袁海芬，李志文

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南　長沙 410004）

水輪機(jī)調(diào)速器主配頻繁抽動(dòng)原因分析及處理

袁海芬，李志文

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南長沙 410004）

摘要：白市水電廠自2013年4月投運(yùn)以來，水輪機(jī)調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)頻繁，引起主配壓閥及接力器來回抽動(dòng)。因步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)頻繁，步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器發(fā)熱嚴(yán)重，最高溫度達(dá)50℃（正常30℃左右）；壓油泵加載頻繁，特別2號(hào)機(jī)組，加載間隔時(shí)間由投產(chǎn)初期的4 h降低到1 h左右，嚴(yán)重影響水輪發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文重點(diǎn)從水輪機(jī)調(diào)速器控制原理，設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)，調(diào)速器控制軟件等方面進(jìn)行了原因分析，并采取了相應(yīng)措施，有效解決了該設(shè)備重大缺陷。

關(guān)鍵詞：調(diào)速器；步進(jìn)電機(jī)；主配抽動(dòng)

1　概述

白市水電站位于沅水干流上游河段清水江中下游，壩址位于貴州省黔東南州天柱縣境內(nèi)。電站裝有3臺(tái)單機(jī)容量140MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量420MW。調(diào)速器系統(tǒng)采用長江三峽能事達(dá)電氣股份有限公司生產(chǎn)的WBDT-150-6.3微機(jī)步進(jìn)式調(diào)速器。液壓隨動(dòng)系統(tǒng)由引導(dǎo)閥、主配壓閥、接力器組成?？刂破鞑捎檬┠偷履峡礛340系列PLC，雙PLC冗余配置。轉(zhuǎn)速反饋，步進(jìn)電機(jī)位移轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)中位反饋，導(dǎo)葉位置反饋，均采用兩套冗余配置。

白市水電廠3臺(tái)水輪機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)，采用步進(jìn)電機(jī)直線位移轉(zhuǎn)換器，接受調(diào)節(jié)器發(fā)出的電信號(hào)，轉(zhuǎn)換成機(jī)械位移，經(jīng)液壓放大來控制主配壓閥，控制接力器，改變導(dǎo)葉開度，從而控制水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速和出力。

2　控制原理

機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，LCU有“遠(yuǎn)方增”或“遠(yuǎn)方減”給定脈沖輸出；或者調(diào)速器檢測(cè)到實(shí)際開度、頻率、功率與給定值有偏差，且偏差超過死區(qū)值，此時(shí)調(diào)速器將給定信號(hào)或者偏差信號(hào)，經(jīng)過控制器處理后，輸出給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)引導(dǎo)閥控制主配壓閥開、閉，控制接力器調(diào)整導(dǎo)葉開度，從而調(diào)整機(jī)組出力或轉(zhuǎn)速。

主配壓閥芯偏離中位的位置通過中位傳感器測(cè)得的電壓反饋信號(hào)，接入PLC控制模塊，形成電機(jī)控制小閉環(huán)，電機(jī)控制小閉環(huán)與導(dǎo)葉開度反饋大閉環(huán)控制配合，使調(diào)速器控制滿足快、準(zhǔn)、穩(wěn)3個(gè)基本要求。

由圖1可知，主配中位傳感器負(fù)反饋信號(hào)、導(dǎo)葉開度負(fù)反饋信號(hào)在整個(gè)控制回路中起到重要的作用，兩者中任意一個(gè)環(huán)節(jié)反饋量不準(zhǔn)確，將影響控制的精確性和穩(wěn)定性。

圖1　調(diào)速器系統(tǒng)大環(huán)、小環(huán)控制圖

3　故障現(xiàn)象

白市水電廠1號(hào)~3號(hào)機(jī)組自2013年4月份投產(chǎn)以來，調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)頻繁，主配壓閥存在細(xì)微抽動(dòng)現(xiàn)象。隨著運(yùn)行時(shí)間增長，抽動(dòng)越來越頻繁，抽動(dòng)幅度越來越大。因頻繁動(dòng)作，3號(hào)機(jī)步進(jìn)電機(jī)溫度高達(dá)40℃以上，最高達(dá)50℃，2號(hào)機(jī)壓油泵加載間隔由投產(chǎn)初期的4 h縮短為1 h左右，已嚴(yán)重影響到主設(shè)備的安全運(yùn)行。

4　原因分析

為全面檢查故障原因，必要的安全措施必需布置到位：落下進(jìn)水口工作閘門，引水鋼管消壓，風(fēng)閘頂起，接力器液壓鎖錠拔出。

4.1機(jī)械部件檢查分析

將調(diào)速器切至“現(xiàn)地”、“導(dǎo)葉機(jī)手動(dòng)”控制，手動(dòng)開啟導(dǎo)葉至50%開度左右，松開手輪。在接力器活塞桿上裝設(shè)千分表，觀察10min調(diào)速器在“導(dǎo)葉機(jī)手動(dòng)”靜止?fàn)顟B(tài)，接力器是否有開或關(guān)方向的明顯的位移量，檢查引導(dǎo)閥、主配壓閥機(jī)械中位調(diào)整是否合格，檢查接力器密封是否可靠。通過檢查，接力器位置未發(fā)生變化，主配未存在抽動(dòng)現(xiàn)象。

4.2導(dǎo)葉反饋檢查分析

4.2.1導(dǎo)葉反饋接線檢查

導(dǎo)葉反饋設(shè)置A/B兩套BTL6-E500-M1100-PF -S115德國balluffc位移傳感器，傳感器量程1100mm，電源24 VDC，四線制4~20mA電流輸出，導(dǎo)葉反饋接線見表1所示。

檢查傳感器連接線無誤，在調(diào)速器電氣柜內(nèi)測(cè)量A/B兩套傳感器電流值，均在正常值范圍內(nèi)。

表1　導(dǎo)葉傳感器接線

表2　A套導(dǎo)葉反饋傳感器檢驗(yàn)檢查記錄

4.2.2傳感器線性度檢查

接線檢查無誤后，用端點(diǎn)測(cè)量方法，檢測(cè)傳感器線性度，導(dǎo)葉傳感器檢查記錄結(jié)果見表2、3。

檢查A套、B套傳感器偏差值符合0.5級(jí)要求，導(dǎo)葉傳感器性線度滿足控制要求。

4.3中位反饋檢查分析

4.3.1中位傳感器接線檢查

上述分析的中位傳感器反饋信號(hào)接入PLC控制器的模擬量輸入模塊（BMX AMI0810）。該模塊是一種高電平、快速8路輸入工業(yè)測(cè)量設(shè)備，提供電壓、電流2種信號(hào)輸入，范圍如下：電壓范圍+/-10V、0~10 V、0~5 V、1~5 V、+/-5 V，電流范圍0~20mA、4~20mA、+/-20mA。接線圖如圖2所示。

按照PLC模塊接線原理圖及傳感器結(jié)構(gòu)分析，中位傳感器反饋信號(hào)應(yīng)以電壓形式輸入（可調(diào)節(jié)區(qū)間為0～12 V，范圍大，區(qū)分度高），應(yīng)按電壓型傳感器方式接線，但調(diào)速器電調(diào)柜在配線時(shí)卻錯(cuò)誤地按電流型傳感器方式接線（圖3所示）。由于中位傳感器電阻阻值為5 kΩ，電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變成電流信號(hào)后，導(dǎo)致反饋量可變區(qū)間太?。?~2.4mA），使得小環(huán)部分容易出現(xiàn)控制過頭或控制不到位現(xiàn)象，導(dǎo)致步進(jìn)電機(jī)需要來回小范圍旋轉(zhuǎn)以彌補(bǔ)控制精度缺陷，即出現(xiàn)抽動(dòng)現(xiàn)象。

圖2　電壓、電流型接法　圖3電流型中位傳感器接線圖

4.3.2中位傳感器穩(wěn)定性檢查

白市電廠調(diào)速器中位傳感器為滑阻式傳感器，開、關(guān)導(dǎo)葉時(shí)中位傳感器內(nèi)滑桿隨著主配壓閥閥芯的上下移動(dòng)而滑動(dòng)。由于滑桿長時(shí)間處于上下滑動(dòng)狀態(tài)，時(shí)間一長，滑線電阻穩(wěn)定性下降，特定位置反饋的電壓信號(hào)有變化，導(dǎo)致主配壓閥閥芯中位位置發(fā)生變化，引起導(dǎo)葉“錯(cuò)誤”地開與關(guān)，導(dǎo)致大環(huán)控制回路總是存在偏差，進(jìn)而引發(fā)小環(huán)控制回路總有輸出，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針、逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，即發(fā)生抽動(dòng)現(xiàn)象。此原因?qū)τ?號(hào)機(jī)組調(diào)速器可能性最大，在處理過程中，A、B套中位傳感器均進(jìn)行了更換。

4.4控制軟件

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查，對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制死區(qū)、電機(jī)開方向補(bǔ)償、關(guān)方向補(bǔ)償?shù)葏?shù)進(jìn)行檢查；發(fā)現(xiàn)之前參數(shù)響應(yīng)性能稍差，調(diào)節(jié)時(shí)間長，且此控制算法容易受到外界干擾，容易造步進(jìn)電機(jī)需要來回小范圍旋轉(zhuǎn)。

5　解決措施

5.1更換新傳感器并恢復(fù)正確的接線

更換A套和B套中位傳感器后，恢復(fù)中位傳感器正確的接線，解開A套IC5（A）PLC控制器的模擬量輸入模塊（BMX AMI0810）6號(hào)端子上接線，解開B套IC5(B)PLC控制器的模擬量輸入模塊（BMX AMI0810）6號(hào)端子上接線如圖4所示，并在檢修中定期檢查中位傳感器中位值及線性度。

圖4　中位傳感器正確接線

5.2控制軟件

在更換傳感器及恢復(fù)中位傳感器正確的接線后，重新對(duì)中位傳感器量程數(shù)值，步進(jìn)電機(jī)控制死區(qū)、電機(jī)補(bǔ)償、最大速度限制、最小速度限制等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)小環(huán)控制程序進(jìn)行優(yōu)化，將電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制“B_CW_CWW”單獨(dú)寫入程序塊中，優(yōu)化后的小環(huán)控制程序模塊如圖5所示。

圖5　優(yōu)化的小環(huán)控制程序模塊

優(yōu)化后控制性能明顯提升，調(diào)速器控制的響應(yīng)速度提高，控制穩(wěn)定性得到很大改善，調(diào)速器步進(jìn)電機(jī)調(diào)整到中位給定值后，步進(jìn)電機(jī)停轉(zhuǎn)，將引導(dǎo)閥停在中位，不再來回轉(zhuǎn)動(dòng)。優(yōu)化控制程序說明見表4。

表4　優(yōu)化控制程序說明

6　結(jié)語

由于水輪機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)是一套自動(dòng)閉環(huán)控制系統(tǒng)，某一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，就有可能使整個(gè)調(diào)速器系統(tǒng)不穩(wěn)定。實(shí)際上，水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行工況不同、水輪機(jī)調(diào)速器所選用的某些器件不合適、控制結(jié)構(gòu)、控制參數(shù)的不合適都有可能造成調(diào)速器系統(tǒng)不穩(wěn)定。所以，需要結(jié)合多方面因素進(jìn)行綜合分析，逐步完善水輪機(jī)調(diào)速器性能，以提高自動(dòng)控制的可靠性，在保證水輪機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)本身可靠穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)，滿足水輪機(jī)調(diào)速器的標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到電網(wǎng)的響應(yīng)要求，提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)：

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中圖分類號(hào)：TK730.4+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2015）08-0053-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.08.015

收稿日期：2015-05-04

作者簡介：袁海芬（1985－），男，助理工程師，從事水電廠電氣維護(hù)檢修管理工作。