水輪機(jī)調(diào)速器典型電氣故障案例分析及處理要點(diǎn)

唐亞波

(四川大唐國(guó)際甘孜水電開發(fā)有限公司,四川 甘孜 626001)

水輪機(jī)調(diào)速器典型電氣故障案例分析及處理要點(diǎn)

唐亞波

(四川大唐國(guó)際甘孜水電開發(fā)有限公司,四川 甘孜 626001)

闡述了水輪機(jī)調(diào)速器典型電氣故障案例的發(fā)生過(guò)程,分析了故障發(fā)生的原因,提出了故障的處理辦法和注意事項(xiàng),為水電站調(diào)速器維護(hù)人員提供了故障處理參考方案。

水電廠;調(diào)速器;電氣故障;處理案例

0 前言

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是由調(diào)節(jié)控制器、液壓隨動(dòng)系統(tǒng)和調(diào)節(jié)對(duì)象組成的閉環(huán)控制系統(tǒng)。通常我們把調(diào)節(jié)控制器和機(jī)械液壓系統(tǒng)稱為水輪機(jī)調(diào)速器。水輪機(jī)調(diào)速器作用是保證水輪發(fā)電機(jī)的頻率穩(wěn)定、維持電力系統(tǒng)負(fù)荷平衡,并根據(jù)操作控制命令完成各種自動(dòng)化操作,是水電站的重要基礎(chǔ)控制設(shè)備。在水輪機(jī)調(diào)速器構(gòu)成中,目前可編程控制器以其高度的可靠性成為調(diào)節(jié)器構(gòu)成首選[1];機(jī)械液壓系統(tǒng)中的電液轉(zhuǎn)換器件主要有電機(jī)類、比例伺服閥類、數(shù)字閥等幾類。

目前水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速器采用高可靠性的可編程控制器等作為調(diào)節(jié)器,并設(shè)計(jì)了少量的合理外圍電路,電氣部分故障率比較低,偶爾出現(xiàn)的異常現(xiàn)象,大部分是由于接觸不良、設(shè)置有誤、調(diào)速器部件產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題和機(jī)械雜質(zhì)堵塞造成。本文分析了幾起典型的調(diào)速器電氣故障案例,為維護(hù)人員迅速判斷故障原因和故障部位及時(shí)排除故障提供參考。

1 主配壓閥壓閥抽動(dòng)

1.1 故障現(xiàn)象

在無(wú)導(dǎo)葉開度調(diào)節(jié)指令的情況下,導(dǎo)葉主配壓閥上下擺動(dòng)、頻率很快、幅度較大,能聽到液壓油流過(guò)發(fā)出的“呲呲”聲。主配壓閥壓閥抽動(dòng)危害較大,使用油量大增,極端情況導(dǎo)致壓力油罐出現(xiàn)事故低油壓,另外主配壓閥頻繁大幅度抽動(dòng)勢(shì)必造成主配壓閥機(jī)械部位磨損和松動(dòng)。

1.2 原因分析

(1)調(diào)節(jié)系數(shù)沒(méi)調(diào)好,對(duì)于比例伺服閥結(jié)構(gòu)的,閉環(huán)調(diào)節(jié)中包含大環(huán)調(diào)節(jié)和小環(huán)調(diào)節(jié)。小環(huán)比例系數(shù)調(diào)得太靈敏,會(huì)導(dǎo)致主配壓閥抽動(dòng)。

(2)主配壓閥中位傳感器的問(wèn)題,比例伺服閥型的電液轉(zhuǎn)換系統(tǒng),在自動(dòng)時(shí)必須用電氣方法使主配壓閥壓閥復(fù)中,區(qū)別于手動(dòng)或伺服電機(jī)型的主配壓閥壓閥通過(guò)機(jī)械方式復(fù)中。如果主配壓閥中位傳感器采集錯(cuò)誤或誤差較大,將會(huì)導(dǎo)致電氣復(fù)中失敗,在調(diào)節(jié)過(guò)程中,主配壓閥就會(huì)發(fā)生頻繁抽動(dòng)。

1.3 處理方法

將調(diào)速器導(dǎo)葉控制方式切至手動(dòng)方式,用調(diào)試筆記本連接PLC觀察導(dǎo)葉調(diào)速器導(dǎo)葉主配壓閥采樣信號(hào),觀察主配壓閥采樣是否在中位設(shè)定值,如果在中位設(shè)定值說(shuō)明不是主配壓閥傳感器的問(wèn)題。可適當(dāng)修改小環(huán)系數(shù),再將導(dǎo)葉控制方式切自動(dòng)方式觀察導(dǎo)葉抽動(dòng)幅度大幅降低。開機(jī)至空轉(zhuǎn),觀察開機(jī)成功,導(dǎo)葉不抽動(dòng)。

理論上說(shuō),適當(dāng)降低大環(huán)系數(shù)也有助于改善主配壓閥的抽動(dòng)情況,但是修改大環(huán)系數(shù)直接影響了導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)速度,需要重新做調(diào)速器靜特性、空載試驗(yàn),且在正常運(yùn)行時(shí),需要落進(jìn)水口檢修門,工作量非常大,所需時(shí)間也比較長(zhǎng),一般電網(wǎng)難以批準(zhǔn)。機(jī)組不在檢修期,一般情況下不宜修改大環(huán)系數(shù)。

如果聯(lián)機(jī)發(fā)現(xiàn)主配壓閥采樣不在中位設(shè)定值,說(shuō)明是主配壓閥壓閥傳感器的問(wèn)題,直接更換傳感器。現(xiàn)在的主配壓閥傳感器多采用磁致伸縮原理,最好用進(jìn)口傳感器,以保障可靠性。

2 比例伺閥發(fā)卡

2.1 故障現(xiàn)象

正常的開機(jī)過(guò)程是兩段開機(jī),調(diào)速器接收到計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的開機(jī)令后在第一段開機(jī)過(guò)程將導(dǎo)葉開啟至第一開機(jī)度,一般比空載開度要大,目的是盡快的將轉(zhuǎn)速升至90%額定轉(zhuǎn)速附近,然后進(jìn)入第二段開機(jī)過(guò)程,即當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至90%時(shí),將導(dǎo)葉壓回至第二開機(jī)度,然后根據(jù)頻差進(jìn)行PID調(diào)節(jié),將機(jī)組轉(zhuǎn)速維持在50 Hz。筆者遇到的比例伺服閥發(fā)卡故障發(fā)生時(shí),在完成了第一開機(jī)過(guò)程后,在轉(zhuǎn)速上升至90%后進(jìn)入第二開機(jī)度過(guò)程中,導(dǎo)葉無(wú)法關(guān)回而是持續(xù)開啟,調(diào)速器報(bào)故障將導(dǎo)葉控制方式切至手動(dòng)方式。現(xiàn)場(chǎng)將導(dǎo)葉切自動(dòng),發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉開度繼續(xù)打開,調(diào)速器又報(bào)故障切手動(dòng)。判斷為比例伺服閥發(fā)卡在開機(jī)側(cè),使主配壓閥一直往下運(yùn)動(dòng),導(dǎo)致導(dǎo)葉一直開啟。

2.2 原因分析

比例伺服閥型的調(diào)速器對(duì)油質(zhì)要求非常高,如果調(diào)速器用油的油質(zhì)不是很理想,極容易導(dǎo)致比例伺服閥卡塞。尤其是水電站機(jī)組安裝初期,調(diào)速器使用的各個(gè)電磁閥、液控閥、主配壓閥壓閥、主機(jī)廠提供的接力器及其相應(yīng)使用的管路、閥門等部件,在產(chǎn)品出廠或運(yùn)輸以及現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí),容易在部件內(nèi)部保留或產(chǎn)生雜質(zhì),從而導(dǎo)致油質(zhì)出問(wèn)題[2]。

2.3 處理方法

比例伺服閥發(fā)卡的處理,需要做好油路的隔離措施,主要是比例伺服閥管路泄壓,其次是保證導(dǎo)葉處于關(guān)閉狀態(tài),宜落下進(jìn)水口檢修門再處理。首先是將壓力油管出口閥關(guān)閉,將比例伺服閥兩側(cè)閥門隔離,將管道中的油路泄壓,然后更換比例伺服閥。

從長(zhǎng)效管理來(lái)說(shuō),必須加強(qiáng)調(diào)速器用油的定期濾油工作,有條件的可以安裝在線濾油機(jī),實(shí)時(shí)濾油,保證調(diào)速器用油的清潔度。

3 斷路器位置信號(hào)誤報(bào)甩負(fù)荷

3.1 故障現(xiàn)象

在調(diào)速器電氣控制信號(hào)中,斷路器的位置信號(hào)是個(gè)非常關(guān)鍵的開關(guān)量信號(hào)。調(diào)速器空載至負(fù)載態(tài)的判斷,主要取決于斷路器位置信號(hào)。如果在并網(wǎng)過(guò)程中,斷路器位置信號(hào)誤報(bào)消失,會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)葉壓回,造成遛負(fù)荷事故。筆者在實(shí)際的維護(hù)工作中遇到過(guò)一起斷路器位置信號(hào)消失的故障。筆者所在的電站是四角星主接線圖,發(fā)電機(jī)在主變高壓側(cè)可以通過(guò)兩個(gè)斷路器中任意一個(gè)斷路器并入電網(wǎng)。所以調(diào)速器斷路器位置信號(hào)是兩個(gè)高壓側(cè)斷路器位置取“或”邏輯后再與發(fā)電機(jī)出口斷路器取“與”邏輯。當(dāng)時(shí)高壓側(cè)兩個(gè)斷路器有一個(gè)斷路器(代號(hào)為A斷路器)在檢修,發(fā)電機(jī)(代號(hào)C發(fā)電機(jī))通過(guò)另外一個(gè)斷路器(代號(hào)為B斷路器)并入電網(wǎng)。在C發(fā)電機(jī)帶150 MW負(fù)荷并網(wǎng)運(yùn)行時(shí),導(dǎo)葉突然關(guān)回至0開度,負(fù)荷瞬間變?yōu)? MW,而此時(shí)的發(fā)電機(jī)出口斷路器和高壓側(cè)B斷路器均在合閘狀態(tài)。

3.2 原因分析

檢修人員對(duì)A斷路器進(jìn)行輔助觸點(diǎn)更換工作,導(dǎo)致C發(fā)電機(jī)調(diào)速器斷路器位置信號(hào)消失,瞬間導(dǎo)葉從70%開度關(guān)到0,負(fù)荷壓空。理論上講C發(fā)電機(jī)可以通過(guò)A斷路器或B斷路器任何一個(gè)斷路器并入電網(wǎng),B斷路器檢修不影響C發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行。但是問(wèn)題就出在C發(fā)電機(jī)調(diào)速器斷路器位置取的是A斷路器跟B斷路器“或”邏輯后再跟C發(fā)電機(jī)出口斷路器位置取“與”邏輯,而A斷路器和B斷路器的位置信號(hào)是公用一個(gè)公共端,所以在B斷路器更換觸點(diǎn)工作的過(guò)程中,影響了B斷路器和A斷路器位置信號(hào)的公共端電壓波動(dòng),導(dǎo)致信號(hào)丟失。

3.3 處理方法

在機(jī)組正常并網(wǎng)發(fā)電時(shí),嚴(yán)禁在斷路器信號(hào)回路工作,防止信號(hào)丟失。另外,在調(diào)速器程序中做防誤閉鎖,增加對(duì)發(fā)電機(jī)有功功率的判斷,如果發(fā)電機(jī)有功功率大于某個(gè)基準(zhǔn)值(根據(jù)機(jī)組容量自行設(shè)定),即使發(fā)電機(jī)出口斷路器位置信號(hào)消失,也不應(yīng)該執(zhí)行甩負(fù)荷程序。

4 導(dǎo)葉開機(jī)故障

4.1 故障現(xiàn)象

在日水頭變化較大的水電站中,導(dǎo)葉的第一開機(jī)度和第二開機(jī)度要隨著水頭的變化而變化。如果水頭有問(wèn)題或者程序設(shè)計(jì)有問(wèn)題,則會(huì)導(dǎo)致第一開機(jī)度和第二開機(jī)度紊亂,影響正常開機(jī)。筆者遇到過(guò)一次因?yàn)槭┠偷鲁绦騿?wèn)題導(dǎo)致開機(jī)故障。在汛期時(shí),由于來(lái)水較大電站在泄洪,導(dǎo)致下游水位抬高,使水頭降低至額定水頭以下,在低水頭下根據(jù)調(diào)速器設(shè)置的水頭-開限表計(jì)算得到一個(gè)較高的第一開機(jī)度。當(dāng)水頭恢復(fù)正常后,再次進(jìn)行開機(jī)操作時(shí),出現(xiàn)機(jī)組第一開機(jī)度過(guò)大,導(dǎo)致開機(jī)過(guò)速的情況。

4.2 原因分析

目前采用施耐德PLC作為調(diào)速器控制器的水電站,水頭開限表是一個(gè)插值運(yùn)算表,根據(jù)若干組水頭數(shù)組和開限數(shù)組進(jìn)行開限插值運(yùn)算得出開機(jī)度。施耐德插值運(yùn)算表有個(gè)漏洞,如果水頭數(shù)組有兩組一樣的數(shù)組,運(yùn)算會(huì)出錯(cuò),水頭變化時(shí)開度不變化。在汛期,因?yàn)樾购閷?dǎo)致水頭降低至最低水頭13 m,因?yàn)榍皟蓚€(gè)數(shù)組都是13 m,導(dǎo)致運(yùn)算出錯(cuò),當(dāng)水頭上升時(shí),第一開機(jī)度和第二開機(jī)度并不改變,還是維持在13 m水頭下的第一開機(jī)度,導(dǎo)致水頭上升時(shí)第一開機(jī)度過(guò)大,機(jī)組開機(jī)過(guò)速。

4.3 處理方法

對(duì)于參數(shù)表這類問(wèn)題,就必須在機(jī)組檢修時(shí),對(duì)涉及到的調(diào)速器參數(shù),一一試驗(yàn),不能有漏項(xiàng),發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)修改相關(guān)參數(shù),當(dāng)然最根本的措施是源程序廠家要保證運(yùn)算模塊設(shè)計(jì)的完整性,不能出現(xiàn)程序漏洞。

5 主配壓閥拒動(dòng)節(jié)點(diǎn)信號(hào)誤報(bào)

5.1 故障現(xiàn)象

當(dāng)機(jī)組因各種原因過(guò)速超過(guò)115%Ne(Ne為機(jī)組額定轉(zhuǎn)速)時(shí),如果導(dǎo)葉沒(méi)有迅速關(guān)回,將會(huì)導(dǎo)致機(jī)組繼續(xù)過(guò)速,影響機(jī)組安全運(yùn)行,此時(shí)調(diào)速器就會(huì)報(bào)主配壓閥拒動(dòng)信號(hào)至計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)115%Ne轉(zhuǎn)速信號(hào)加上主配壓閥拒動(dòng)信號(hào)的判據(jù),啟動(dòng)115%Ne過(guò)速保護(hù)事故停機(jī)流程,將導(dǎo)葉關(guān)回。筆者遇到的主配壓閥拒動(dòng)信號(hào)誤動(dòng)的情況是在機(jī)組投產(chǎn)時(shí)做甩100%負(fù)荷實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)的,在甩100%負(fù)荷時(shí),調(diào)速器并沒(méi)有出現(xiàn)拒動(dòng)現(xiàn)象而發(fā)出主配壓閥拒動(dòng)信號(hào),導(dǎo)致115%Ne過(guò)速保護(hù)誤動(dòng)。

5.2 原因分析

主配壓閥位置接近開關(guān)動(dòng)作原理:只能機(jī)械的判斷主配壓閥拒動(dòng)信號(hào),即主配壓閥往下運(yùn)動(dòng)或者保持中位時(shí)(開啟導(dǎo)葉時(shí))動(dòng)作,主配壓閥往上運(yùn)動(dòng)(關(guān)回導(dǎo)葉時(shí))時(shí)不報(bào)信號(hào)。見圖1,紅線是轉(zhuǎn)速信號(hào),藍(lán)線是導(dǎo)葉信號(hào)。

圖1 甩100%負(fù)荷轉(zhuǎn)速-導(dǎo)葉圖

在A1點(diǎn),轉(zhuǎn)速第一次上升到115%額定轉(zhuǎn)速,導(dǎo)葉關(guān)回,根據(jù)主配壓閥拒動(dòng)接近開關(guān)動(dòng)作原理,此時(shí)主配壓閥拒動(dòng)接近開關(guān)不動(dòng)作。

在A2點(diǎn),轉(zhuǎn)速第二次上升到115%額定轉(zhuǎn)速,但是此時(shí)導(dǎo)葉已經(jīng)開啟,根據(jù)主配壓閥拒動(dòng)接近開關(guān)動(dòng)作原理,主配壓閥拒動(dòng)接近開關(guān)動(dòng)作,水機(jī)保護(hù)115%過(guò)速保護(hù)動(dòng)作。

根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)甩負(fù)荷過(guò)程,甩負(fù)荷后,轉(zhuǎn)速升高,導(dǎo)葉以最快的速度關(guān)回,所以主配壓閥拒動(dòng)信號(hào)是不會(huì)報(bào)的,第一次轉(zhuǎn)速上升到115%額定轉(zhuǎn)速過(guò)程是正常的。

而當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)淖畲筠D(zhuǎn)速下降的過(guò)程中,為了使轉(zhuǎn)速不至于下降過(guò)低至45 Hz以下,調(diào)速器會(huì)自動(dòng)在轉(zhuǎn)速下降到115%額定轉(zhuǎn)速之前將導(dǎo)葉開啟,此時(shí)主配壓閥拒動(dòng)信號(hào)的動(dòng)作是誤動(dòng)作。

5.3 處理方法

主配壓閥拒動(dòng)條件必須是在115%Ne轉(zhuǎn)速點(diǎn)的上升沿時(shí)進(jìn)行判斷才合理,而傳統(tǒng)的主配壓閥拒動(dòng)接近開關(guān)是純機(jī)械式的,沒(méi)有辦法加入轉(zhuǎn)速的判斷。為克服傳統(tǒng)的主配壓閥位置接點(diǎn)動(dòng)作不可靠的缺點(diǎn),可以在調(diào)速器程序中定義主配壓閥拒動(dòng)條件。原理是當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷后,調(diào)速器將導(dǎo)葉關(guān)回時(shí),導(dǎo)葉開度給定減去導(dǎo)葉實(shí)際開度為負(fù)值,而此時(shí)主配壓閥位移減去中間位置也應(yīng)該為負(fù)值(往關(guān)方向運(yùn)動(dòng)),而此時(shí)如果主配壓閥位移減去中間位置為0或正值,說(shuō)明主配壓閥處于中間位置或往開方向動(dòng)作位置。綜合以上兩點(diǎn),采用圖2進(jìn)行主配壓閥位置接點(diǎn)判斷,可以在調(diào)速器程序中實(shí)現(xiàn),圖中,YPID為導(dǎo)葉開度給定,Y為實(shí)際導(dǎo)葉開度,y為主配壓閥位移。

圖2 主配壓閥位置信號(hào)判斷流程圖

6 結(jié)語(yǔ)

調(diào)速器是電廠發(fā)電機(jī)組的控制中心,對(duì)機(jī)組的安全高效運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用,必須在實(shí)際的運(yùn)維實(shí)踐中不斷地進(jìn)行總結(jié),通過(guò)對(duì)幾起典型調(diào)速器電氣故障的案例進(jìn)行分析,這些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)幫助檢修人員及時(shí)正確地判斷和處理了調(diào)速器的各種故障,有效減少了調(diào)速器故障所帶來(lái)的損失,保障了發(fā)電機(jī)組安全可靠的運(yùn)行,希望對(duì)調(diào)速器維護(hù)人員帶來(lái)一定的參考意義。當(dāng)然,隨著自動(dòng)化水平的提高,相信調(diào)速器電氣控制設(shè)備在設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的先進(jìn)性和可靠性上會(huì)取得更大的提高,如何研究高自動(dòng)化水平下的調(diào)速器設(shè)備的維護(hù)方法將是需要考慮的問(wèn)題。

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TK730.4

B

1672-5387(2017)07-0074-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.07.023

2017-04-27

唐亞波(1987-),男,工程師,從事大型水電廠電氣設(shè)備管理工作。