周 勇，文 藝

（重慶水輪機廠有限責任公司水電控制設(shè)備分公司，重慶 400054）

雙調(diào)微機調(diào)速器甩負荷時故障原因分析與處理

周 勇，文 藝

（重慶水輪機廠有限責任公司水電控制設(shè)備分公司，重慶 400054）

介紹了軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)組成及原理，針對土耳其KIZILAGAC電站調(diào)試過程中，出現(xiàn)甩負荷時反映的故障現(xiàn)象，從機組調(diào)速系統(tǒng)原理等方面查找原因，通過采用逐級排查方法處理故障，并為排查和防范類似故障提供了相關(guān)經(jīng)驗。

土耳其KIZILAGAC電站；水輪機調(diào)速系統(tǒng)；故障及處理

0 引言

KIZILAGAC電站位于梯級位置的KALKANDERE HEPP電站下游，距土耳其東北部黑海地區(qū)里澤市中心35km，到特拉布宗港口和機場的距離均為65km。工程以發(fā)電為主，兼顧灌溉及供水。電站總裝機容量為2×3260kW，為軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組，水輪機型號為ZZ660a-LJ-210，額定電壓6.3kV，額定水頭14.39m，額定流量25m3/s，額定轉(zhuǎn)速250r/min，由重慶水輪機廠有限責任公司設(shè)計制造。

1 調(diào)速器系統(tǒng)綜述

調(diào)速器選用的是重水水電控制設(shè)備分公司制造的WST雙調(diào)微機調(diào)速器，其組成包括調(diào)速器電氣柜、調(diào)速器回油箱，壓力油罐及輔助部件，主要配置為法國施耐德M340可編程控制器+德國力士樂比例伺服閥+插裝閥。調(diào)速器接受轉(zhuǎn)速信號、水位信號、功率信號、接力器反饋信號、同期裝置的頻率調(diào)整信號，以及來自計算機監(jiān)控系統(tǒng)（上位機）的操作指令和參數(shù)綜合指令，輸出給水輪機導葉和槳葉的調(diào)節(jié)信號，同時液壓操作系統(tǒng)接受該調(diào)節(jié)信號，并將其轉(zhuǎn)換為液壓信號，放大后用于操作水輪機導葉和槳葉。調(diào)速器具有純機械手動操作、頻率控制、開度控制、功率控制、電網(wǎng)一次調(diào)頻、網(wǎng)頻跟蹤、導葉開度限制、機組最大功率值限制、自適應(yīng)式變參數(shù)、在線自診斷、容錯及故障處理等功能。

1.1 電氣調(diào)節(jié)裝置

調(diào)速器采用法國施耐德公司M340系列可編程控制器（PLC），主頻180MHz。具有計算精度高、運算速度快、抗干擾能力強等特點。

調(diào)速器采用適應(yīng)式變參數(shù)PID控制規(guī)律，具備三種控制模式∶頻率模式、功率模式、開度模式。空載時采用頻率模式，并網(wǎng)后采用功率模式，功率反饋故障或沒有采集功率電參量時則采用開度模式。

1.2 電源回路

調(diào)速器電源系統(tǒng)采用交、直流同時供電，經(jīng)電源轉(zhuǎn)換模塊變?yōu)橹绷麟娫?，交、直流輸入電源任一路發(fā)生丟失或斷電，不影響轉(zhuǎn)換模塊的直流輸出。該模塊還具有輸出短路保護功能，負載短路不會引起輸入電源故障。

電源模塊的輸出作為DC 24V開關(guān)電源的輸入，DC 24V為PLC、電氣操作回路、伺服比例閥、插裝閥、引導閥、人機操作界面提供工作電源。

1.3 人機界面

圖1 調(diào)速器系統(tǒng)組織結(jié)構(gòu)框圖

調(diào)速器系統(tǒng)人機界面采用臺灣威倫通10.4寸觸摸屏，具有獨立處理器、主內(nèi)存，可以根據(jù)需要開發(fā)出電廠實際需要的功能，如實驗錄波、實驗數(shù)據(jù)計算處理及圖形顯示等。觸摸屏具有多種通訊接口，如串口、ETHERNET、USB 等。

1.4 轉(zhuǎn)速測量

調(diào)速器測速采用PLC高速計數(shù)模塊中內(nèi)置的1MHz高速計數(shù)功能直接測量，測頻精度可以達到0.0025Hz。殘壓測頻和齒盤測頻互為冗余方式。齒盤和殘壓測速信號均分別傳送至微機控制器。

在機組空載或正常工作時，以殘壓測頻為主用、齒盤測頻為備用；在機組開機或停機過程的機組的低轉(zhuǎn)速區(qū)，則以齒盤測頻為主用、殘壓測頻為備用；在其中之一故障時，可以借助備用的測頻通道維持調(diào)速器正常運行。

1.5 隨動系統(tǒng)

隨動系統(tǒng)包括比例伺服閥、數(shù)字引導閥、插裝閥、雙聯(lián)濾油器、緊急停機閥等。整個系統(tǒng)均為板式集成塊結(jié)構(gòu)，沒有明油管，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整方便。比例伺服閥由可編程控制器輸出的模擬量直接控制，具有頻響高、動作靈敏、控制精度高等特點。小波動時由比例伺服閥控制，大波動時由引導閥控制的大流量插裝閥控制，兩者互相自由無縫切換，既滿足小波動時要求的高精度又能滿足大波動時的快速響應(yīng)。本系統(tǒng)還專設(shè)分斷關(guān)閉使用的快關(guān)閥組，滿足分段關(guān)閉要求。一旦滿足事故條件，可直接動作事故引導閥，再控制大流量插裝閥快速關(guān)閉導葉，控制水輪機組不過速。

2 故障現(xiàn)象

調(diào)速器靜態(tài)實驗全部符合設(shè)計要求，根據(jù)調(diào)保計算確定調(diào)整導葉開機時間30s，關(guān)機時間13s，槳葉開關(guān)機時間都為50s。校正導葉、槳葉位移傳感器行程，測頻回路校正試驗，協(xié)聯(lián)關(guān)系驗證試驗，手、自動切換試驗，模擬故障、事故試驗，靜特性試驗，手動、自動開停機試驗，模擬甩負荷試驗。

調(diào)速器動態(tài)實驗，自動開停機，空載擾動，空載擺動經(jīng)過調(diào)整參數(shù)都優(yōu)于國標標準。最后做帶負荷試驗，甩負荷試驗。25%甩負荷不動時間0.18s，最高頻率52.45Hz。帶50%負荷時，導葉開度59%，槳葉開度20.3%。跳開出口斷路器時，導葉、槳葉同時動作，快速關(guān)回，導葉開度關(guān)到48%位置突然停住不再回關(guān)，機組轉(zhuǎn)速在經(jīng)過短暫下降后快速上升，實驗人員立即手動操作導葉粗調(diào)關(guān)閉電磁閥，無效果，再手動操作事故停機電磁閥，還是沒有任何效果，導葉開度依然保持在48%位置，大約10s后，導葉才開始再度往回關(guān)閉至零開度，機組轉(zhuǎn)速下降至正常停機。

初步懷疑故障現(xiàn)象由引導閥堵塞引起，于是拆下導葉部分引導電磁閥并清洗重裝后，再次開機、并網(wǎng)、帶負荷至50%，導葉開度60.3%，槳葉開度20.7%。再次跳開油開關(guān)，導葉開度關(guān)到48.5%位置停住不再回關(guān)，同樣大約10s后，導葉才開始再度往回關(guān)閉至零開度。

3 故障原因分析

（1）引導電磁閥卡阻，導致其控制的插裝閥無法有效動作，因此無法關(guān)閉導葉接力器。首先要排除用于微調(diào)控制的比例伺服閥，雖然其要求濾油精度更高，更容易被油里微小雜質(zhì)卡住，但它不控制用于大波動調(diào)節(jié)的插裝閥，即使出現(xiàn)問題也不影響插裝閥動作。如果是粗調(diào)部分的電磁換向閥卡阻，導致其不能正常換向動作，因而插裝閥不能正常動作，是會出現(xiàn)上述故障現(xiàn)象的，但是第二次實驗前專門拆下清洗過該閥，同時出現(xiàn)故障時還人為手動動作過用于快速關(guān)閉的引導閥，甚至用于事故停機的引導閥，都未能如愿及時動作插裝閥快速關(guān)閉，因此可以排除引導電磁閥卡阻的原因。

（2）反復對比查看兩次甩負荷后故障數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)有幾個相似點∶導葉都關(guān)閉到相同位置不再回關(guān)；都是停止關(guān)閉動作后經(jīng)過相同時間，導葉才再開始動作；出現(xiàn)問題時都是槳葉有開度，槳葉沒有開出時沒有故障現(xiàn)象出現(xiàn)。

（3）數(shù)字閥組實際安裝布置時，壓力油源先經(jīng)過槳葉閥組部分再到的導葉閥組部分，如果確實故障出現(xiàn)跟槳葉開出開度有關(guān)，應(yīng)該就是甩負荷時出現(xiàn)大偏差，導葉、槳葉都需要快速關(guān)回，因為瞬時需油量太大，導致短時間油路供油不足，槳葉部分因為位置靠近油源，被優(yōu)先保證動作，而導葉部分因為位置相對遠離油源，所需油源需要先經(jīng)過槳葉閥組部分，不足的供油結(jié)果體現(xiàn)在了導葉閥組上，導致其無法推動接力器活塞，使接力器關(guān)閉動作。當槳葉接力器行程從20%到全關(guān)后 (所需時間約為全行程時間1/5，即10s)，不再需要油源，導葉閥組部分重新獲得足夠壓力源，重新推動活塞動作，導葉全關(guān)。

（4）甩負荷必須保證機組轉(zhuǎn)速上升率不超過國標，轉(zhuǎn)速上升率取決于導葉關(guān)閉速度，與槳葉關(guān)系不大，因此，必須想辦法確保甩負荷工況導葉快速關(guān)回。機械部分安裝布置在現(xiàn)場無法改動，也就是無法將油源改到靠近導葉側(cè)。

4 故障處理

無法改動機械安裝布置，但是可以通過軟件控制來達到目的。甩負荷工況下，軟件控制槳葉延時動作，考慮到導葉關(guān)機時間13s，可以通過程序控制斷路器跳開計時，20s后允許槳葉動作。這樣既可以充分保證導葉動作所需油源，槳葉延時動作又不會影響機組轉(zhuǎn)速上升率。

改動程序后，重新做甩50%負荷試驗，導葉動作迅速、到位，沒有再出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，最高頻率58.28Hz，槳葉延時動作沒有干擾轉(zhuǎn)速上升和轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。為確保理論正確，試驗可靠，重復做了三次50%甩負荷，結(jié)果都正確，沒有大的變化。接著做75%和100%甩負荷，最高頻率、調(diào)整時間和渦殼壓力上升率都在標準范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

經(jīng)過上述處理，兩臺機組甩負荷試驗通過了用戶驗收，順利進入正常運行。雙調(diào)微機調(diào)速器甩負荷時延時動作槳葉的方式具有普遍意義，既可以保證機組轉(zhuǎn)速上升率不超標，又可以在這種特殊工況下減少瞬時用油量，避免出現(xiàn)一臺油泵損壞無法滿足供油導致事故低油壓的極端情形出現(xiàn)，是一種值得推廣的控制理論。

[1]林旭升，沈炬鵬.東溪電站2號水輪機調(diào)速系統(tǒng)故障原因分析及處理[J].廣東水利水電，2013（02）.

[2]常中原，帥小樂，李初輝，等.向家壩水電站調(diào)速系統(tǒng)的特點及問題分析[J].水電站機電技術(shù)，2012，35（5）：23-25.

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1672-5387（2014）02-0051-03

2013-12-16

周 勇（1974-），男，工程師，從事水輪機調(diào)速器系統(tǒng)研發(fā)工作。