的專用線纜，屏蔽線是否有效單端接地都要全面檢查。四是大修期間，精密儀器部件需專人檢查清潔，并做好防異物進入的保護措施。五是定期對導、槳葉濾油部件進行更換，確保油質(zhì)良好。