調速器伺服環故障原因分析與預控措施

賀文 靜， 甘 波， 劉 軍

(四川嘉陵江小龍門航電開發有限公司，四川南充 637000)

調速器伺服環故障原因分析與預控措施

賀文 靜， 甘 波， 劉 軍

(四川嘉陵江小龍門航電開發有限公司，四川南充 637000)

小龍水電站安裝的豎井貫流式機組為國內首次試驗制造，在國際上的應用非常罕見，但其在多年的運行中逐漸暴露出各種缺陷。對該電站4號機組調速器伺服環故障引起的機組事故停機的原因進行了逐項排查和分析并提出了一系列預控措施，可為同類機組類似問題的分析處理提供借鑒，同時也警示同類機組在設計與制造時應加以重視，從根本上保護機組運行的安全。

調速器；伺服環；故障；分析與預控；小龍水電站

1 概述

小龍水電站位于嘉陵江中游南充市順慶區和高坪區河段上，是《嘉陵江蒼溪至合川段水電規劃》嘉陵江廣元至重慶段16級開發方案中的第11級。該電站共安裝了4臺、亞洲單機容量最大的豎井貫流式機組。該機型機組在設計、制造等各方面均處于起步階段，國內外無成熟經驗可借鑒。小龍水電站首臺機組于2008年8月16日投產，2009年5月底開始，4臺機組相繼在投運5 000～3 800 h后因增速器不能經受機組連續運行的正常荷載和事故停機時的沖擊荷載造成低速端行星齒輪軸瓦燒損被迫停運。隨后，廠家歷時兩年多時間對4臺機組增速器進行了兩輪技術改造，運行狀況有了一定改善。但該類機組在運行中仍不時暴露出各類問題，進而影響到電廠的安全和經濟效益。

因此，在電廠的日常運行管理中，需要深入查找機組存在的缺陷，及時向廠家報告，對出現的各種問題和疑點都不放過，力求找到最本質的原因，千方百計地做好對機組設備的保護，防止事故停機對增速器的沖擊。

2 故障現象及排查情況

2014年5月6日，4號機組檢修完畢，投入運行。7月11日，4號機組由6 MW增加負荷至7．8 MW左右時，因調速器輪葉伺服環故障引起事故停機(輪葉伺服環故障判斷條件:輪葉開度給定值與輪葉實測值之偏差大于檢測閾值5%，且在10 s內未返回，即判為輪葉伺服環故障)。停機后，值班人員立即對機組進行了靜態檢查，發現輪葉在靜態情況下可以全行程正常開、關動作；但當輪葉全開后再強制給開信號時，輪葉主配壓閥(以下簡稱“輪葉主配”)關閉腔有回油量較大的現象出現，另外還發現有以下現象存在:

(1)實測調速器回油箱油溫48℃，已接近操作油的最高使用極限溫度(50℃)；發現調速器油冷卻器卸載閥底座通往回油箱的孔沒有封堵，操作油未經過補油泵油冷卻器。油冷卻器未起到冷卻作用。

(2)檢查輪葉主配平衡位置時，發現其在偏開位置，但此單一因素不應引起如此大量的噴油；在調整輪葉主配平衡位置后，在油溫沒有下降的情況下仍然噴油。

(3)檢查輪葉主配磨損情況時發現有輕微的磨損，但不足以引起大量的噴油。

為了分析輪葉伺服環故障的本質原因，我們在充分做好安全措施和應急處置措施后，將調速器切為“電手動模式”開機進行動態檢查，發現有以下現象存在:

(1)當輪葉開度大于12%后，其動作變得非常緩慢，幾乎無法再開大，同時發現輪葉主配關閉腔回油呈噴射狀、大量噴油。

(2)油壓裝置壓力下降很快，1 min內油壓從停泵壓力6．3 MPa下降到啟泵壓力5．9 MPa，實測回油箱油溫為48℃。

在排查中，除以上幾點現象外未發現有其它明顯的異常情況，于是決定對受油器進行解體檢查，以便發現其是否存在安裝、調整不滿足設計要求、受油器浮環磨損以及受油器密封圈老化破損等缺陷。受油器結構見圖1。

圖1 受油器結構示意圖

在對受油器進行解體過程中發現:(1)受油器浮環與水輪機主軸間隙在0．1～0．15 mm之間，符合設計要求，與檢修時測得的數據一致。(2)受油器三個浮環之間的間隙由加工尺寸決定，檢查中發現浮環未受到磨損，各部位把合螺栓均緊固無松動。(3)除1號密封圈外觀存在老化、彈性不足外，其余所有的密封圈均正常，1號、2號密封圈及三個浮環之間密封圈的剖面直徑設計值為φ7．7±0．15 mm，實際測量1號密封圈尺寸為φ7．64～7．66，其余密封圈尺寸在φ7．66～7．78之間，均在許可范圍以內。

從圖1中發現:2號密封圈是靜壓密封，其壓縮量滿足要求。因此，既使1號密封圈變形、壓縮量不足，也不會導致大量漏油，況且此處漏油會通過集油槽進入漏油箱，不會在輪葉主配回油處噴油。

抽屜原理是將需要討論的元素按一定特質分類，當取出足夠多的元素時，再運用抽屜原理將范圍縮小，從而推導出屬于同一類的某幾種元素，它們均同時具備某種特質，由此推導出題目的結論。運用抽屜原理時通常會出現以下幾個特點：第一、題目中所討論的元素具備任意性；第二、題目的結論至少要有一類是具備某種特質的，是一個存在性命題；第三、結論不需要確定，但需存在。

另外，輪葉接力器密封采用“孔用方形圈組”密封結構，由“抗磨聚四氟乙烯環”和“O形橡膠密封圈”組合而成，具有“雙向密封效果”，其廣泛應用于液壓缸動密封。加之包括4號機組在內的所有轉輪體油缸和活塞在檢修時均未發現明顯的磨損，故最終沒有對轉輪體進行解體檢查。

綜上所述，在對以上設備進行檢查后均未發現明顯問題的情況下，我們對受油器、轉輪體、主配等部位機械密封漏油量的大小與操作油的溫度關系進行了分析，發現漏油量的大小實際上與操作油的溫度密切相關，油溫越高，漏油量越大，反之，亦然。式(1)為包括受油器在內的機械密封漏油量的計算公式。

式中 Q為通過密封縫隙的泄漏量，cm3/s；dm為密封面平均直徑，mm；h0為密封縫隙的高度，即油膜厚度，μm；Δp為密封面內周和外周壓力差，Pa；η為液體動力粘度，Pa·s；b為密封面寬度，mm。

由于Δp無法收集，故此處采用在同一部位比較事故停機(油溫48℃)和正常運行時(油溫36℃)的漏油量關系進行分析(式2)。

式中 腳標36和48分別代表36℃和48℃時的相應參數。

查詢動力粘度曲線(圖2)36℃時操作油的動力粘度為45 Pa·s，48℃時為26．5 Pa·s；動力粘度越小，油的流速增加，密封面出口流速比受油器開腔流速大得多，即Δp48/Δp36＞1，甚至是若干倍。由此可見，隨著溫度的升高，密封漏油量也是呈指數函數關系增加的。圖 2為某品牌 LTSA46汽輪機油動力粘度曲線。

圖2 某品牌L－TSA46汽輪機油動力粘度曲線

3 調速器伺服環故障是引發機組事故停機的主要原因

由于調速器輪葉主閥處于偏開位，若遇機組負荷調整或水頭變化將會引起操作油壓快速下降，此時補油泵的補油量將無法滿足要求進而導致主或備用壓力油泵頻繁啟動、油溫逐漸上升，受油溫升高影響，受油器和輪葉開關腔之間的竄油量也隨之增大，這又會導致壓力油泵啟動更加頻繁、油溫繼續上升進而形成惡性循環。當機組增加負荷時輪葉隨導葉開度的增加而增加，輪葉主配向開的方向動作，受油器和輪葉開關腔竄油量猛增引起輪葉主配關腔噴油輪葉接力器操作油壓降低。當輪葉接力器操作力降低到不足以克服水力矩及其他阻力時輪葉操作就變得十分緩慢甚至操作不動，將會導致輪葉開度反饋值與給定值的偏差大于閥值5%，且持續時間超出10 s，此時，調速器即判定為伺服環故障，監控系統收到此故障信號后發出事故停機令。

然而，同樣是在操作油溫度上升后，機組減負荷時輪葉開度卻能在規定的時間內調整到給定值，這是由于關輪葉時輪葉接力器克服的水力矩相比開輪葉時小得多的原因。排查處理后，機組開停機均正常，這是因為停機后油溫逐漸下降到環境溫度、油壓裝置油冷卻器也正常投入從而降低了操作油運行溫度的緣故。

由此可以判斷4號機組調速器伺服環故障引發機組事故停機的主要原因是:調速器輪葉主配平衡位置偏開位引起操作油油溫升高所致。同時也解釋了調速器伺服環故障引起機組事故停機多發生在夏季環境溫度較高時這一現象。

4 預控措施

(1)取消補油泵加載功能。補油泵僅作為油冷卻泵投入各臺機組油壓裝置冷卻器，用于降低操作油溫度。

(2)年度檢修時，對調速器進行全面檢查維護，特別注意檢查調整導葉和輪葉主配在平衡位置。

(3)在日常運行中，注意觀察機組的運行工況和油壓裝置壓力油泵啟動的頻次；合理設定機組運行的凈水頭，減少功率波動。

(4)技術改造時，結合實際論證調速器運行可靠性并了解其他用戶的使用情況，考慮在調速器增設機械手動開環控制回路，當出現伺服環等調速器故障信號時，首先應切換到機械手動開環控制回路以維持現有的運行狀態，再根據需要緩慢降負荷停機檢查處理，以避免對增速器產生不必要的沖擊，以期延長其使用壽命。

(5)論證提高油品牌號的可行性。例如將LTSA46汽輪機油更換成L－TSA68汽輪機油，在同一溫度下，提高動力粘度，減少竄油量和漏油量。

5 結語

目前，小龍水電站已在4號機組采取了前三項預控措施，經過長期運行監測發現，操作油油溫穩定在36℃左右，油壓裝置壓力油泵啟動時間間隔從7～8 min延長到了18～20 min(均為穩定情況)，未再發生事故停機情況。本次事故原因的排查分析可為同類機型調速器的安全穩定運行提供參考。

對于水電廠現場管理來說，惟有在制造商的支持下深入研究、分析和找準機組存在的薄弱環節，分析故障發生的本質原因，并對其不斷加以改進完善，努力提高設備的使用壽命，才能實現水電廠安全生產和經濟效益的目標。

(責任編輯:李燕輝)

TV7;TV738;TV735;TV734．4

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1001-2184(2015)05-0124-03

賀文靜(1976-)，男，四川簡陽人，總經理，高級工程師，從事航電樞紐技術與管理工作；

甘 波(1982-)，男，四川資中人，工程師，工程碩士，從事航電樞紐運維技術工作；

劉 軍(1977-)，男，四川廣安人，運維部副經理，工程師，從事航電樞紐運維技術與管理工作．

2015-08-08