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(xué)科技學(xué)院，湖北 宜昌443000）

0 引言

水輪機(jī)調(diào)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(shí)現(xiàn)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(jìn)電機(jī)，其中任意一套控制器與相應(yīng)的機(jī)械液壓系統(tǒng)相配合，均能獨(dú)立實(shí)現(xiàn)全部控制功能和保證達(dá)到全部調(diào)節(jié)性能要求；當(dāng)A套或B套控制器任意一套出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)，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(shí)，可發(fā)出故障信號至電氣柜觸摸屏和監(jiān)控系統(tǒng)，并根據(jù)預(yù)先設(shè)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(jìn)行檢修。但是，雙套控制器同時(shí)出現(xiàn)故障時(shí)調(diào)速器將可能會失控，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 異常事件概述

某次水電廠某臺機(jī)組在負(fù)荷調(diào)整過程中，調(diào)速器報(bào)A套比例閥跟隨故障，調(diào)速器自動切B套運(yùn)行。其主要事件過程描述如下：06：48：20，某臺機(jī)組處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，所帶的負(fù)荷為578.33 MW，調(diào)速系統(tǒng)各設(shè)備運(yùn)行正常；4 min后監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)有功調(diào)節(jié)指令，機(jī)組負(fù)荷調(diào)整至628.00 MW；3 s后監(jiān)控系統(tǒng)收到A套調(diào)速器停機(jī)報(bào)警，調(diào)速器自動切B套運(yùn)行；隨后運(yùn)行人員在監(jiān)控系統(tǒng)中遠(yuǎn)方投入機(jī)組有功閉環(huán)，調(diào)速器在B套有功模擬量給定方式運(yùn)行，監(jiān)控系統(tǒng)重新下發(fā)有功調(diào)節(jié)指令，機(jī)組負(fù)荷調(diào)整至650.00 MW，設(shè)備動作正常；經(jīng)檢查設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定后，運(yùn)行人員現(xiàn)場手動復(fù)歸調(diào)速器故障，故障消失，設(shè)備運(yùn)行正常。

2 異常事件檢查及處理

異常事件發(fā)生后，維護(hù)人員對調(diào)速器電氣元器件和調(diào)速器主配壓閥行程壓板及引導(dǎo)閥等設(shè)備進(jìn)行檢查，初步發(fā)現(xiàn)在步進(jìn)電機(jī)主用時(shí)引導(dǎo)閥及行程壓板動作正常，無卡阻情況，設(shè)備運(yùn)行正常。通過查看電氣柜觸摸屏事件記錄和歷史曲線，調(diào)取監(jiān)控系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析并及時(shí)采取相關(guān)處理措施。

2.1 調(diào)速器電氣柜設(shè)備檢查

維護(hù)人員現(xiàn)場檢查調(diào)速器電氣柜設(shè)備發(fā)現(xiàn)柜內(nèi)的PCC控制器運(yùn)行正常，比例閥插頭接線牢靠，比例閥及其自動化元器件運(yùn)行正常，故障報(bào)警繼電器動作可靠。通過查看調(diào)速器電氣柜觸摸屏事件記錄發(fā)現(xiàn)，06：52：21調(diào)速器A套主用報(bào)比例閥跟隨故障和調(diào)速器事故動作；隨后調(diào)速器自動切B套主用運(yùn)行。查看監(jiān)控系統(tǒng)事件記錄發(fā)現(xiàn)，當(dāng)收到A套比例閥跟隨故障時(shí)，切換閥裝置自動復(fù)歸投入，切至B套步進(jìn)電機(jī)主用態(tài)運(yùn)行，同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)把控制模式切換為開度模式。由調(diào)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(fù)載狀態(tài)下，比例閥閥芯給定值與反饋值的差值大于10%，且持續(xù)時(shí)間超過1 s的條件后即可報(bào)警。結(jié)合對比兩者故障信息和時(shí)間發(fā)現(xiàn)，調(diào)速器觸摸屏記錄的事件過程與監(jiān)控系統(tǒng)事件完全一致，動作過程符合控制邏輯。

2.2 調(diào)速器電氣柜數(shù)據(jù)分析

通過查看趨勢分析軟件可以得出以下結(jié)果：

（1）06：52：20，調(diào)速器由于接收到監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的有功調(diào)節(jié)指令，調(diào)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(jīng)上升為60%，而在此過程中導(dǎo)葉開度一直維持在57.54%，并未進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（3）06：52：22，調(diào)速器自動切 B 機(jī)主用，調(diào)速器運(yùn)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(dāng)前開度值57.54%。

在 06：52：20～06：52：21 的這 1 s時(shí)間之內(nèi)，調(diào)速器的開度給定值持續(xù)上升，而導(dǎo)葉開度維持不變，可判斷出調(diào)速器的主配閥芯未動作，即調(diào)速器的比例閥或主配閥芯出現(xiàn)了卡澀現(xiàn)象。

綜上所述，該機(jī)組在調(diào)整負(fù)荷過程中，調(diào)速器報(bào)比例閥跟隨故障動作符合調(diào)速器電氣控制邏輯，說明調(diào)速器電氣設(shè)備控制邏輯合理，設(shè)備動作可靠。

2.3 調(diào)速器比例閥跟隨試驗(yàn)

為了進(jìn)一步確認(rèn)故障原因，更好的保障機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，維護(hù)人員現(xiàn)場進(jìn)行故障重現(xiàn)試驗(yàn)，進(jìn)行調(diào)速器比例閥跟隨和切換試驗(yàn)，觀察比例閥動作情況。現(xiàn)場將該機(jī)組調(diào)速器控制模式切換到比例閥電手動狀態(tài)，由于主配壓閥有自關(guān)閉趨勢，當(dāng)導(dǎo)葉開度下降到調(diào)節(jié)范圍時(shí)，通過A套控制器的比例閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，其負(fù)荷變化為10 MW，開度變化為0.15%，試驗(yàn)中比例閥共動作7次，比例閥跟隨均正常。

（1）帶負(fù)荷進(jìn)行切換試驗(yàn)。維護(hù)人員對機(jī)組進(jìn)行故障重現(xiàn)試驗(yàn)?，F(xiàn)場將機(jī)組調(diào)速器控制模式切換到比例閥電手動狀態(tài)，通過手動增減開度驗(yàn)證比例閥動作靈活性，經(jīng)過多次試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，比例閥跟隨正常，隨后切至A套自動運(yùn)行，持續(xù)觀察發(fā)現(xiàn)在比例閥主用的情況下比例閥跟隨正常。

（2）停機(jī)過程中減負(fù)荷。該機(jī)組在停機(jī)過程中，維護(hù)人員對機(jī)組停機(jī)過程監(jiān)測比例閥跟隨情況，同時(shí)進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整以重現(xiàn)當(dāng)時(shí)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。首先負(fù)荷由67萬kW開始逐漸下降，在負(fù)荷50萬kW以上時(shí)以4萬kW的速率逐級向下調(diào)整負(fù)荷；負(fù)荷在50萬～40萬kW之間時(shí)采用以5萬kW的速率逐級向下調(diào)整負(fù)荷；負(fù)荷在40萬kW以下時(shí)采用以10萬kW的速率逐級向下調(diào)整。從機(jī)組停機(jī)過程中的負(fù)荷調(diào)整情況來看，在比例閥主用的情況下負(fù)荷調(diào)整正常，調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行正常，比例閥跟隨正常，未發(fā)現(xiàn)異常情況（圖1）

圖1 停機(jī)過程導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律

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

圖2 開機(jī)過程導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律

結(jié)合以上真機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證后可以得出，該機(jī)組在開機(jī)過程、停機(jī)過程以及增減負(fù)荷的過程中對比例閥、主配及導(dǎo)葉動作情況進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，調(diào)速器主配壓閥行程壓板及引導(dǎo)閥等設(shè)備運(yùn)行正常，在比例閥主用時(shí)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(diào)速器油樣化驗(yàn)

從調(diào)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(yàn)以及真機(jī)故障復(fù)現(xiàn)試驗(yàn)等多角度分析和處理，可以得到調(diào)速器系統(tǒng)運(yùn)行情況良好，均未出現(xiàn)比例閥跟隨故障情況。維護(hù)人員為了進(jìn)一步明確故障原因，逐級排除可能存在的原因，接下來維護(hù)人員對該機(jī)組調(diào)速器油樣進(jìn)行化驗(yàn)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(yàn)結(jié)果和檢修前油罐底部油樣情況來看，調(diào)速器油樣化驗(yàn)結(jié)果滿足要求，顆粒度為7級，檢修前的油質(zhì)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(xiàn)堵塞報(bào)警信號。通過趨勢分析和主配壓閥過濾器濾芯參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，過濾器單個(gè)濾芯納污量為33.1 g，在壓差值為0.5 MPa時(shí)，過濾器的通流量可達(dá)約150 L/min，完全滿足主配壓閥控制油供油問題，不會因?yàn)榭刂朴凸┯筒蛔銓?dǎo)致比例閥動作不到位的情況。同時(shí)，調(diào)速器在發(fā)生比例閥跟隨故障時(shí)，主配 壓閥過濾器壓差傳感器并未報(bào)警，未出現(xiàn)濾芯堵塞情況。

圖3 某臺機(jī)組調(diào)速器油樣化驗(yàn)結(jié)果

圖4 主配壓閥過濾器濾芯參數(shù)1

圖5 主配壓閥過濾器濾芯參數(shù)2

綜上所述，該機(jī)組調(diào)速器控制油供油質(zhì)量滿足使用要求，油質(zhì)合格。

3 異常事件原因分析

由調(diào)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(fù)載狀態(tài)下，滿足比例閥閥芯給定值與反饋值的差值大于10%，且持續(xù)時(shí)間超過1 s的條件后即可報(bào)警。結(jié)合趨勢數(shù)據(jù)分析看出，比例閥跟隨故障報(bào)出前1 s，導(dǎo)葉PID給定值上升至59.93%，主配中位給定達(dá)到1 067個(gè)碼值，比例閥輸出增加至21 046個(gè)碼值，而此時(shí)比例閥反饋值19 872個(gè)碼值未變化，仍保持在中位，滿足比例閥跟隨故障觸發(fā)條件，導(dǎo)致A套調(diào)速器報(bào)嚴(yán)重故障，切至B套運(yùn)行。由此得出，調(diào)速器電氣柜控制邏輯正常，設(shè)備動作正常。經(jīng)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(dǎo)致比例閥掉電

當(dāng)比例閥電源插頭松脫或接觸不良時(shí)比例閥會出現(xiàn)掉電情況，此后比例閥會自動復(fù)歸到故障位，比例閥在故障位置時(shí)停止配油，接力器將不會動作，導(dǎo)葉開度維持不變，將會出現(xiàn)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(chǎn)生的電磁力進(jìn)行驅(qū)動，比例伺服閥驅(qū)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(chǎn)生的電磁力無法驅(qū)動活塞桿動作時(shí)，比例閥將不會動作或動作不到位，同樣會導(dǎo)致導(dǎo)葉開度維持不變。

（3）比例閥活塞發(fā)卡

雖然每年機(jī)組檢修時(shí)對調(diào)速器油壓裝置回油箱及油罐內(nèi)透平油進(jìn)行過濾處理，但未對調(diào)速器油系統(tǒng)各部件進(jìn)行過徹底清洗，可能存在以下問題：各部件可能因油質(zhì)、機(jī)械磨損等原因出現(xiàn)卡澀、密封磨損、老化情況；調(diào)速器用油中含有雜質(zhì)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(dǎo)閥和主配壓閥出現(xiàn)發(fā)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(fā)卡風(fēng)險(xiǎn)。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(fā)卡的可能性。

4 防范措施及建議

4.1 防范措施

由于調(diào)速器控制設(shè)計(jì)為A套/B套熱備冗余控制系統(tǒng)，A套比例閥故障后會無擾切換至B套運(yùn)行，若2套同時(shí)發(fā)生故障時(shí)會自動切至機(jī)手動運(yùn)行，該情況在汛期對機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)較小，計(jì)劃在下輪歲修中對比例閥閥組及控制回路進(jìn)行重點(diǎn)檢查和校驗(yàn)。目前采取以下措施進(jìn)行處理：

（1）加強(qiáng)現(xiàn)地設(shè)備巡檢。對調(diào)速器液壓系統(tǒng)現(xiàn)地設(shè)備的巡回檢查，重點(diǎn)檢查調(diào)速器主配壓閥行程壓板及引導(dǎo)閥等設(shè)備。

（2）提升運(yùn)行人員操作技能。（3）做好備品備件準(zhǔn)備工作。

（4）定期跟蹤油質(zhì)分析。對發(fā)現(xiàn)問題的油及時(shí)更換。在機(jī)組檢修時(shí)對調(diào)速器液壓系統(tǒng)用油定期進(jìn)行靜電濾油，并進(jìn)行油樣化驗(yàn)，油質(zhì)合格后方可使用，對發(fā)現(xiàn)存在混油現(xiàn)象的機(jī)組進(jìn)行徹底換油，不得再使用。

（5）定期清洗維護(hù)。機(jī)組檢修時(shí)安排對調(diào)速器液壓系統(tǒng)各部件進(jìn)行定期清洗維護(hù)，更換密封件，以保證機(jī)組可靠性。

4.2 改進(jìn)建議

比例閥控制是調(diào)速器控制運(yùn)行中非常關(guān)鍵的一環(huán)，其動態(tài)調(diào)節(jié)品質(zhì)及響應(yīng)時(shí)間是否符合要求、控制邏輯是否科學(xué)至關(guān)重要，圍繞提高機(jī)組的調(diào)速器比例閥控制運(yùn)行問題，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重視以下幾點(diǎn)：

（1）比例閥失電保護(hù)控制邏輯。比例閥的驅(qū)動裝置是比例電磁鐵，驅(qū)動器接受電壓或電流信號，當(dāng)出現(xiàn)比例閥驅(qū)動裝置失電情況時(shí)，要充分考慮調(diào)速器控制邏輯的優(yōu)化和完善。

（2）比例閥電磁干擾問題。比例伺服閥驅(qū)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(chǎn)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(chǎn)生的電磁力進(jìn)行驅(qū)動，可提高工作的可靠性，也能夠增強(qiáng)抗油污能力。但是如果存在外界磁場干擾，比例閥產(chǎn)生的電磁力無法驅(qū)動活塞桿動作時(shí)，比例閥將不會動作或動作不到位，同樣會導(dǎo)致導(dǎo)葉開度維持不變。因此設(shè)計(jì)和布置時(shí)應(yīng)充分考慮比例閥附近設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾信號，采取抗電磁干擾措施。

（3）比例閥用油質(zhì)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(fā)卡風(fēng)險(xiǎn)。因此應(yīng)制定包括用油規(guī)格、化驗(yàn)要求、檢驗(yàn)項(xiàng)目、檢查周期、換油周期等詳細(xì)而嚴(yán)格的保養(yǎng)要求，提高潤滑油的管理水平。

（4）調(diào)速器用油取樣問題。機(jī)組在檢修狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)及管道無壓力，可以方便取油樣，但是機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，液壓系統(tǒng)的油罐、管道及回油箱均有壓力，不便于油樣取樣。因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮到日常監(jiān)測中取樣要求，設(shè)置專用取樣閥，并配齊專用取樣工具，方便取樣，方便調(diào)速器用油取樣化驗(yàn)檢查工作的開展。

5 結(jié)束語

雖然此次某臺機(jī)組調(diào)速器比例閥跟隨故障屬于比例閥運(yùn)行過程中出現(xiàn)的偶發(fā)動作異常情況，但該故障現(xiàn)象將納入到設(shè)備診斷和故障分析中，根據(jù)出現(xiàn)問題不放過的原則將持續(xù)觀察和研究該類故障發(fā)生的深層次原因，上述原因分析的各項(xiàng)因素均可能影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)甚至引起機(jī)組過速、飛車等事故。在機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)，應(yīng)綜合觀察各種現(xiàn)象，通過現(xiàn)象進(jìn)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)比例閥跟隨故障實(shí)例進(jìn)行診斷分析，詳細(xì)說明其查找故障的過 程和處理措施，這些實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可以幫助檢修人員及時(shí)正確地判斷和處理調(diào)速器的各種故障，有效降低調(diào)速器故障和事故所帶來的經(jīng)濟(jì)損失和設(shè)備損壞，保障水輪發(fā)電機(jī)組安全可靠的運(yùn)行。