水輪機調速器比例閥跟隨故障診斷處理及應用

張官祥，陳自然，蔣小輝，常中原，涂 勇

（1.中國長江電力股份有限公司白鶴灘電廠，四川 涼山615400；2.中國長江電力股份有限公司向家壩電廠，四川 宜賓644612；3.三峽大學科技學院，湖北 宜昌443000）

0 引言

水輪機調速器控制器由兩套冗余的硬件配置和功能完全一樣的PCC控制器組成，從而實現主用/熱備功能。PCC A套控制器控制比例閥裝置，B套控制器控制步進電機，其中任意一套控制器與相應的機械液壓系統相配合，均能獨立實現全部控制功能和保證達到全部調節性能要求；當A套或B套控制器任意一套出現嚴重故障時，如比例閥跟隨故障、主接跟隨故障和輔接跟隨故障等故障時，可發出故障信號至電氣柜觸摸屏和監控系統，并根據預先設定的控制邏輯自動無擾動地切換至另1套正常的PCC控制器工作，故障的控制器可在線更換模塊進行檢修。但是，雙套控制器同時出現故障時調速器將可能會失控，嚴重影響機組的安全穩定運行。

1 異常事件概述

某次水電廠某臺機組在負荷調整過程中，調速器報A套比例閥跟隨故障，調速器自動切B套運行。其主要事件過程描述如下：06：48：20，某臺機組處于并網運行狀態，所帶的負荷為578.33 MW，調速系統各設備運行正常；4 min后監控系統下發有功調節指令，機組負荷調整至628.00 MW；3 s后監控系統收到A套調速器停機報警，調速器自動切B套運行；隨后運行人員在監控系統中遠方投入機組有功閉環，調速器在B套有功模擬量給定方式運行，監控系統重新下發有功調節指令，機組負荷調整至650.00 MW，設備動作正常；經檢查設備運行穩定后，運行人員現場手動復歸調速器故障，故障消失，設備運行正常。

2 異常事件檢查及處理

異常事件發生后，維護人員對調速器電氣元器件和調速器主配壓閥行程壓板及引導閥等設備進行檢查，初步發現在步進電機主用時引導閥及行程壓板動作正常，無卡阻情況，設備運行正常。通過查看電氣柜觸摸屏事件記錄和歷史曲線，調取監控系統歷史數據進行進一步分析并及時采取相關處理措施。

2.1 調速器電氣柜設備檢查

維護人員現場檢查調速器電氣柜設備發現柜內的PCC控制器運行正常，比例閥插頭接線牢靠，比例閥及其自動化元器件運行正常，故障報警繼電器動作可靠。通過查看調速器電氣柜觸摸屏事件記錄發現，06：52：21調速器A套主用報比例閥跟隨故障和調速器事故動作；隨后調速器自動切B套主用運行。查看監控系統事件記錄發現，當收到A套比例閥跟隨故障時，切換閥裝置自動復歸投入，切至B套步進電機主用態運行，同時監控系統把控制模式切換為開度模式。由調速器電氣柜PCC控制器程序可以得出比例閥跟隨故障的判斷邏輯是在自動空載或負載狀態下，比例閥閥芯給定值與反饋值的差值大于10%，且持續時間超過1 s的條件后即可報警。結合對比兩者故障信息和時間發現，調速器觸摸屏記錄的事件過程與監控系統事件完全一致，動作過程符合控制邏輯。

2.2 調速器電氣柜數據分析

通過查看趨勢分析軟件可以得出以下結果：

（1）06：52：20，調速器由于接收到監控系統下發的有功調節指令，調速器的開度給定和PID給定值開始逐漸上升。

（2）06：52：21，開度給定和 PID 給定值已經上升為60%，而在此過程中導葉開度一直維持在57.54%，并未進行調節。

（3）06：52：22，調速器自動切 B 機主用，調速器運行模式由功率模式切至開度模式，開度給定和PID給定值跟隨當前開度值57.54%。

在 06：52：20～06：52：21 的這 1 s時間之內，調速器的開度給定值持續上升，而導葉開度維持不變，可判斷出調速器的主配閥芯未動作，即調速器的比例閥或主配閥芯出現了卡澀現象。

綜上所述，該機組在調整負荷過程中，調速器報比例閥跟隨故障動作符合調速器電氣控制邏輯，說明調速器電氣設備控制邏輯合理，設備動作可靠。

2.3 調速器比例閥跟隨試驗

為了進一步確認故障原因，更好的保障機組安全穩定運行，維護人員現場進行故障重現試驗，進行調速器比例閥跟隨和切換試驗，觀察比例閥動作情況。現場將該機組調速器控制模式切換到比例閥電手動狀態，由于主配壓閥有自關閉趨勢，當導葉開度下降到調節范圍時，通過A套控制器的比例閥進行調節，其負荷變化為10 MW，開度變化為0.15%，試驗中比例閥共動作7次，比例閥跟隨均正常。

（1）帶負荷進行切換試驗。維護人員對機組進行故障重現試驗。現場將機組調速器控制模式切換到比例閥電手動狀態，通過手動增減開度驗證比例閥動作靈活性，經過多次試驗后發現，比例閥跟隨正常，隨后切至A套自動運行，持續觀察發現在比例閥主用的情況下比例閥跟隨正常。

（2）停機過程中減負荷。該機組在停機過程中，維護人員對機組停機過程監測比例閥跟隨情況，同時進行負荷調整以重現當時機組的運行狀態。首先負荷由67萬kW開始逐漸下降，在負荷50萬kW以上時以4萬kW的速率逐級向下調整負荷；負荷在50萬～40萬kW之間時采用以5萬kW的速率逐級向下調整負荷；負荷在40萬kW以下時采用以10萬kW的速率逐級向下調整。從機組停機過程中的負荷調整情況來看，在比例閥主用的情況下負荷調整正常，調速系統運行正常，比例閥跟隨正常，未發現異常情況（圖1）

圖1 停機過程導葉關閉規律

（3）開機過程中增負荷。該機組在比例閥主用情況下進行開機，在開機過程和增加負荷的過程中均未出現異常情況，比例閥跟隨情況正常（圖2）。

圖2 開機過程導葉關閉規律

結合以上真機試驗驗證后可以得出，該機組在開機過程、停機過程以及增減負荷的過程中對比例閥、主配及導葉動作情況進行現場監測發現，調速器主配壓閥行程壓板及引導閥等設備運行正常，在比例閥主用時行程壓板動作正常，無卡阻情況，比例閥跟隨情況均正常。

2.4 調速器油樣化驗

從調速器電氣柜硬件可靠性、軟件控制邏輯合理性、比例閥切換試驗以及真機故障復現試驗等多角度分析和處理，可以得到調速器系統運行情況良好，均未出現比例閥跟隨故障情況。維護人員為了進一步明確故障原因，逐級排除可能存在的原因，接下來維護人員對該機組調速器油樣進行化驗檢查，判斷是否存在顆粒物等。

從圖3～5中可以看出，油樣化驗結果和檢修前油罐底部油樣情況來看，調速器油樣化驗結果滿足要求，顆粒度為7級，檢修前的油質從油罐底部可以看出油罐底部沉積物較少，無黑色顆粒物，油品中油泥成分較少。主配壓閥過濾器未出現堵塞報警信號。通過趨勢分析和主配壓閥過濾器濾芯參數可以發現，過濾器單個濾芯納污量為33.1 g，在壓差值為0.5 MPa時，過濾器的通流量可達約150 L/min，完全滿足主配壓閥控制油供油問題，不會因為控制油供油不足導致比例閥動作不到位的情況。同時，調速器在發生比例閥跟隨故障時，主配 壓閥過濾器壓差傳感器并未報警，未出現濾芯堵塞情況。

圖3 某臺機組調速器油樣化驗結果

圖4 主配壓閥過濾器濾芯參數1

圖5 主配壓閥過濾器濾芯參數2

綜上所述，該機組調速器控制油供油質量滿足使用要求，油質合格。

3 異常事件原因分析

由調速器電氣柜PCC控制器程序可以得出比例閥跟隨故障的判斷邏輯是在自動空載或負載狀態下，滿足比例閥閥芯給定值與反饋值的差值大于10%，且持續時間超過1 s的條件后即可報警。結合趨勢數據分析看出，比例閥跟隨故障報出前1 s，導葉PID給定值上升至59.93%，主配中位給定達到1 067個碼值，比例閥輸出增加至21 046個碼值，而此時比例閥反饋值19 872個碼值未變化，仍保持在中位，滿足比例閥跟隨故障觸發條件，導致A套調速器報嚴重故障，切至B套運行。由此得出，調速器電氣柜控制邏輯正常，設備動作正常。經上述檢查和分析引起比例閥未正常動作的原因初步診斷如下：

（1）比例閥插頭松動導致比例閥掉電

當比例閥電源插頭松脫或接觸不良時比例閥會出現掉電情況，此后比例閥會自動復歸到故障位，比例閥在故障位置時停止配油，接力器將不會動作，導葉開度維持不變，將會出現比例閥跟隨不到位的情況。

（2）比例閥存在電磁干擾

比例閥活塞桿采用電磁鐵產生的電磁力進行驅動，比例伺服閥驅動器接收的電壓信號-10～+10 V或者電流信號4～20 mA，并輸出給比例閥電磁鐵較大的電流信號，如果存在外界磁場干擾，比例閥產生的電磁力無法驅動活塞桿動作時，比例閥將不會動作或動作不到位，同樣會導致導葉開度維持不變。

（3）比例閥活塞發卡

雖然每年機組檢修時對調速器油壓裝置回油箱及油罐內透平油進行過濾處理，但未對調速器油系統各部件進行過徹底清洗，可能存在以下問題：各部件可能因油質、機械磨損等原因出現卡澀、密封磨損、老化情況；調速器用油中含有雜質和水分，長期積累造成油的黏滯阻力變大；油中的水分使金屬部件銹蝕造成引導閥和主配壓閥出現發卡情況。比例閥活塞桿雙邊間隙約0.005～0.01 mm，如果透平油中含有超過該間隙值的顆粒，比例閥就有發卡風險。主配壓閥過濾器濾芯的過濾精度為0.01 mm，但不能保證過濾后的透平油中不含粒徑大于0.01 mm的顆粒，因此比例閥存在偶然發卡的可能性。

4 防范措施及建議

4.1 防范措施

由于調速器控制設計為A套/B套熱備冗余控制系統，A套比例閥故障后會無擾切換至B套運行，若2套同時發生故障時會自動切至機手動運行，該情況在汛期對機組并網運行的風險較小，計劃在下輪歲修中對比例閥閥組及控制回路進行重點檢查和校驗。目前采取以下措施進行處理：

（1）加強現地設備巡檢。對調速器液壓系統現地設備的巡回檢查，重點檢查調速器主配壓閥行程壓板及引導閥等設備。

（2）提升運行人員操作技能。（3）做好備品備件準備工作。

（4）定期跟蹤油質分析。對發現問題的油及時更換。在機組檢修時對調速器液壓系統用油定期進行靜電濾油，并進行油樣化驗，油質合格后方可使用，對發現存在混油現象的機組進行徹底換油，不得再使用。

（5）定期清洗維護。機組檢修時安排對調速器液壓系統各部件進行定期清洗維護，更換密封件，以保證機組可靠性。

4.2 改進建議

比例閥控制是調速器控制運行中非常關鍵的一環，其動態調節品質及響應時間是否符合要求、控制邏輯是否科學至關重要，圍繞提高機組的調速器比例閥控制運行問題，設計時應重視以下幾點：

（1）比例閥失電保護控制邏輯。比例閥的驅動裝置是比例電磁鐵，驅動器接受電壓或電流信號，當出現比例閥驅動裝置失電情況時，要充分考慮調速器控制邏輯的優化和完善。

（2）比例閥電磁干擾問題。比例伺服閥驅動器接收的電壓信號為-10～+10 V或者電流信號4～20 mA，并輸出給比例閥電磁鐵較大的電流信號，可產生25 W以上功率，這樣閥芯的操作力大，即比例閥活塞桿采用電磁鐵產生的電磁力進行驅動，可提高工作的可靠性，也能夠增強抗油污能力。但是如果存在外界磁場干擾，比例閥產生的電磁力無法驅動活塞桿動作時，比例閥將不會動作或動作不到位，同樣會導致導葉開度維持不變。因此設計和布置時應充分考慮比例閥附近設備產生的電磁干擾信號，采取抗電磁干擾措施。

（3）比例閥用油質量問題。比例閥電磁鐵的輸入功率較大，推力大，不容易造成活塞卡阻，但是如果透平油中含有超過間隙值的顆粒，比例閥就有發卡風險。因此應制定包括用油規格、化驗要求、檢驗項目、檢查周期、換油周期等詳細而嚴格的保養要求，提高潤滑油的管理水平。

（4）調速器用油取樣問題。機組在檢修狀態時，系統及管道無壓力，可以方便取油樣，但是機組在運行時，液壓系統的油罐、管道及回油箱均有壓力，不便于油樣取樣。因此在設計時應充分考慮到日常監測中取樣要求，設置專用取樣閥，并配齊專用取樣工具，方便取樣，方便調速器用油取樣化驗檢查工作的開展。

5 結束語

雖然此次某臺機組調速器比例閥跟隨故障屬于比例閥運行過程中出現的偶發動作異常情況，但該故障現象將納入到設備診斷和故障分析中，根據出現問題不放過的原則將持續觀察和研究該類故障發生的深層次原因，上述原因分析的各項因素均可能影響機組安全穩定運行，嚴重時甚至引起機組過速、飛車等事故。在機組出現故障時，應綜合觀察各種現象，通過現象進行綜合判斷分析，找出各種可能引起故障的因素。本文通過對水輪機調速系統比例閥跟隨故障實例進行診斷分析，詳細說明其查找故障的過 程和處理措施，這些實踐經驗可以幫助檢修人員及時正確地判斷和處理調速器的各種故障，有效降低調速器故障和事故所帶來的經濟損失和設備損壞，保障水輪發電機組安全可靠的運行。