MGC4000 型調(diào)速器液壓跟隨故障分析及優(yōu)化

江業(yè)仁

（五凌電力有限公司，湖南 長沙 410000）

1 前言

水輪機(jī)調(diào)速器作為水電站的重要設(shè)備，與水電站能否正常發(fā)電密不可分，一旦調(diào)速器出現(xiàn)故障，將直接關(guān)系到水輪發(fā)電機(jī)組及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，影響水電站的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益，因此保證調(diào)速器正常工作就顯得極為重要[1]。由于水輪機(jī)調(diào)速器連續(xù)工作時間長，自動化元器件多，增加了調(diào)速器的故障的發(fā)生率，因此需要在機(jī)組運(yùn)行過程中及時發(fā)現(xiàn)、分析并消除調(diào)速器的異常和故障，保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

2 設(shè)備概況

五強(qiáng)溪電廠機(jī)組調(diào)速器為長江三峽能事達(dá)電氣股份有限公司生產(chǎn)的MGC4000 系列雙機(jī)冗余式微機(jī)調(diào)速器，此調(diào)速器系統(tǒng)是能事達(dá)電氣根據(jù)多年的調(diào)速器設(shè)計制造經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合我國國情和水力發(fā)電行業(yè)特點(diǎn)開發(fā)的新產(chǎn)品[3]。由雙微機(jī)可編程控制器（PLC）控制的雙控制器+雙電液轉(zhuǎn)換裝置（伺服電機(jī)、比例閥）+自復(fù)中手動操作機(jī)械液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成，電氣調(diào)節(jié)器以PLC 為可編程控制器核心，用智能并聯(lián)PID 適應(yīng)式變參數(shù)控制規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對調(diào)速器的穩(wěn)定控制。該型調(diào)速器有以下特點(diǎn)：

（1）開關(guān)電源交叉冗余合成控制和公共DC 24 V電源，其DC 24 V 電源與外部電源供電電源為完全隔離，雙機(jī)實(shí)現(xiàn)完全獨(dú)立供電，任何一套微機(jī)控制器出現(xiàn)電源故障，不影響另外一套微機(jī)控制器正常運(yùn)行，即能做到保證一套正常運(yùn)行的前提下，切除備用機(jī)電源。

（2）雙微機(jī)控制器冗余為熱備冗余，主用機(jī)工作的同時，備用機(jī)實(shí)時采集和處理數(shù)據(jù)以及故障報警處理，備用機(jī)自動判斷調(diào)速器所處狀態(tài)，當(dāng)調(diào)速器主用機(jī)出現(xiàn)大故障時進(jìn)行切換，一般小故障不進(jìn)行切換[4]。備用機(jī)切換至主用時，雙機(jī)切換迅速，備用機(jī)能夠快速切換至主用狀態(tài)工作并維持系統(tǒng)工況不變。雙機(jī)有重復(fù)切換閉鎖，閉鎖主備用重復(fù)切換，規(guī)避調(diào)速系統(tǒng)的不正?，F(xiàn)象。

（3）兩套控制機(jī)同時故障時，調(diào)速器無擾動切換到手動運(yùn)行，維持導(dǎo)葉開度不變，保持當(dāng)前工況，此時調(diào)速器可以手動關(guān)機(jī)，緊急停機(jī)。

3 故障概況

故障前五強(qiáng)溪電廠5 號機(jī)調(diào)速器處于A 機(jī)+伺服電機(jī)主用、B 機(jī)+比例閥方式備用方式。

某日，五強(qiáng)溪電廠5 號機(jī)開機(jī)過程中，監(jiān)控系統(tǒng)報：

“5 號機(jī)組調(diào)速器電調(diào)故障”；

“5 號機(jī)組調(diào)速器A 機(jī)主用復(fù)歸”；

“5 號機(jī)組調(diào)速器B 機(jī)主用動作”告警。

5 號機(jī)組調(diào)速器由A 機(jī)自動切換至B 機(jī)主用，并網(wǎng)正常，并網(wǎng)后負(fù)荷調(diào)整正常?，F(xiàn)場檢查調(diào)速器電調(diào)柜有“液壓跟隨故障”、“導(dǎo)葉側(cè)大故障”及“調(diào)速器事故”報警，其余設(shè)備運(yùn)行均正常。

4 故障分析

4.1 “液壓跟隨故障”、“導(dǎo)葉側(cè)大故障”及“調(diào)速器事故”報警原理

（1）“液壓跟隨故障”報警原理：導(dǎo)葉PID 給定和導(dǎo)葉實(shí)際開度相差大于5%之后，啟動故障判斷，連續(xù)4 s 內(nèi)導(dǎo)葉變化速率（每個PLC 掃描周期內(nèi)的平均速率，PLC 的掃描周期為10 ms）均小于設(shè)定值（調(diào)速器A 機(jī)設(shè)定為3%/s，調(diào)速器B 機(jī)設(shè)定為2%/s）時，開出液壓跟隨故障。

（2）“導(dǎo)葉側(cè)大故障”報警原理：由液壓跟隨故障、導(dǎo)葉電機(jī)故障、導(dǎo)葉比例閥卡阻，導(dǎo)葉主接傳感器故障等故障并聯(lián)開出。

（3）“調(diào)速器事故”報警原理：由測頻總故障（殘壓測頻和齒盤測頻同時發(fā)生故障）、導(dǎo)葉反饋故障、主配壓閥反饋故障、微機(jī)控制器故障、液壓跟隨故障等故障并聯(lián)開出。

4.2 故障原因分析排除

因故障前五強(qiáng)溪電廠5 號機(jī)調(diào)速器處于A 機(jī)+伺服電機(jī)主用，本次故障排除了“導(dǎo)葉比例閥卡阻”故障。

對各報警的原理進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：液壓跟隨故障、導(dǎo)葉電機(jī)故障、導(dǎo)葉比例閥卡阻，導(dǎo)葉主接傳感器故障、測頻總故障（殘壓測頻和齒盤測頻同時發(fā)生故障）、導(dǎo)葉反饋故障、主配壓閥反饋故障、微機(jī)控制器故障均有專門的報警，當(dāng)他們發(fā)生故障時均會產(chǎn)生報警并報送至監(jiān)控系統(tǒng)。可以基本排除“液壓跟隨故障”以外的其他類型故障。

通過上述分析，可以判定在無其他設(shè)備異常報警的情況下，本次故障中“調(diào)速器事故、導(dǎo)葉側(cè)大故障”報警均是“液壓跟隨故障”引起。

4.3 液壓跟隨故障產(chǎn)生原因分析

由“液壓跟隨故障”報警原理得知，調(diào)速器A 機(jī)開機(jī)過程中液壓跟隨故障的直接原因是導(dǎo)葉動作不及時，導(dǎo)葉PID 給定和導(dǎo)葉實(shí)際開度相差大于5%之后，連續(xù)4 s 內(nèi)導(dǎo)葉變化速率均小于設(shè)定值（調(diào)速器A 機(jī)設(shè)定為3%/s，調(diào)速器B 機(jī)設(shè)定為2%/s），導(dǎo)致“液壓跟隨故障”，進(jìn)而引起“導(dǎo)葉側(cè)大故障”及“調(diào)速器事故”。而引發(fā)導(dǎo)葉動作不及時的根本原因可能是：

（1）伺服電機(jī)—引導(dǎo)閥—主配油路控制延時，導(dǎo)致導(dǎo)葉開度變化速率過低；

（2）伺服電機(jī)—引導(dǎo)閥—主配油路控制正常，當(dāng)時水頭下A 機(jī)PID 調(diào)節(jié)伺服電機(jī)—引導(dǎo)閥—主配油路控制的固有特性導(dǎo)致導(dǎo)葉開度變化速率在某一區(qū)間持續(xù)低于3%/s。

為檢驗(yàn)上面兩個可能的原因，需要對5 號機(jī)組進(jìn)行調(diào)速器無水試驗(yàn)及開機(jī)至空轉(zhuǎn)試驗(yàn)，模擬測試導(dǎo)葉在開機(jī)過程、運(yùn)行過程中的導(dǎo)葉變化速率，進(jìn)一步分析原因。

4.4 5 號機(jī)組調(diào)速器A 機(jī)無水、開機(jī)至空轉(zhuǎn)試驗(yàn)情況及分析

A 機(jī)主用狀態(tài)下進(jìn)行導(dǎo)葉無水試驗(yàn)及調(diào)速器開機(jī)至空轉(zhuǎn)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如下：

（1）引導(dǎo)閥加注鈣基脂潤滑油前,A 機(jī)開機(jī)至空載,導(dǎo)葉開度從0%開至5%,用時3.303 s,平均導(dǎo)葉開度變化速率為1.514%/s；導(dǎo)葉開度從5%開至10%,用時2.473 s,平均導(dǎo)葉開度變化速率為2.02%/s（如圖1 所示）。

圖1 加注潤滑油前導(dǎo)葉開度過程曲線

（2）引導(dǎo)閥加注鈣基脂潤滑油后,開機(jī)至空載,導(dǎo)葉開度從0%開至5%,用時3.227 s,平均導(dǎo)葉開度變化速率為1.55%/s；導(dǎo)葉開度從5%開至10%,用時2.449 s，平均導(dǎo)葉開度變化速率為2.04%/s（如圖2 所示）。

圖2 加注潤滑油后導(dǎo)葉開度過程曲線

（3）引導(dǎo)閥加注鈣基脂潤滑油后,做無水試驗(yàn),導(dǎo)葉開度從0%至5%,用時1.478 s,平均導(dǎo)葉開度變化速率為3.38%/s；導(dǎo)葉開度從20%至25%,用時1.383 s,平均導(dǎo)葉開度變化速率為3.62%/s（如圖3所示）。

圖3 引導(dǎo)閥加注潤滑油后導(dǎo)葉開度過程曲線

對比伺服電機(jī)引導(dǎo)閥加注鈣基脂潤滑油前后，調(diào)速器開機(jī)至空轉(zhuǎn)過程中的導(dǎo)葉開度變化速率，可知加注鈣基脂潤滑油后導(dǎo)葉開度變化速率有極其細(xì)微的增大，可忽略不計，判斷伺服電機(jī)—引導(dǎo)閥—主配油路控制延時不是液壓跟隨故障的主要原因。

對比無水試驗(yàn)條件下導(dǎo)葉開度變化速率，可知不同開度區(qū)間導(dǎo)葉開度變化速率不同，0%~15%及85%~100%導(dǎo)葉開度區(qū)間導(dǎo)葉開度變化速率較慢，15%~85%開度區(qū)間導(dǎo)葉開度變化速率較快。

綜合無水試驗(yàn)不同導(dǎo)葉開度區(qū)間導(dǎo)葉變化速率情況及開機(jī)至空轉(zhuǎn)時導(dǎo)葉開度變化速率，可知在故障當(dāng)日水頭情況下，導(dǎo)葉開度變化速率在15%~85%開度區(qū)間會大于3%/s，在0%~15%及85%~100%導(dǎo)葉開度區(qū)間會在2%/s 附近甚至低于2%/s。即A機(jī)故障的根本原因是由于A 機(jī)PID 調(diào)節(jié)伺服電機(jī)—引導(dǎo)閥—主配油路控制的固有特性，導(dǎo)致導(dǎo)葉開度變化速率在某一區(qū)間連續(xù)4 s 內(nèi)低于3%/s，從而開出了“液壓跟隨故障”、“導(dǎo)葉側(cè)大故障”及“調(diào)速器事故”。

5 優(yōu)化方案

根據(jù)前面分析調(diào)速器A 機(jī)故障的根本原因是由于A 機(jī)PID 調(diào)節(jié)伺服電機(jī)—引導(dǎo)閥—主配油路控制的固有特性引起的，導(dǎo)致導(dǎo)葉開度變化速率在部分區(qū)間，特別是機(jī)組剛剛啟動和接近額定轉(zhuǎn)速的時候低于3%/s，在這些區(qū)間調(diào)速器A 機(jī)主用下液壓跟隨故障判斷參數(shù)（導(dǎo)葉開度變化速率：3%/s）設(shè)置偏高，與A 機(jī)方式下調(diào)速器固有特性不匹配，容易產(chǎn)生該故障。

依據(jù)5 號機(jī)組調(diào)速器A 機(jī)試驗(yàn)特性，將5 號機(jī)組調(diào)速器A 機(jī)“液壓跟隨故障”導(dǎo)葉變化速率定值由“3%/s”調(diào)整為“2%/s”，修改后經(jīng)長期觀察不同水頭下調(diào)速器均未再報過相關(guān)故障報警。

6 結(jié)語

水輪機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)的故障，往往是電氣、機(jī)械、液壓內(nèi)部問題的交錯重疊和外部因素的共同作用，一個故障可能由一種或幾種原因引起，雖然呈現(xiàn)的故障現(xiàn)象基本一致，但是原因卻可能不同，實(shí)踐中需仔細(xì)甄別。通過對MGC4000 型調(diào)速器發(fā)生的一次液壓跟隨故障進(jìn)行分析，排查了相關(guān)可能導(dǎo)致液壓跟隨故障的因素，并根據(jù)排查結(jié)果對控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，有效的消除了該類故障，可為同類型調(diào)速器發(fā)生相關(guān)故障時的處置提供參考。