李紅濤，王仲昌，鄧友漢，舒 進(jìn)，張敬革

（1.烏東德水力發(fā)電廠籌建處，云南 昆明650000；2.三峽水利樞紐梯級(jí)調(diào)度通信中心，湖北 宜昌443000；3.三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌443000）

三峽電站有多臺(tái)單機(jī)容量700 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，該電站在電力系統(tǒng)中主要充當(dāng)基荷，機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于電網(wǎng)的穩(wěn)定具有重要影響。水輪機(jī)調(diào)速器的運(yùn)行穩(wěn)定性嚴(yán)重影響著機(jī)組本身，甚至整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行[1]。調(diào)速器抽動(dòng)是指在機(jī)組空載或并網(wǎng)運(yùn)行工況、自動(dòng)平衡狀態(tài)下，調(diào)速器主配壓閥不停抽動(dòng)，導(dǎo)葉接力器等幅或非等幅周期性快速往復(fù)移動(dòng)，壓油裝置油泵啟動(dòng)頻繁，機(jī)組有功功率持續(xù)波動(dòng)。嚴(yán)重時(shí)影響調(diào)速器對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速的正常調(diào)節(jié)，出力波動(dòng)較大，嚴(yán)重危及機(jī)組、電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

1 故障現(xiàn)象

某日11：25至次日02：01，某號(hào)機(jī)組帶計(jì)劃負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，監(jiān)控系統(tǒng)先后3次彈出“×號(hào)機(jī)組調(diào)速器壓油罐油位越低限”、“×號(hào)機(jī)組調(diào)速器壓油罐壓力越低限”報(bào)警，同時(shí)伴有“×號(hào)機(jī)組主配壓閥動(dòng)作”信號(hào)。工作人員監(jiān)控發(fā)現(xiàn)機(jī)組調(diào)速器壓油罐油位及壓力短時(shí)間內(nèi)迅速下降，系統(tǒng)單位時(shí)間耗油量遠(yuǎn)超出正常帶負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的平均耗油量25.52 L/min。故障期間兩臺(tái)油泵同時(shí)加載運(yùn)行仍不能維持系統(tǒng)壓力，集油槽油溫顯著上升?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)主配壓閥頻繁抽動(dòng)，平均2 s動(dòng)作一次，并伴有“嗤嗤”聲，抽動(dòng)頻率、幅度均較大。前2次報(bào)警出現(xiàn)后，值班員針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況降低機(jī)組負(fù)荷后恢復(fù)正常。第3次報(bào)警值班員降低機(jī)組負(fù)荷后液壓系統(tǒng)仍然有嚴(yán)重抽動(dòng)，最終將機(jī)組退出運(yùn)行。

表1 調(diào)速器抽動(dòng)液壓系統(tǒng)參數(shù)

圖1 抽動(dòng)故障曲線

2 故障原因分析

2.1 頻率調(diào)節(jié)模式下測(cè)頻信號(hào)源異常

該機(jī)型調(diào)速器有兩種測(cè)頻方式，一種是齒盤測(cè)頻，由安裝在水輪機(jī)大軸上的齒盤和6個(gè)脈沖轉(zhuǎn)速探測(cè)器組成；另一種是發(fā)電機(jī)殘壓測(cè)頻，取自于發(fā)電機(jī)電壓互感器。兩種測(cè)量信號(hào)相互獨(dú)立。巨型水電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，振動(dòng)較大，尤其是在開(kāi)停機(jī)暫態(tài)過(guò)程中這種振動(dòng)更甚。在機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行后，安裝在機(jī)組大軸的脈沖轉(zhuǎn)速探測(cè)器可能出現(xiàn)松動(dòng)。

在測(cè)頻時(shí)，探測(cè)器的振蕩信號(hào)會(huì)疊加到機(jī)組頻率信號(hào)上。若機(jī)組大軸齒盤在切線方向的速度為Va，探測(cè)器在齒盤切線方向的速度分量為Vb。當(dāng)兩者同方向時(shí)，相對(duì)速度Vn=Va-Vb，若兩者不同方向，相對(duì)速度Vn=Va+Vb。從圖2中可以看出，即使機(jī)組轉(zhuǎn)速保持恒定，轉(zhuǎn)速探測(cè)器輸出的轉(zhuǎn)速信號(hào)也會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)這種變化超過(guò)調(diào)速器轉(zhuǎn)速死區(qū)，便會(huì)引起調(diào)速器主配壓閥及接力器的異常抽動(dòng)。另外大軸齒盤由于安裝或振動(dòng)過(guò)大的原因，運(yùn)行中齒盤偏心，也會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速信號(hào)周期性變化。殘壓測(cè)頻在開(kāi)機(jī)時(shí)殘壓過(guò)低，在測(cè)頻單元質(zhì)量不可靠、元器件老化等情況下，頻率信號(hào)異常同樣會(huì)引起調(diào)速器抽動(dòng)現(xiàn)象。

圖2 齒盤測(cè)頻原理圖

2.2 液壓系統(tǒng)存在空氣

由于液壓系統(tǒng)油路中存在空氣，調(diào)節(jié)中空氣受壓縮，而調(diào)節(jié)結(jié)束后，受壓縮的空氣膨脹，導(dǎo)致壓力下降，致使接力器活塞兩腔壓力不平衡，引起接力器抽動(dòng)。這種情況下，接力器的抽動(dòng)頻繁且幅度非常大。

2.3 調(diào)速器主配壓閥及接力器存在嚴(yán)重內(nèi)漏

正常情況下，透平油會(huì)通過(guò)主配壓閥閥盤與閥套間隙、接力器活塞盤與接力器殼體間隙少量滲漏。機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行后，如果主配壓閥和接力器由于內(nèi)部磨損嚴(yán)重造成間隙變大，透平油滲漏量會(huì)迅速增加。內(nèi)滲嚴(yán)重會(huì)使主配壓閥及接力器原有平衡被打破，主配和接力器會(huì)朝著某一個(gè)方向移動(dòng)，進(jìn)而引起機(jī)組輸出功率的變化。在PID調(diào)節(jié)的作用下，主配和接力器會(huì)回到原來(lái)位置。此過(guò)程往復(fù)循環(huán)，則形成主配或調(diào)速器抽動(dòng)。

2.4 主配壓閥閥芯未能復(fù)歸中位

機(jī)組如無(wú)負(fù)荷調(diào)節(jié)，主配壓閥的閥芯必須保持在工作中間位置。在機(jī)組增減負(fù)荷或者開(kāi)停機(jī)過(guò)程中，主配壓閥閥芯會(huì)根據(jù)比例伺服閥輸出的液壓控制信號(hào)做出相應(yīng)動(dòng)作，高壓油會(huì)通過(guò)管道流向接力器開(kāi)啟腔或關(guān)閉腔，在調(diào)整動(dòng)作結(jié)束后閥芯復(fù)歸中位。若在機(jī)組調(diào)整到目標(biāo)負(fù)荷后，閥芯未能復(fù)歸中間位置，則機(jī)組負(fù)荷會(huì)繼續(xù)增加（減少），在超出調(diào)節(jié)死區(qū)范圍后，電氣部分輸出減（增）負(fù)荷信號(hào)使閥芯做出相應(yīng)移動(dòng)。當(dāng)機(jī)組輸出負(fù)荷再次達(dá)到目標(biāo)后，閥芯由于依舊未能復(fù)歸中位，引起電氣部分往返控制造成抽動(dòng)。

2.5 主配壓閥閥芯位移傳感器或接力器位移傳感器故障

從圖3中可以看出，該型號(hào)調(diào)速器采用內(nèi)環(huán)負(fù)反饋控制體系[2]，其利用主配壓閥閥芯位移傳感器和接力器位移傳感器采集位置信息，形成電子反饋信號(hào)。水輪機(jī)調(diào)速器所處的運(yùn)行環(huán)境，主要是以不調(diào)節(jié)的平衡工況為背景，主配壓閥閥芯在中間位置時(shí)，其位移傳感器也應(yīng)在零點(diǎn)位置。二者位移傳感器故障或者松動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的反饋信號(hào)，引起異常抽動(dòng)[3]。

圖3 微機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)方框圖

2.6 功率調(diào)節(jié)模式下功率變送器故障造成反饋信號(hào)異常

該電站機(jī)組并網(wǎng)后調(diào)速器以功率調(diào)節(jié)模式為主，有功功率的測(cè)量及反饋顯得尤為重要。功率變送器作為功率模式下重要的反饋信號(hào)輸出設(shè)備，如果在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)死機(jī)等故障而輸出錯(cuò)誤信號(hào)，將引起調(diào)速器反復(fù)調(diào)節(jié)。

2.7 導(dǎo)葉接力器反應(yīng)時(shí)間常數(shù)Ty偏小

當(dāng)Ty值偏小時(shí)，相當(dāng)于主配壓閥與導(dǎo)葉接力器構(gòu)成的積分環(huán)節(jié)增益偏大。此時(shí)若有較強(qiáng)的調(diào)節(jié)信號(hào)輸入，會(huì)出現(xiàn)主配壓閥及接力器較高頻率抽動(dòng)[4]。

2.8 存在外部電磁干擾

當(dāng)有外部繼電器或者電磁鐵動(dòng)作、較大的電氣設(shè)備啟停時(shí)，會(huì)有較強(qiáng)的電磁干擾，引起主配壓閥和接力器抽動(dòng)。

3 故障原因檢查及處理方法

3.1 抽動(dòng)故障原因檢查

根據(jù)對(duì)可能引發(fā)調(diào)速器抽動(dòng)故障的原因分析，按以下順序?qū)φ{(diào)速器機(jī)械及電氣部分進(jìn)行逐一排查和試驗(yàn)。

3.1.1 脈沖轉(zhuǎn)速探測(cè)器檢查

檢查并確認(rèn)脈沖轉(zhuǎn)速探測(cè)器是否出現(xiàn)松動(dòng)，測(cè)頻元器件是否老化，齒盤是否偏心。經(jīng)檢查未發(fā)現(xiàn)測(cè)頻裝置存在松動(dòng)、老化及偏心現(xiàn)象。

3.1.2 主配及接力器檢查

對(duì)主配壓閥及接力器進(jìn)行解體檢查，未發(fā)現(xiàn)二者內(nèi)部存在嚴(yán)重磨損。

3.1.3 液壓油質(zhì)量檢查

采樣檢測(cè)液壓系統(tǒng)透平油油質(zhì)是否合格，并重點(diǎn)關(guān)注油質(zhì)光譜元素分析、污染度分析、鐵譜磨損分析、水含量、水分離性等會(huì)引起主配壓閥及接力器磨損的檢測(cè)項(xiàng)目結(jié)果。檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示透平油油質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)均合格。

3.1.4 液壓系統(tǒng)排氣

在主配壓閥及接力器裝配完成后，對(duì)調(diào)速器液壓系統(tǒng)排氣。按下調(diào)速器控制柜上“隔離閥打開(kāi)”按鈕并確認(rèn)隔離閥打開(kāi)，按下“鎖定拔出按鈕”并確認(rèn)鎖定已拔出。在控制柜上將調(diào)速器切至“電手動(dòng)”，操作導(dǎo)葉全開(kāi)、全關(guān)3～5次，排出調(diào)速器液壓系統(tǒng)內(nèi)氣體。

3.1.5 主配中位檢查

檢查主配中位是否發(fā)生漂移。如主配中位發(fā)生漂移，調(diào)節(jié)主配開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間調(diào)節(jié)螺母或主配中位調(diào)整螺母位置。將調(diào)速系統(tǒng)切至機(jī)手動(dòng)后，重新整定主配控制器的主配液壓平衡點(diǎn)參數(shù)。經(jīng)檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)主配中位發(fā)生漂移。

3.1.6 位移傳感器檢查

檢查主配位移傳感器111 M、112 M、113 M及2號(hào)接力器位移傳感器101 MM、102 MM、103 MM，根據(jù)需要進(jìn)行更換并重新整定主配位移傳感器，依據(jù)接力器的機(jī)械全行程重新整定傳感器的全關(guān)和全開(kāi)量程。檢查發(fā)現(xiàn)主配及接力器位移傳感器無(wú)損壞，無(wú)需更換與整定。

3.1.7 電磁干擾檢查

檢查發(fā)現(xiàn)微機(jī)調(diào)速器的機(jī)柜和殼體已接地，繼電器或電磁鐵已加裝續(xù)流與阻容吸收回路，不存在外部電磁干擾。

3.1.8 功率變送器檢查

檢查并試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該調(diào)速器功率變送器存在嚴(yán)重質(zhì)量缺陷，有輸出信號(hào)不穩(wěn)定、信號(hào)跳變、信號(hào)與實(shí)際值有較大偏差及偶發(fā)性死機(jī)等現(xiàn)象。由于功率變送器一直有錯(cuò)誤信號(hào)輸出且信號(hào)未越限，系統(tǒng)程序不能判斷出信號(hào)異常而將機(jī)組切至開(kāi)度模式?；谠囼?yàn)結(jié)果，判定功率變送器異常及反饋信號(hào)選擇程序不合理是該機(jī)調(diào)速器異常抽動(dòng)的主要原因。

3.2 抽動(dòng)故障解決方案

針對(duì)調(diào)速器功率變送器存在質(zhì)量缺陷的問(wèn)題，首先需要更換問(wèn)題功率變送器，然后修改反饋信號(hào)選擇程序，以使HSS服務(wù)器能夠判斷出功率變送器信號(hào)異常。

該型號(hào)調(diào)速器有功功率采集有兩通道信號(hào)，HSS服務(wù)器通過(guò)內(nèi)部程序輸出較高的值作為最終反饋信號(hào)。該型號(hào)調(diào)速器有功反饋信號(hào)故障判斷機(jī)制包括以下2種：越限故障判斷，當(dāng)輸入信號(hào)小于2 mA或者大于22 mA時(shí)，為功率采樣越限；硬件故障判斷，當(dāng)檢測(cè)到調(diào)速器模擬量模塊故障時(shí)，為硬件故障。

當(dāng)以上2種情況任何其一發(fā)生時(shí)，觸發(fā)有功功率采集故障。但其中一路功率變送器死機(jī)，兩路信號(hào)出現(xiàn)測(cè)量偏差，程序無(wú)判斷邏輯，且對(duì)兩路有偏差信號(hào)采用高選輸出，無(wú)法保證有功功率反饋采集到正確的數(shù)值。例如：當(dāng)前有功功率反饋真實(shí)值為620 MW，而1號(hào)通道功率變送器死機(jī)造成有功功率反饋1號(hào)通道測(cè)量值為680 MW，2號(hào)通道測(cè)量值為620 MW，通過(guò)程序內(nèi)部高選邏輯，有功功率反饋1號(hào)通道680 MW的測(cè)量值將被程序執(zhí)行，調(diào)速器有功調(diào)節(jié)將出現(xiàn)錯(cuò)誤。

另外當(dāng)任何一路有功功率反饋故障，程序內(nèi)部只輸出有功功率采集故障報(bào)警，但調(diào)速器仍運(yùn)行在功率模式，且程序內(nèi)部有功功率反饋信號(hào)仍采用高選邏輯，繼續(xù)采集另一路信號(hào)，如果此時(shí)該路信號(hào)出現(xiàn)測(cè)量錯(cuò)誤，調(diào)速器有功功率反饋將采集到錯(cuò)誤數(shù)值，并按該錯(cuò)誤數(shù)值調(diào)節(jié)有功。

針對(duì)HSS服務(wù)器內(nèi)部選擇程序的缺陷，解決方案是對(duì)來(lái)自不同信號(hào)源的兩路有功功率反饋信號(hào)進(jìn)行高選時(shí)，增加差值判斷。當(dāng)兩路有功功率反饋信號(hào)出現(xiàn)偏差，將差值報(bào)警引入到模式切換操作。有功功率反饋雙通道采樣值有50 MW的偏差值時(shí)，經(jīng)過(guò)2 s延時(shí)，直接將調(diào)速器由功率模式切為開(kāi)度模式，并且閉鎖任何方式進(jìn)入功率模式，再輸出至監(jiān)控報(bào)警“調(diào)速器功率采樣故障”（圖4、圖5）。

圖4 調(diào)速器由功率模式切為開(kāi)度模式原邏輯框圖

圖5 調(diào)速器由功率模式切為開(kāi)度模式修改后邏輯框圖

問(wèn)題功率變送器更換及HSS服務(wù)器選擇程序優(yōu)化后，進(jìn)行空載擾動(dòng)試驗(yàn)、自動(dòng)開(kāi)機(jī)試驗(yàn)和負(fù)載擾動(dòng)試驗(yàn)，經(jīng)檢驗(yàn)所做的調(diào)整和優(yōu)化工作能夠很好地滿足機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的要求。

為了保證維護(hù)質(zhì)量，延長(zhǎng)維修周期，在更換問(wèn)題功率變送器及優(yōu)化程序后，還做了以下優(yōu)化工作。對(duì)齒盤測(cè)頻裝置加裝低通濾波器。低通濾波器可以有效地解決由于探測(cè)器松動(dòng)、主軸擺動(dòng)及齒盤安裝精度產(chǎn)生的周期性干擾信號(hào)。在1 500 N及1 500 S調(diào)節(jié)器的接力器位移輸入通道增加濾波電容，可有效減少導(dǎo)葉接力器開(kāi)度輸入電流信號(hào)中的雜波和干擾。優(yōu)化調(diào)速器開(kāi)度控制下閉環(huán)增益系數(shù)。適當(dāng)減小電液隨動(dòng)系統(tǒng)放大系數(shù)，從而使接力器反應(yīng)時(shí)間常數(shù)取較大數(shù)值[5]。

4 結(jié)語(yǔ)

調(diào)速器液壓系統(tǒng)是電氣回路的隨動(dòng)系統(tǒng)，其各部件的工作特性對(duì)調(diào)速器系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性影響極大[6]。為確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)該機(jī)組調(diào)速器機(jī)械、電氣設(shè)備及相關(guān)的輔助裝置、自動(dòng)化元件等反復(fù)進(jìn)行元器件檢查、問(wèn)題器件更換、信號(hào)與量程參數(shù)重新整定、程序及控制參數(shù)調(diào)整與優(yōu)化、電氣輸入硬件通道增強(qiáng)濾波和抗干擾能力處理、無(wú)水模擬試驗(yàn)、機(jī)組動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)仿真試驗(yàn)、錄波分析等一系列的工作并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)和錄波曲線，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行仔細(xì)的比對(duì)和分析。經(jīng)過(guò)以上工作，該機(jī)組運(yùn)行中再未出現(xiàn)液壓系統(tǒng)大幅抽動(dòng)的現(xiàn)象，為以后類似問(wèn)題的解決提供了重要參考依據(jù)。