蒙小雷

（龍灘水電開(kāi)發(fā)有限公司龍灘電廠，廣西天峨 547300）

龍灘水電站位于廣西紅水河上，距天峨縣城15 km，是梯級(jí)開(kāi)發(fā)中的龍頭骨干工程，也是南方電網(wǎng)范圍內(nèi)裝機(jī)容量最大的電站。電站廠房為布置在左岸山體內(nèi)的全地下廠房，目前共安裝7 臺(tái)容量為700 MW 的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量4900 MW。壩址控制流域面積為98500 km2，占紅水河流域面積的71%。電站分兩期開(kāi)發(fā)，即正常蓄水位遠(yuǎn)景按400 m設(shè)計(jì)，初期按375 m 建設(shè)。初期正常蓄水位375m 時(shí)，總庫(kù)容162.1億m3，有效庫(kù)容111.5億m3，為年調(diào)節(jié)水庫(kù)，多年平均年發(fā)電量156.7億kW?h，電站保證出力1234 MW。

1 龍灘電站調(diào)速器系統(tǒng)

龍灘電站調(diào)速器系統(tǒng)由ALSTOM 公司生產(chǎn)的T.SLG 電氣調(diào)節(jié)裝置和東方電機(jī)控制公司生產(chǎn)的HGS–H21–250–6.3液壓系統(tǒng)組成，電液轉(zhuǎn)換元件為德國(guó)BOSCH 公司生產(chǎn)的伺服比例閥，這種伺服比例閥具有精度高、響應(yīng)快、推力大、線性度好等特點(diǎn)。同時(shí)比例伺服閥輸出流量不再轉(zhuǎn)換為位移量，而是用流量/壓力信號(hào)直接去控制主配壓閥工作閥芯。這種調(diào)速器的主配壓閥具有電反饋或流量反饋的自復(fù)中能力。由于主配閥芯的自動(dòng)復(fù)中，從而取消了機(jī)械反饋，當(dāng)調(diào)速器失電時(shí)，由于主配的自復(fù)中，導(dǎo)葉能在一定時(shí)間內(nèi)維持在原來(lái)開(kāi)度不變，使安全性能得到進(jìn)一步提高。

2 故障過(guò)程

2.1 開(kāi)機(jī)過(guò)程

發(fā)電機(jī)組由監(jiān)控系統(tǒng)向調(diào)速器發(fā)出開(kāi)機(jī)指令，導(dǎo)葉快速開(kāi)啟至第一開(kāi)限，待機(jī)組轉(zhuǎn)速上升至設(shè)定值（轉(zhuǎn)速拐點(diǎn)）后將導(dǎo)葉開(kāi)度減小至機(jī)組對(duì)應(yīng)水頭的第二開(kāi)限，并按照轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模式對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而完成從“停機(jī)”到“空轉(zhuǎn)”的導(dǎo)葉控制。當(dāng)機(jī)組進(jìn)入同期并網(wǎng)過(guò)程時(shí)，調(diào)速器根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)組LCU 的命令，參照電網(wǎng)頻率對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)使其滿足準(zhǔn)同期并網(wǎng)的要求。當(dāng)機(jī)組并網(wǎng)之后，調(diào)速器進(jìn)入開(kāi)度控制模式，按照監(jiān)控LCU 要求進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整，如圖1所示。

圖1 調(diào)速器開(kāi)機(jī)過(guò)程示意圖

2.2 開(kāi)機(jī)時(shí)間異常

至2019年以來(lái)，7號(hào)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)頻繁報(bào)傳感器超差信號(hào)；2022年2月，7號(hào)機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程中，轉(zhuǎn)速上升異常（轉(zhuǎn)速上升至90%額定轉(zhuǎn)速的時(shí)長(zhǎng)超時(shí)），開(kāi)機(jī)流程退出。同時(shí)，自動(dòng)狀態(tài)下上位機(jī)觀察電氣中位發(fā)現(xiàn)主閥位置不斷調(diào)整，無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定中位，現(xiàn)場(chǎng)觀察主配壓閥控制管路有明顯抖動(dòng)現(xiàn)象。

3 檢查情況

3.1 電氣部分檢查

3.1.1 主配壓閥位移傳感器檢查

主配壓閥位移傳感器采用SCHNEIDER ELECTRIC 公司生產(chǎn)的感應(yīng)式接近傳感器，工作原理為阻尼振蕩器，是一種適用于位置測(cè)量的固態(tài)位移傳感器。阻尼的強(qiáng)度由傳感器感應(yīng)面與被測(cè)物體之間的距離決定。當(dāng)傳感器與被測(cè)物體之間的距離發(fā)生變化時(shí)，將產(chǎn)生與該距離成比例的輸出電流。在實(shí)際使用過(guò)程中傳感器與被測(cè)物體之間不發(fā)生接觸，從而沒(méi)有相互間的磨損，使該傳感器得到廣泛應(yīng)用。傳感器電源供電為DC24 V，輸出信號(hào)為正比于被測(cè)位移的4～20 mA 電流。通過(guò)該感器測(cè)量主配壓閥的位移情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)主配壓閥的閉環(huán)調(diào)節(jié)反饋。

檢查過(guò)程：將1號(hào)、2號(hào)傳感器拆下安裝至自制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，手動(dòng)調(diào)整傳感器至測(cè)量體間的距離，得到傳感器反饋電壓，繪制距離-電壓曲線。

3.1.2 電氣中位檢查

調(diào)速器自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，伺服比例閥通過(guò)控制油源控制著主配壓閥。當(dāng)系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)時(shí)，主配壓閥活塞為保持平衡，上腔壓力+自重=下腔壓力，因此在控制油源一定的情況下，下腔壓力較大。當(dāng)控制信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，伺服比例閥動(dòng)作，使主配壓閥下腔的壓力隨之發(fā)生變化，主配壓閥活塞不再處于平衡狀態(tài)而發(fā)生位移，從而通過(guò)接力器控制導(dǎo)葉的開(kāi)度；同時(shí)安裝在主配壓閥頂部的位移傳感器將其位移量反饋給電氣控制系統(tǒng)，控制主配壓閥活塞回復(fù)到中位，從而實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。

檢查過(guò)程：檢驗(yàn)電氣中位，將調(diào)速器控制方式由手動(dòng)方式切至自動(dòng)方式，電腦打開(kāi)隨動(dòng)系統(tǒng)測(cè)試功能，主閥位置參數(shù)給定0，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉偏關(guān)，頻率下降，速度較快，經(jīng)分析，電氣中位偏關(guān)約5%。

3.2 機(jī)械液壓部分檢查

3.2.1 伺服比例閥、分段關(guān)閉閥、事故配壓閥等控制閥組檢查

龍灘調(diào)速器機(jī)械液壓控制部分包括雙精濾油器、閥門、插裝閥組、雙伺服比例閥、主配壓閥、分段關(guān)閉閥、事故配壓閥等。在自動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，控制油源經(jīng)過(guò)濾清潔后進(jìn)入伺服比例閥、手自動(dòng)切換電磁閥、緊急停機(jī)電磁閥和流量反饋閥壓力油一側(cè)。電氣調(diào)節(jié)器輸出的開(kāi)機(jī)電流信號(hào)傳至伺服比例閥后，伺服比例閥內(nèi)部閥芯在線圈磁力作用下向左運(yùn)動(dòng)，此時(shí)壓力油導(dǎo)通進(jìn)入主配壓閥的控制下腔，由于主配壓閥活塞下腔面積比上腔面積大，所以在相同壓強(qiáng)作用下主配壓閥活塞將向上運(yùn)動(dòng)，壓力油即通過(guò)主配壓閥輸出進(jìn)入導(dǎo)葉接力器的開(kāi)腔，同時(shí)導(dǎo)葉接力器關(guān)腔內(nèi)的壓力油通過(guò)主配壓閥接通至回油箱，從而控制導(dǎo)葉接力器向開(kāi)側(cè)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)葉開(kāi)度隨之增大。伺服比例閥及放大器、主配壓閥及其傳感器構(gòu)成一負(fù)反饋內(nèi)環(huán)回路，當(dāng)主閥位移傳感器反饋主配壓閥活塞的位移至伺服比例閥的功放板，與其輸入信號(hào)綜合后使主配壓閥活塞在某一開(kāi)度下停止移動(dòng)；另外，綜合放大回路、內(nèi)環(huán)回路、導(dǎo)葉接力器及導(dǎo)葉位移傳感器構(gòu)成一負(fù)反饋大閉環(huán)回路，接力器活塞的位移反饋到電氣調(diào)節(jié)器的綜合放大回路，與其輸入信號(hào)綜合后，綜合放大回路輸出變?yōu)?。當(dāng)其輸入減為0時(shí)，由于此前伺服比例閥在電氣調(diào)節(jié)器輸出開(kāi)啟信號(hào)時(shí)已形成了一個(gè)工作平衡位置，伺服比例閥的閥芯向右移動(dòng)，使主配壓閥下腔接通回油，在上腔恒壓作用下主閥活塞將向下移動(dòng)，當(dāng)主閥活塞回到平衡位置后，主配壓閥反饋信號(hào)正好與伺服比例閥的輸入信號(hào)符號(hào)相反大小相等，使伺服比例閥回到平衡位置，即切斷了主配壓閥控制腔的進(jìn)出油口，這樣伺服比例閥、主配壓閥都回到了平衡位置，導(dǎo)葉接力器停止移動(dòng)，一次循環(huán)調(diào)節(jié)完成。關(guān)機(jī)時(shí)，電氣調(diào)節(jié)器輸出的關(guān)機(jī)電流信號(hào)傳至伺服比例閥，伺服比例閥、主配壓閥、導(dǎo)葉接力器的閥芯或活塞的動(dòng)作過(guò)程與其接受到開(kāi)啟信號(hào)時(shí)動(dòng)作正好相反。自動(dòng)控制框圖見(jiàn)圖2。

圖2 自動(dòng)控制框圖

檢查過(guò)程：切換互為備用的伺服比例閥1、伺服比例閥2，得到相同試驗(yàn)數(shù)據(jù)；拆除分段關(guān)閉閥、事故配壓閥保護(hù)罩，手動(dòng)操作導(dǎo)葉動(dòng)作，觀察分段關(guān)閉閥、事故配壓閥閥芯動(dòng)作正常、無(wú)卡阻。

3.2.2 機(jī)械中位檢查

調(diào)速器手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，需要通過(guò)一只三位四通的手動(dòng)操作電磁閥實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉控制，這個(gè)電磁閥為雙電磁鐵換向閥。這種電磁閥具有自復(fù)中功能，即操作完成后閥芯將自動(dòng)回到平衡位置，但手動(dòng)操作電磁閥不具備保持主配壓閥活塞在平衡位置的功能。為了實(shí)現(xiàn)主配壓閥活塞的自動(dòng)復(fù)中，設(shè)置了流量反饋閥，手動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，主配壓閥的下腔與流量反饋閥控制腔油路接通。當(dāng)主配壓閥活塞向上開(kāi)啟時(shí)，主配壓閥下腔通過(guò)流量反饋閥與排油管接通，下腔壓力減小，使主配壓閥活塞下移恢復(fù)至原平衡位置，下腔與排油管斷開(kāi)；當(dāng)主配壓閥活塞向下關(guān)閉時(shí)，主配壓閥下腔通過(guò)流量反饋閥與壓力油管接通，下腔壓力增大，使主配壓閥活塞上移恢復(fù)至原平衡位置，下腔與壓力油管斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)主配壓閥活塞的自動(dòng)復(fù)中，保持導(dǎo)葉開(kāi)度。

檢查過(guò)程：上位機(jī)將7號(hào)機(jī)開(kāi)機(jī)至空載開(kāi)度（空轉(zhuǎn)態(tài)），機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)，將調(diào)速器控制由自動(dòng)切至手動(dòng)，持續(xù)觀察3min，通過(guò)檢查機(jī)組開(kāi)度的變化量來(lái)判斷調(diào)速器主閥位置是否在機(jī)械中位，導(dǎo)葉開(kāi)度無(wú)變化。

3.2.3 主配壓閥檢查

主配壓閥結(jié)構(gòu)如圖3所示，經(jīng)分解檢查發(fā)現(xiàn)，主配壓閥局部發(fā)生偏磨，磨損主要發(fā)生在關(guān)腔控制活塞的伸出桿與其組合密封件及壓蓋之間，其中關(guān)腔控制活塞的伸出桿組合密封件磨損嚴(yán)重并被切斷，密封壓蓋和活塞伸出桿均有不同程度磨損。

圖3 主配壓閥磨損部位

3.3 檢查結(jié)果

（1）排除人工測(cè)量誤差來(lái)看，傳感器性能符合出廠要求。

（2）電氣中位偏關(guān)、機(jī)械中位無(wú)漂移。

（3）機(jī)械液壓控制部分的伺服比例閥、分段關(guān)閉閥、事故配壓閥等控制閥組無(wú)異常。

（4）主配壓閥開(kāi)腔活塞、關(guān)腔活塞、關(guān)腔活塞伸出桿及其組合密封圈均有明顯磨損，其中關(guān)腔活塞伸出桿偏磨嚴(yán)重。

（5）對(duì)電氣、機(jī)械設(shè)備定值、狀態(tài)進(jìn)行檢查，未見(jiàn)異常。

4 故障原因分析及結(jié)論

4.1 故障原因分析

關(guān)腔活塞伸出桿上的密封件是易損件，在主配壓閥長(zhǎng)期伺服運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，與關(guān)腔活塞伸出桿之間存在持續(xù)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，造成組合密封件內(nèi)圈PTFE 材料靠伸出桿一側(cè)不斷磨損，最終其上下圈從連接薄弱處分離。分離后上圈在摩擦力作用下卡入壓蓋與伸出桿之間的間隙并最終斷裂，斷裂后的密封件內(nèi)圈存在于密封環(huán)的一側(cè)，在活塞側(cè)液壓力的作用下軸向壓緊，形成對(duì)伸出桿及活塞的偏心力，造成關(guān)腔活塞的伸出桿和活塞外援面與及密封壓蓋和上端蓋接觸而磨損。

傳感器測(cè)量的錐體安裝于關(guān)腔活塞伸出桿頂部，當(dāng)關(guān)腔活塞伸出桿磨損嚴(yán)重時(shí)，錐體在隨主配壓閥上下動(dòng)作的過(guò)程中不再保持線性移動(dòng)且偏差較大，導(dǎo)致傳感器與錐體之間的距離變化非線性，而電氣中位根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的參數(shù)確定于某一位置，當(dāng)這一位置隨著錐體變化時(shí)，電氣中位也就發(fā)生了向關(guān)側(cè)的漂移；錐體的非線性動(dòng)作也就造成了兩側(cè)傳感器測(cè)量距離偏差大，發(fā)生傳感器超差報(bào)警。主配壓閥閥座安裝水平偏差大時(shí)，也會(huì)造成同一現(xiàn)象。

當(dāng)電氣中位發(fā)生偏關(guān)的漂移后，在開(kāi)機(jī)過(guò)程中主配壓閥通油量減少，導(dǎo)葉開(kāi)度減小，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升速率變慢，超出設(shè)定值時(shí)開(kāi)機(jī)流程退出。

4.2 結(jié)論

調(diào)速器主配壓閥開(kāi)腔活塞由于長(zhǎng)時(shí)間偏磨致使傳感器與錐體間的距離變化非線性，電氣中位也產(chǎn)生相關(guān)側(cè)的漂移，導(dǎo)葉開(kāi)啟速率變慢，機(jī)組開(kāi)機(jī)時(shí)間延長(zhǎng)。

5 處理方法及效果

根據(jù)上述原因分析，調(diào)速器一系列的問(wèn)題源于關(guān)腔活塞伸出桿偏磨導(dǎo)致傳感器測(cè)量的錐體動(dòng)作過(guò)程非線性，因此結(jié)合機(jī)組檢修，更換了主配壓閥開(kāi)腔活塞、關(guān)腔活塞、關(guān)腔活塞伸出桿密封。

處理完成后，實(shí)驗(yàn)測(cè)得1、2號(hào)傳感器距離-電壓圖線性度優(yōu)于處理前，電氣中位無(wú)漂移，開(kāi)機(jī)過(guò)程中水輪機(jī)轉(zhuǎn)速上升至90%額定轉(zhuǎn)速的時(shí)間由原來(lái)的68 s縮減為55 s，達(dá)到設(shè)計(jì)值，機(jī)組正常投入運(yùn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)查找龍灘水電站水輪機(jī)調(diào)速器電氣、機(jī)械部位存在的異常，快速分析和處理水輪機(jī)調(diào)速器的故障，為水輪機(jī)調(diào)速器開(kāi)機(jī)時(shí)間異常處理提供實(shí)踐案例。