一起主閥位移傳感器異常造成水輪機非停事件的處理及分析

摘 要：針對一起水電站水輪機主閥位移傳感器異常造成水輪機非停的事件，通過分析該事件的基本情況、處置過程和原因，制定了對應(yīng)的整改措施，有效解決了主閥位移傳感器故障導(dǎo)致機組出力波動以及非停問題，期望能為類似問題的預(yù)防、分析和處置提供有益的參考和借鑒，支撐水力發(fā)電行業(yè)的安全、高效運行。

關(guān)鍵詞：水輪機；調(diào)速器；主閥位移傳感器；非停事件

中圖分類號：TM622" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）05-0007-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.05.002

0" " 引言

水輪機是水電站機組出力和負荷調(diào)節(jié)的核心設(shè)備，因電力系統(tǒng)負荷波動頻繁，為保證電能質(zhì)量、發(fā)電機組及電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，對水輪機調(diào)速器的可靠性要求不斷提高。水輪機調(diào)速器可以通過調(diào)節(jié)機組導(dǎo)葉開度大小來控制水通過水輪機的流量，從而實現(xiàn)水輪機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，以滿足電力系統(tǒng)對功率和頻率的要求。調(diào)速器系統(tǒng)中涉及多個測量環(huán)節(jié)，任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障都將導(dǎo)致水輪機調(diào)節(jié)失控，進而造成機組出現(xiàn)異常[1-2]，嚴重時甚至?xí)斐蓹C組非計劃停運，直接影響水輪發(fā)電機組乃至電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

本文所述水電站位于瀾滄江干流，是“西電東送”“云電外送”關(guān)鍵性工程，調(diào)速器系統(tǒng)采用東方電機公司生產(chǎn)的HGS-X20型數(shù)字式微機調(diào)速器電氣柜和HGS-H21-150-4.0型全液控機械柜。電氣柜由PCC X20控制器（雙通單調(diào)）控制，采用并聯(lián)PID調(diào)節(jié)規(guī)律，可在負載運行時通過給定導(dǎo)葉開度或功率實現(xiàn)現(xiàn)地和遠方自動控制。機械柜具有內(nèi)閉環(huán)的相對獨立的電液隨動系統(tǒng)，采用伺服比例閥作為電液轉(zhuǎn)換元件，將來自電氣柜的控制電流信號轉(zhuǎn)換為流量信號控制主配壓閥的動作，對機組進行自動控制。調(diào)速器油壓裝置每臺機一套，共6套，每套獨立運行，額定油壓為4.0 MPa，正常運行在油泵自動輪換模式，一臺泵主用一臺泵備用，當(dāng)油壓降至3.6 MPa時啟動工作油泵，當(dāng)油壓降至3.5 MPa時啟動備用油泵，當(dāng)油壓繼續(xù)降至2.8 MPa事故低油壓時啟動機械事故停機流程。

本文針對該站一起典型的調(diào)速器系統(tǒng)主閥位移傳感器異常造成水輪機組非計劃停機事件，對事件經(jīng)過、處置過程、原因分析和整改措施進行探討，可為類似問題預(yù)防、分析和處置提供有益的參考和借鑒。

1" " 基本情況

某日17：02：52，該站監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)“#3機故障錄波裝置啟動 有效”，全廠有功在790～836 MW之間變化，#3機組有功功率在180～230 MW之間變化，#3機組調(diào)速器油壓裝置油泵長時間運行，運行值班人員立即向調(diào)度值班員匯報并申請停機。經(jīng)同意后，電站運行值班人員將#3機退出AGC控制，逐步減負荷至160 MW時，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)“#3機調(diào)速器事故低油壓 有效”，#3機事故跳閘，監(jiān)控錄波曲線如圖1所示。

17：04，運行值班人員向調(diào)度匯報#3機有功功率異常變化情況并申請退出#3機AGC，中調(diào)調(diào)度值班員下令停#3機。

17：05：56，運行值班員退出#3機AGC控制、AVC控制，逐步開始減負荷至160 MW。

17：06：03，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)“#3機調(diào)速器事故低油壓 有效” “#3機組觸發(fā)退全廠AGC功能 有效” “#3機觸發(fā)退AVC功能 有效” “#3機跳閘 有效” “全廠事故信號 有效” “#3機GCB（003） 分閘位置”等信號，#3機事故停機，全廠AGC、AVC退出運行。

2" " 處置過程

事件發(fā)生后，電廠立即組織開展故障分析，專業(yè)人員對調(diào)速器電氣控制回路及機械控制回路進行了全面檢查，未發(fā)現(xiàn)異常。

18：40，落下#3機筒閥，進行#3機調(diào)速器靜水動作試驗，檢查調(diào)速器在機械手動控制方式下開關(guān)導(dǎo)葉動作正常，調(diào)速器兩路導(dǎo)葉位移傳感器測量值正常且偏差在1%以內(nèi)。

19：04，手動將#3機開機至水輪機狀態(tài)（非并網(wǎng)狀態(tài)），檢查調(diào)速器在機械手動控制方式下機組運行平穩(wěn)，調(diào)速器兩路導(dǎo)葉位移傳感器測量值正常。

19：10，#3機保持在水輪機狀態(tài)，將調(diào)速器切至自動方式，檢查發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉開度出現(xiàn)異常擺動，調(diào)速器調(diào)節(jié)失穩(wěn)，立即將調(diào)速器控制方式切至機械手動。

19：30，#3機保持在水輪機狀態(tài)，切換調(diào)速器A/B通道，將調(diào)速器切至電手動方式，檢查發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉開度出現(xiàn)異常擺動，調(diào)速器調(diào)節(jié)失穩(wěn)，立即將調(diào)速器控制方式切至機械手動。

19：35，將#3機手動停機，電廠專業(yè)人員對調(diào)速器電調(diào)柜比例放大板、機調(diào)柜伺服比例閥及手自動切換電磁閥等元器件進行更換，開機檢查問題仍然存在。

21：00，電廠專業(yè)人員進行#3機調(diào)速器隨動系統(tǒng)測試，發(fā)現(xiàn)在外環(huán)測試條件下設(shè)定導(dǎo)葉給定階躍100%～80%，導(dǎo)葉調(diào)整至80%附近并發(fā)生異常變化，同時主閥位置反饋幾乎不動（最大0.66%，最小0.16%），初步懷疑主閥位移測量回路異常。外環(huán)測試曲線如圖2所示。

21：30，電廠專業(yè)人員對主閥位移測量回路進行檢查，并對主閥位移傳感器進行了更換。

22：40，電廠專業(yè)人員繼續(xù)進行#3機調(diào)速器隨動系統(tǒng)測試，分別在內(nèi)環(huán)測試和外環(huán)測試條件下進行測試。調(diào)速器內(nèi)環(huán)、外環(huán)測試過程中調(diào)速器控制跟蹤正常，主閥位置反饋信號正確，外環(huán)測試條件下導(dǎo)葉無異常擺動現(xiàn)象。

23：20，將#3機自動開機至水輪機狀態(tài)，監(jiān)視#3機開機過程正常，在水輪機狀態(tài)運行正常，導(dǎo)葉動作平穩(wěn)，控制過程正確，導(dǎo)葉無異常擺動現(xiàn)象。

次日00：10，向中調(diào)匯報事件調(diào)查結(jié)果并申請將#3機組歸調(diào)運行。

3" " 原因分析

調(diào)速器隨動控制系統(tǒng)有兩個閉環(huán)反饋環(huán)節(jié)，一個是由主閥位置反饋構(gòu)成的內(nèi)環(huán)控制，另一個為導(dǎo)葉位置反饋構(gòu)成的外環(huán)控制，增益K0、K1、K2用于調(diào)整隨動系統(tǒng)控制的動態(tài)響應(yīng)特性與穩(wěn)定性。最終隨動控制系統(tǒng)輸出一路偏差控制信號作用于伺服比例閥來控制導(dǎo)葉開度，實現(xiàn)調(diào)速器的自動調(diào)節(jié)[3]。

水輪機調(diào)速器主閥位移傳感器的作用是采集主配壓閥活塞的位移，并將位移信號轉(zhuǎn)換為電氣信號，作為調(diào)速器隨動系統(tǒng)內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)的反饋[4]。在調(diào)速器隨動系統(tǒng)控制系統(tǒng)中，由外環(huán)計算得到的主閥給定值與主閥位移反饋構(gòu)成內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)，內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)輸出偏差調(diào)節(jié)信號至比例放大板，最終控制主配壓閥實現(xiàn)導(dǎo)葉的調(diào)節(jié)[5-6]。主閥位移反饋在調(diào)速器閉環(huán)控制環(huán)節(jié)中的位置如圖3所示。

由調(diào)速器隨動系統(tǒng)控制原理圖可知：

外環(huán)導(dǎo)葉偏差控制信號：ΔGV=K0×（GVRef-GVPos）；

內(nèi)環(huán)主閥偏差控制信號：ΔGM=K1×（ΔGV-K2×GMPos）。

在此次事件中，由于主閥位移傳感器故障，主閥位置反饋出現(xiàn)死值（約等于0且基本保持不動）。當(dāng)調(diào)速器接收到有功負荷設(shè)定指令時，調(diào)速器控制系統(tǒng)經(jīng)過功率模式PID運算，將PID控制輸出至隨動控制系統(tǒng)環(huán)節(jié)，即給定一個新的導(dǎo)葉開度值。在外環(huán)控制環(huán)節(jié)，新的導(dǎo)葉開度給定值與導(dǎo)葉位置反饋值進行差值運算，并經(jīng)過系數(shù)K0的調(diào)整，形成主閥位置給定值，進入內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)。在內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)，由于主閥位置反饋信號數(shù)據(jù)死值，內(nèi)環(huán)控制實質(zhì)已變成開環(huán)控制，造成電氣控制輸出超調(diào)，從而導(dǎo)致導(dǎo)葉超調(diào)。進入外環(huán)控制環(huán)節(jié)，因為導(dǎo)葉超調(diào)，外環(huán)控制環(huán)節(jié)輸出反向調(diào)節(jié)命令調(diào)整導(dǎo)葉開度，而在進入內(nèi)環(huán)控制后，導(dǎo)葉反向調(diào)節(jié)又會超調(diào)，如此反復(fù)，造成導(dǎo)葉反復(fù)來回動作。最后，由于導(dǎo)葉動作頻繁，調(diào)速器油壓系統(tǒng)油壓下降過快造成事故低油壓動作，#3機事故停機。

#3機停機后，專業(yè)人員對兩臺調(diào)速器油泵進行了自動啟動打油試驗，油泵的打油效率均正常。根據(jù)停機前#3機導(dǎo)葉開度的變化曲線以及故障排查時水輪機空轉(zhuǎn)狀態(tài)下手/自動切換試驗來看，調(diào)速器主配壓閥頻繁進行大幅度的開關(guān)導(dǎo)葉操作，動作時已達到最大開度，且持續(xù)時間較長，造成短時間內(nèi)調(diào)速器油壓系統(tǒng)油壓下降過快，即使兩臺油泵已啟動也未能維持油壓，從而引起調(diào)速系統(tǒng)事故低油壓動作。

4" " 治理措施

目前該站水輪機調(diào)速器控制系統(tǒng)為單主閥位移傳感器配置，存在調(diào)速器主閥位移傳感器故障造成機組異常跳閘的安全隱患。同時，#3機調(diào)速器主閥位移傳感器運行年限較長，設(shè)備發(fā)生老化損壞風(fēng)險高。為了消除因調(diào)速器主閥位移傳感器故障而造成機組異常跳閘的安全隱患，在#3機調(diào)速器機械柜內(nèi)新增一路主閥位移傳感器，實現(xiàn)傳感器冗余配置。

在#3機組A級檢修期間，在調(diào)速器系統(tǒng)中新增一路主閥位移傳感器，并更新調(diào)速器控制程序，增加雙路主閥位移傳感器故障切換邏輯，實現(xiàn)傳感器冗余配置。新增主閥位移傳感器和相關(guān)配件產(chǎn)品以及調(diào)速器控制器程序更新技術(shù)服務(wù)由調(diào)速器系統(tǒng)廠家提供。

5" " 結(jié)束語

此次事故原因是機組調(diào)速器主閥位移傳感器運行年限較長，設(shè)備發(fā)生老化損壞。在運行機組出力調(diào)整時，因傳感器損壞造成導(dǎo)葉超調(diào)，導(dǎo)葉頻繁異常擺動引起機組及全廠出力波動，最終機組事故低油壓跳機，是一起典型的水輪機調(diào)速器主閥位移傳感器異常造成水輪機非停事件，具有借鑒學(xué)習(xí)意義。

事件后，該站采取了新增雙路主閥位移傳感器、優(yōu)化完善調(diào)速器程序等措施，經(jīng)過測試檢查，雙路主閥位移傳感器動作靈敏，采樣偏差在正常范圍內(nèi)，故障判斷準確，故障切換邏輯正確，故障切換造成的功率波動在可控范圍內(nèi)。通過改進后兩年的運行實踐可知，相對單主閥位移傳感器配置，雙主閥位移傳感器配置有效提高了調(diào)速器系統(tǒng)安全運行的可靠性。

[參考文獻]

[1] 韓向陽，杜沅楓，王家璇，等.淺析某水電站調(diào)速器導(dǎo)葉位移傳感器反饋故障[J].四川水力發(fā)電，2023，42（增刊1）：130-134.

[2] 張曉輝，唐杰陽，逯俊杰，等.淺析水輪發(fā)電機組的調(diào)速器調(diào)節(jié)模式[J].水電廠自動化，2016（1）：39-41.

[3] 王小龍.淺談大朝山電站一次調(diào)頻與AGC協(xié)同控制參數(shù)優(yōu)化方法[J].中國設(shè)備工程，2023（17）：137-139.

[4] 羅海龍.大朝山調(diào)速器油泵頻繁啟動原因分析及處理[J].水電站機電技術(shù)，2020，43（10）：52-55.

[5] 劉歡，常中原，盧舟鑫，等.向家壩電站調(diào)速器主配壓閥位移傳感器技術(shù)改造[J].中國農(nóng)村水利水電，2020（2）：138-142.

[6] 李明.水輪機調(diào)速器主配壓閥動作異常案例分析[C]//2016年中國電機工程學(xué)會年會論文集，2016：1-4.

收稿日期：2024-07-15

作者簡介：龍凡（1989—），男，湖北荊門人，工程師，主要從事水電站運行與維護工作。