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        MGC4000 型調(diào)速器液壓跟隨故障分析及優(yōu)化

        2023-11-16 01:39:14江業(yè)仁
        水電站機(jī)電技術(shù) 2023年10期
        關(guān)鍵詞:故障

        江業(yè)仁

        (五凌電力有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410000)

        1 前言

        水輪機(jī)調(diào)速器作為水電站的重要設(shè)備,與水電站能否正常發(fā)電密不可分,一旦調(diào)速器出現(xiàn)故障,將直接關(guān)系到水輪發(fā)電機(jī)組及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,影響水電站的安全生產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)效益,因此保證調(diào)速器正常工作就顯得極為重要[1]。由于水輪機(jī)調(diào)速器連續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng),自動(dòng)化元器件多,增加了調(diào)速器的故障的發(fā)生率,因此需要在機(jī)組運(yùn)行過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)、分析并消除調(diào)速器的異常和故障,保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行[2]。

        2 設(shè)備概況

        五強(qiáng)溪電廠機(jī)組調(diào)速器為長(zhǎng)江三峽能事達(dá)電氣股份有限公司生產(chǎn)的MGC4000 系列雙機(jī)冗余式微機(jī)調(diào)速器,此調(diào)速器系統(tǒng)是能事達(dá)電氣根據(jù)多年的調(diào)速器設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn),并結(jié)合我國(guó)國(guó)情和水力發(fā)電行業(yè)特點(diǎn)開發(fā)的新產(chǎn)品[3]。由雙微機(jī)可編程控制器(PLC)控制的雙控制器+雙電液轉(zhuǎn)換裝置(伺服電機(jī)、比例閥)+自復(fù)中手動(dòng)操作機(jī)械液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成,電氣調(diào)節(jié)器以PLC 為可編程控制器核心,用智能并聯(lián)PID 適應(yīng)式變參數(shù)控制規(guī)律,實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)速器的穩(wěn)定控制。該型調(diào)速器有以下特點(diǎn):

        (1)開關(guān)電源交叉冗余合成控制和公共DC 24 V電源,其DC 24 V 電源與外部電源供電電源為完全隔離,雙機(jī)實(shí)現(xiàn)完全獨(dú)立供電,任何一套微機(jī)控制器出現(xiàn)電源故障,不影響另外一套微機(jī)控制器正常運(yùn)行,即能做到保證一套正常運(yùn)行的前提下,切除備用機(jī)電源。

        (2)雙微機(jī)控制器冗余為熱備冗余,主用機(jī)工作的同時(shí),備用機(jī)實(shí)時(shí)采集和處理數(shù)據(jù)以及故障報(bào)警處理,備用機(jī)自動(dòng)判斷調(diào)速器所處狀態(tài),當(dāng)調(diào)速器主用機(jī)出現(xiàn)大故障時(shí)進(jìn)行切換,一般小故障不進(jìn)行切換[4]。備用機(jī)切換至主用時(shí),雙機(jī)切換迅速,備用機(jī)能夠快速切換至主用狀態(tài)工作并維持系統(tǒng)工況不變。雙機(jī)有重復(fù)切換閉鎖,閉鎖主備用重復(fù)切換,規(guī)避調(diào)速系統(tǒng)的不正?,F(xiàn)象。

        (3)兩套控制機(jī)同時(shí)故障時(shí),調(diào)速器無(wú)擾動(dòng)切換到手動(dòng)運(yùn)行,維持導(dǎo)葉開度不變,保持當(dāng)前工況,此時(shí)調(diào)速器可以手動(dòng)關(guān)機(jī),緊急停機(jī)。

        3 故障概況

        故障前五強(qiáng)溪電廠5 號(hào)機(jī)調(diào)速器處于A 機(jī)+伺服電機(jī)主用、B 機(jī)+比例閥方式備用方式。

        某日,五強(qiáng)溪電廠5 號(hào)機(jī)開機(jī)過程中,監(jiān)控系統(tǒng)報(bào):

        “5 號(hào)機(jī)組調(diào)速器電調(diào)故障”;

        “5 號(hào)機(jī)組調(diào)速器A 機(jī)主用復(fù)歸”;

        “5 號(hào)機(jī)組調(diào)速器B 機(jī)主用動(dòng)作”告警。

        5 號(hào)機(jī)組調(diào)速器由A 機(jī)自動(dòng)切換至B 機(jī)主用,并網(wǎng)正常,并網(wǎng)后負(fù)荷調(diào)整正?!,F(xiàn)場(chǎng)檢查調(diào)速器電調(diào)柜有“液壓跟隨故障”、“導(dǎo)葉側(cè)大故障”及“調(diào)速器事故”報(bào)警,其余設(shè)備運(yùn)行均正常。

        4 故障分析

        4.1 “液壓跟隨故障”、“導(dǎo)葉側(cè)大故障”及“調(diào)速器事故”報(bào)警原理

        (1)“液壓跟隨故障”報(bào)警原理:導(dǎo)葉PID 給定和導(dǎo)葉實(shí)際開度相差大于5%之后,啟動(dòng)故障判斷,連續(xù)4 s 內(nèi)導(dǎo)葉變化速率(每個(gè)PLC 掃描周期內(nèi)的平均速率,PLC 的掃描周期為10 ms)均小于設(shè)定值(調(diào)速器A 機(jī)設(shè)定為3%/s,調(diào)速器B 機(jī)設(shè)定為2%/s)時(shí),開出液壓跟隨故障。

        (2)“導(dǎo)葉側(cè)大故障”報(bào)警原理:由液壓跟隨故障、導(dǎo)葉電機(jī)故障、導(dǎo)葉比例閥卡阻,導(dǎo)葉主接傳感器故障等故障并聯(lián)開出。

        (3)“調(diào)速器事故”報(bào)警原理:由測(cè)頻總故障(殘壓測(cè)頻和齒盤測(cè)頻同時(shí)發(fā)生故障)、導(dǎo)葉反饋故障、主配壓閥反饋故障、微機(jī)控制器故障、液壓跟隨故障等故障并聯(lián)開出。

        4.2 故障原因分析排除

        因故障前五強(qiáng)溪電廠5 號(hào)機(jī)調(diào)速器處于A 機(jī)+伺服電機(jī)主用,本次故障排除了“導(dǎo)葉比例閥卡阻”故障。

        對(duì)各報(bào)警的原理進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn):液壓跟隨故障、導(dǎo)葉電機(jī)故障、導(dǎo)葉比例閥卡阻,導(dǎo)葉主接傳感器故障、測(cè)頻總故障(殘壓測(cè)頻和齒盤測(cè)頻同時(shí)發(fā)生故障)、導(dǎo)葉反饋故障、主配壓閥反饋故障、微機(jī)控制器故障均有專門的報(bào)警,當(dāng)他們發(fā)生故障時(shí)均會(huì)產(chǎn)生報(bào)警并報(bào)送至監(jiān)控系統(tǒng)。可以基本排除“液壓跟隨故障”以外的其他類型故障。

        通過上述分析,可以判定在無(wú)其他設(shè)備異常報(bào)警的情況下,本次故障中“調(diào)速器事故、導(dǎo)葉側(cè)大故障”報(bào)警均是“液壓跟隨故障”引起。

        4.3 液壓跟隨故障產(chǎn)生原因分析

        由“液壓跟隨故障”報(bào)警原理得知,調(diào)速器A 機(jī)開機(jī)過程中液壓跟隨故障的直接原因是導(dǎo)葉動(dòng)作不及時(shí),導(dǎo)葉PID 給定和導(dǎo)葉實(shí)際開度相差大于5%之后,連續(xù)4 s 內(nèi)導(dǎo)葉變化速率均小于設(shè)定值(調(diào)速器A 機(jī)設(shè)定為3%/s,調(diào)速器B 機(jī)設(shè)定為2%/s),導(dǎo)致“液壓跟隨故障”,進(jìn)而引起“導(dǎo)葉側(cè)大故障”及“調(diào)速器事故”。而引發(fā)導(dǎo)葉動(dòng)作不及時(shí)的根本原因可能是:

        (1)伺服電機(jī)—引導(dǎo)閥—主配油路控制延時(shí),導(dǎo)致導(dǎo)葉開度變化速率過低;

        (2)伺服電機(jī)—引導(dǎo)閥—主配油路控制正常,當(dāng)時(shí)水頭下A 機(jī)PID 調(diào)節(jié)伺服電機(jī)—引導(dǎo)閥—主配油路控制的固有特性導(dǎo)致導(dǎo)葉開度變化速率在某一區(qū)間持續(xù)低于3%/s。

        為檢驗(yàn)上面兩個(gè)可能的原因,需要對(duì)5 號(hào)機(jī)組進(jìn)行調(diào)速器無(wú)水試驗(yàn)及開機(jī)至空轉(zhuǎn)試驗(yàn),模擬測(cè)試導(dǎo)葉在開機(jī)過程、運(yùn)行過程中的導(dǎo)葉變化速率,進(jìn)一步分析原因。

        4.4 5 號(hào)機(jī)組調(diào)速器A 機(jī)無(wú)水、開機(jī)至空轉(zhuǎn)試驗(yàn)情況及分析

        A 機(jī)主用狀態(tài)下進(jìn)行導(dǎo)葉無(wú)水試驗(yàn)及調(diào)速器開機(jī)至空轉(zhuǎn)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果如下:

        (1)引導(dǎo)閥加注鈣基脂潤(rùn)滑油前,A 機(jī)開機(jī)至空載,導(dǎo)葉開度從0%開至5%,用時(shí)3.303 s,平均導(dǎo)葉開度變化速率為1.514%/s;導(dǎo)葉開度從5%開至10%,用時(shí)2.473 s,平均導(dǎo)葉開度變化速率為2.02%/s(如圖1 所示)。

        圖1 加注潤(rùn)滑油前導(dǎo)葉開度過程曲線

        (2)引導(dǎo)閥加注鈣基脂潤(rùn)滑油后,開機(jī)至空載,導(dǎo)葉開度從0%開至5%,用時(shí)3.227 s,平均導(dǎo)葉開度變化速率為1.55%/s;導(dǎo)葉開度從5%開至10%,用時(shí)2.449 s,平均導(dǎo)葉開度變化速率為2.04%/s(如圖2 所示)。

        圖2 加注潤(rùn)滑油后導(dǎo)葉開度過程曲線

        (3)引導(dǎo)閥加注鈣基脂潤(rùn)滑油后,做無(wú)水試驗(yàn),導(dǎo)葉開度從0%至5%,用時(shí)1.478 s,平均導(dǎo)葉開度變化速率為3.38%/s;導(dǎo)葉開度從20%至25%,用時(shí)1.383 s,平均導(dǎo)葉開度變化速率為3.62%/s(如圖3所示)。

        圖3 引導(dǎo)閥加注潤(rùn)滑油后導(dǎo)葉開度過程曲線

        對(duì)比伺服電機(jī)引導(dǎo)閥加注鈣基脂潤(rùn)滑油前后,調(diào)速器開機(jī)至空轉(zhuǎn)過程中的導(dǎo)葉開度變化速率,可知加注鈣基脂潤(rùn)滑油后導(dǎo)葉開度變化速率有極其細(xì)微的增大,可忽略不計(jì),判斷伺服電機(jī)—引導(dǎo)閥—主配油路控制延時(shí)不是液壓跟隨故障的主要原因。

        對(duì)比無(wú)水試驗(yàn)條件下導(dǎo)葉開度變化速率,可知不同開度區(qū)間導(dǎo)葉開度變化速率不同,0%~15%及85%~100%導(dǎo)葉開度區(qū)間導(dǎo)葉開度變化速率較慢,15%~85%開度區(qū)間導(dǎo)葉開度變化速率較快。

        綜合無(wú)水試驗(yàn)不同導(dǎo)葉開度區(qū)間導(dǎo)葉變化速率情況及開機(jī)至空轉(zhuǎn)時(shí)導(dǎo)葉開度變化速率,可知在故障當(dāng)日水頭情況下,導(dǎo)葉開度變化速率在15%~85%開度區(qū)間會(huì)大于3%/s,在0%~15%及85%~100%導(dǎo)葉開度區(qū)間會(huì)在2%/s 附近甚至低于2%/s。即A機(jī)故障的根本原因是由于A 機(jī)PID 調(diào)節(jié)伺服電機(jī)—引導(dǎo)閥—主配油路控制的固有特性,導(dǎo)致導(dǎo)葉開度變化速率在某一區(qū)間連續(xù)4 s 內(nèi)低于3%/s,從而開出了“液壓跟隨故障”、“導(dǎo)葉側(cè)大故障”及“調(diào)速器事故”。

        5 優(yōu)化方案

        根據(jù)前面分析調(diào)速器A 機(jī)故障的根本原因是由于A 機(jī)PID 調(diào)節(jié)伺服電機(jī)—引導(dǎo)閥—主配油路控制的固有特性引起的,導(dǎo)致導(dǎo)葉開度變化速率在部分區(qū)間,特別是機(jī)組剛剛啟動(dòng)和接近額定轉(zhuǎn)速的時(shí)候低于3%/s,在這些區(qū)間調(diào)速器A 機(jī)主用下液壓跟隨故障判斷參數(shù)(導(dǎo)葉開度變化速率:3%/s)設(shè)置偏高,與A 機(jī)方式下調(diào)速器固有特性不匹配,容易產(chǎn)生該故障。

        依據(jù)5 號(hào)機(jī)組調(diào)速器A 機(jī)試驗(yàn)特性,將5 號(hào)機(jī)組調(diào)速器A 機(jī)“液壓跟隨故障”導(dǎo)葉變化速率定值由“3%/s”調(diào)整為“2%/s”,修改后經(jīng)長(zhǎng)期觀察不同水頭下調(diào)速器均未再報(bào)過相關(guān)故障報(bào)警。

        6 結(jié)語(yǔ)

        水輪機(jī)調(diào)速器系統(tǒng)的故障,往往是電氣、機(jī)械、液壓內(nèi)部問題的交錯(cuò)重疊和外部因素的共同作用,一個(gè)故障可能由一種或幾種原因引起,雖然呈現(xiàn)的故障現(xiàn)象基本一致,但是原因卻可能不同,實(shí)踐中需仔細(xì)甄別。通過對(duì)MGC4000 型調(diào)速器發(fā)生的一次液壓跟隨故障進(jìn)行分析,排查了相關(guān)可能導(dǎo)致液壓跟隨故障的因素,并根據(jù)排查結(jié)果對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,有效的消除了該類故障,可為同類型調(diào)速器發(fā)生相關(guān)故障時(shí)的處置提供參考。

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