水輪發電機組過速事故分析及處理

繆文輝

摘 要：針對水輪機調速器故障引發機組過速事故，介紹了PSWT型比例伺服數字微機調速器，事故的過程及處理，并詳細分析了事故原因，提出防范對策。

關鍵詞：調速器;過速;原因;防范對策

中圖分類號：TV737 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）20-0144-02

1 簡介

某水電站5號水輪機調速器系統采用武漢三聯水電控制設備有限公司PSWT-100型比例伺服數字微機調速器。該調速器機械部分采用兩套互為熱備用的電液轉換機構、機械手動操作機構、自動復中裝置、主配壓閥、緊急停機電磁閥等構成機械液壓隨動系統。先導控制級采用比例伺服閥、數字球閥構成的機械冗余結構，對主配壓閥進行裕度控制。該先導級可以分別通過比例伺服閥或者數字球閥進行自動控制，互不干擾，互為熱備用。比例伺服閥、數字球閥都起電液轉換作用，將電氣信號轉換成位移和流量信號，進而形成接力器行程。兩套控制系統一套在線運行，則另一套熱備用;由調速器電氣部分進行切換分選。如調速器電氣控制部分檢測主用的電液轉換環節發生拒動卡阻時，電磁閥將自動切換至熱備用的電液轉換環節。

PSWT-100型調速器系統，采用比例伺服閥作為調速器液壓系統的主用電液轉換元件，該閥由德國BOSCH公司生產。比例伺服閥是比例和伺服技術有機結合的產物，采用比例閥中的比例電磁鐵作為電氣、機械轉換器，而功率級滑閥又采用伺服閥的結構和閥芯、閥套加工技術。比例伺服閥電磁操作力大、靜態精度高、動態響應好，特別適用于閉環系統，具有重復性和滯環小的控制特點。數字球閥具有防油污和抗卡能力強的特性，是理想的小功率液壓控制和先導控制回路元件。彌補比例伺服閥對油質要求高的缺點，并且在調節過程中有實時的70～80Hz的微小顫動量，有效防止卡阻，作為比例伺服閥的冗余備份，確保調速器可靠控制。

2 事故經過

3月16日7時01分，5號機組開機，監控系統啟動開機流程。機組開機過程轉速120%過速，調速器拒動，導葉未關回。運行人員現場檢查，機組頻率58.8Hz，調速器故障燈亮。運行人員現地操作停機流程，緊急停機動作，停穩機組。

5號機過速過程調速器故障信號“比例閥出錯”、“導葉機械拒動”。監控系統信號“調速器局部故障”、“5號機轉速105.6%，越上限”、“5號發電機115%過速保護動作”、“5號機轉速110.3%，越上上限”。

3 事故檢查、處理經過

事故發生后，檢修人員檢查確認自動控制回路動作正確，初步判斷機組過速為調速器機械卡阻拒動引起。為確定調速器故障原因與故障發生部位，對5號機進行空載開機試驗檢查。檢查情況如下：（1）調速器切“機手動”，數字球閥工作。現地手動操作數字球閥，開側數字球閥操作正常，關側數字球閥無法操作;（2）調速器切“電動”，比例閥工作。現地電手動操作比例閥，開關機組導葉正常;（3）調速器切“電動”，數字球閥工作。現地電動操作數字球閥，開側數字球閥操作正常，關側數字球閥無法操作。經上述現場檢查，確認關側數字球閥損壞。更換失效的數字球閥后，5號機自動開、停機正常。

4 事故原因分析

4.1 機組開機過速過程分析

5號機正常開機時，調速器接到開機令，自動將導葉開至開機導葉最大開度33%amax。當機組頻率達到45Hz時，調速器經PID調節，將導葉調至對應水頭的空載開度。該過程如圖1所示。

3月16日5號機開機，調速器比例閥將導葉開至28%amax開度時，機械卡阻，調速器控制輸出與導葉開度存在5%amax偏差，調速器判斷比例閥出錯，切數字球閥運行。此時機組頻率已達45Hz，調速器投入PID調節，操作關側數字球閥，欲將導葉關回至空載開度。由于關側數字球閥失效，導葉未動作，保持28%amax開度，機組轉速繼續上升。當機組轉速升至120%Ne左右時，機組動力矩與阻力距達到平衡，轉速不再上升。該過程如圖2所示。

4.2 機組115%過速保護動作情況分析

通常，如果5號機轉速115%過速，又遇調速器故障，經延時投入事故配壓閥，機組緊急停機。由于5號機主配發卡接點不能正確反應主配壓閥的實際情況，機組過速限制回路采用調速器自動控制退出替代常見的主配發卡接點。機組現地控制單元LCU判斷調速器故障的依據是調速器自動控制退出。

4.2.1 調速器自動控制退出信號動作情況分析

調速器自動控制退出PLC回路如圖3所示。3月16日5號機開機，比例閥卡阻，調速器判斷導葉機械拒動，導葉機械拒動000393閉合，比例閥控制出錯000446動作（回路1）;進而比例閥控制出錯000444動作并自保持（回路3、4）。調速器切數字球閥運行，關側數字球閥失效，調速器判斷導葉機械拒動，導葉機械拒動000393閉合，由于比例閥控制出錯000444打開，數字閥控制出錯000447無法動作（回路1、2）;故數字閥控制出錯000445無法動作（回路5、6）;進而自動控制退出000013無法復歸（回路7）。

注釋：000393導葉機械拒動;001024機手動;000003比例閥工作;000445數字閥控制出錯;000446比例閥控制出錯;000444比例閥控制出錯;000447數字閥控制出錯;000402上電2S動作;000313復歸信號;000312導葉反饋斷線;000013自動控制退出。

調速器自動控制退出判據為：調速器機手動、導葉反饋斷線、比例閥和數字閥均出錯（回路7）。由于數字閥出錯000445未動作，故調速器自動控制退出未動作。

同樣，如果調速器在數字閥主用時出錯，比例閥出錯000446也要判別數字閥無出錯（數字閥控制出錯000445未動作），故調速器自動控制退出亦無法動作。

4.2.2 機組115%過速保護動作情況分析

注釋：I0072導葉空載及以上位置;I0020轉速115%接點;I0092調速器自動控制退出接點;I0066機組開關分位置;M0109中間變量;M0107事故回路中間變量;I0028現地投事故配壓閥;Q0024事故配壓閥投入。

機組115%過速保護PLC回路如圖4所示。由于調速器自動控制退出未復歸，故調速器自動控制退出接點I0092閉合，中間變量M0109動作（回路1）;則事故回路中間變量M0107未動作（回路2）。事故配壓閥投入Q0024無法動作（回路4），機組無法動作緊急停機。

綜上所述，事故發生過程中，自動回路動作正確。5號機過速時，由于調速器自動控制退出回路存在的設計缺陷，致使機組115%過速保護未動作。

5 防范措施

5.1 比例閥發卡防范措施

比例伺服閥的先導級單純采用滑閥的閥芯、閥套配合形式，液壓集成塊內部油流通道沒有微小節流孔口，不易堵塞。油質的精度通常小于20μm即可，要求不太高。但比例伺服閥仍屬高精密的元件，若油中存在的雜質較大，尤其是較大的金屬雜質，在調速器工作過程中，雜質可能卡住比例伺服閥導致其無法復中，引起水輪機導葉異常動作。如要避免此種故障，建議做到以下三點：（1）加強調速器在大、小修時的檢查、維護工作;閥體內部油流通道徹底清洗干凈，確保無雜質遺留，避免雜質進入閥體內部流道，造成比例伺服閥閥芯卡阻;（2）調速器油過濾器更換高目數濾網，確保調速系統油質清潔，無雜質;（3）定期檢修維護比例伺服閥，完善周期試驗、更換制度。

5.2 機組115%過速保護未動作防范措施

針對調速器自動控制退出回路設計缺陷，修改調速器控制程序，確保調速器在機械拒動時，準確送出調速器自動控制退出信號，保證機組115%過速保護正確動作，保障機組運行安全。

6 結語

5號機調速器關側數字球閥損壞是機組過速的直接原因，致使導葉無法關回;先導閥或者比例伺服閥瞬時發卡，是機組過速的間接原因。調速器自動控制退出回路的設計缺陷是造成機組115%過速保護未動作停機的原因。

參考文獻

[1] 黃志堅，王欽若.電液伺服與比例控制裝置使用與維修[M].北京：中國電力出版社，2009.

[2] 許益民.電液比例控制系統分析與設計[M].北京：機械工業出版社，2005.

[3] 武漢三聯水電控制設備有限公司[G].數字調速器原理操作說明書，2011.