水轮机调速器液压故障分析及处理

引言

太平驿电厂位于岷江上游，地处四川省阿坝藏族羌族自治州汶川县境内。电站为径流引水式，设计水头108m，发电引用流量250m3/s，安装四台单机容量65MW的混流式水轮发电机组。2008年汶川“512”大地震，太平驿水电站遭到严重破坏，经过电站人员的自强不息和不懈努力，于2009年全部机组恢复发电。当时调速器改造采用了南瑞集团公司最新推出的SAFR-2000H型双微机调速系统。该调速器计算机控制部分以B&R公司的PCC2005控制器为核心，双CPU配置；机械液压部分则以BOSCH公司的比例伺服阀作为电液转换单元，主配压阀则选用了具有自动复中功能的专利产品[2]。该系统自投运以来，一直运行正常，但某次简单的停机检修却带来了一次调速器“莫名”的故障，处理的过程详述如下。

1、故障情况

2010年09月5日，电站1#机组停机一天消缺，电站维护人员对1#调速器进行了常规安全措施处理，断开调速器电柜、机柜的交、直流电源。第二天，维护人员恢复了对1#调速器所做的安全措施。刚恢复电源时，调速器就报“调速器A套液压故障”，调速器B套则正常。按下“复归”按钮，调速器故障依旧，掉电再上电故障依然不能消除。由于本次消缺，除了掉电，并没有对调速器进行更多操作，掉电前调速器一直运行正常，维护人员感觉棘手，随即对电调设备进行了全面排查。

2、故障分析

2.1调速器电气系统结构

太平驿电站调速器微机控制部分选用了B&R公司的2005系列PCC（可编程计算机控制器）

作为机组调速器的硬件主体，其中PS465作为PCC的电源模块，IP161作为调速器的CPU模块，该CPU模块具有850kBSRAM，1.5MBFlashPROM，2个RS232接口，1个CAN接口，12点数字量输入/输出，同时具有TPU功能（可进行直接频率测量），6个模拟量输入，6个模拟量输出，可以方便的完成对机组频率或电网频率的测量，同时可以完成调速器的调节计算和控制输出。数字量输入模块DI476作为调速器开关量输入模块，数字量输出模块DO479作为调速器开关量输出模块，双机之间切换由一个智能切换继电器来保证，人机接口部分选用12英寸高亮度液晶触摸显示屏，作为控制系统的监控显示和操作界面。

系统结构和配置如图1所示。

图1水轮机组调速器电气系统结构图

2.2调速器液压故障判断

调速器报“液压故障”，本意是指调速器电气动作指令发出后,机械液压执行机构不动作或异常动作。本故障表面上看是机械部分问题，但由于电气设备自身问题，如电气信号输出不正确，反馈系统异常等也经常会出现“液压故障”。该故障是通过软件进行判定的，其故障判断条件为：

（1）导叶给定和导叶反馈相差10%以上；

（2）导叶反馈运动速度小于0.5%每秒，或向相反方向动作；

（3）调速器自动状态时电液比例伺服阀功率放大器报警。

满足上述三个条件时，延时启动，时间超过8秒（注意断路器跳开时头6秒不算），则导叶

液压故障报警动作。导叶液压故障报警后，电调自动将液压柜切换到容错脉冲方式调节，必须手动复归后无故障才能切换回自动。

2.3故障原因分析

调速器液压故障是调速器严重故障之一，该故障主要与导叶给定、导叶反馈、电液转换单元密切相关。首先检查了电液比例伺服阀，通过强制电气柜到电液伺服阀放大器的电压信号，测量比较伺服阀的位移反馈和配套放大器的输入电压，两者比例关系方向正确，大小合适，放大器本身的报警也没有动作，表明伺服阀动作正常，可以排除液压系统故障原因。其次我们检查了导叶给定环节，导叶给定主要和机组工况有关，停机时为-1%左右，主要考虑输出一个较小的关机电压，防止机组开启，空载时导叶给定等于设定的空载开度（与水头相关）加上频差PID计算值，发电时，导叶给定等于设定的空载开度加上频差PID计算值，再加上监控系统脉冲增减的有功给定量。经过检查，导叶给定在机组停机、开机、发电工况时均显示正常。最后我们检查导叶反馈环节，首先检查了导叶位置变送器，通过滑动位移变送器感应块，测量变送器的4~20mA电流输出，基本与滑块位置成比例线性关系，可以排除变送器本身的问题。

再仔细检查调速器电气柜人机界面显示的导叶开度，发现A套与B套不一致，仔细对比发现，A套测量值与导叶实际位置误差较大，B套基本正常，由于该调速器A套、B套都是公用机械液压柜及导叶行程传感器，因此怀疑A套电柜导叶开度测量回路有异常。

3、故障处理

该回路异常可能是软件原因也可能是硬件原因。硬件方面，主要和模拟输入通道相关，贝加莱PCC控制器提供了很方便的检查手段，正常情况下，4~20mA模拟量输入对应PCC内部测量码值为032767，通过人机界面就可以检查，经检查，导叶模拟量输入通道数据测量正常，这样范围就缩小到调速器内部的换算参数上，因模拟量数据测量输入后，要进行最小最大值标定，即微机内部需要存储导叶接力器全关及全开位置时的变送器模拟量测量值，作为导叶开度测量显示及计算的依据。

初步怀疑调速器导叶定位参数异常，下一步即展开验证。将调速器电柜装置上电，CPU模块（IP161）上的“RUN”灯亮，表明程序运行正常。对调A套、B套的CPU模块（IP161），现在A套恢复正常，而B套报液压故障，再将A套、B套的CPU模块（IP161）放回原位置，B套恢复正常，而A套又报液压故障，由此断定原因出在A套的CPU模块（IP161）。在线检测，发现导叶给定与导叶反馈的绝对值大于10%。进一步检查发现导叶定位的最小值Gv_Min和Gv_Max的值已发生了改变，导致导叶反馈异常，同时导叶调节的PID参数也不正常，全部变为零，导致电柜到机柜的控制输出电压为零，导叶无法调节动作，从而使得导叶反馈与给定值的偏差绝对值始终大于10%。

取下A套的CPU模块（IP161），检查其内部的钮扣电池，直观观察感觉钮扣电池的位置安装不是很到位，取下电池测量其电压为3.0V，重新将电池安装到位并固定好，然后将投运时的相关参数输入A套的CPU模块（IP161），A套设备恢复正常。

故障前后A套的相关参数对比如下表1所示：

表1A套相关参数对比

4、总结及预防措施

总结本次事故排查，可以用图2来表示。

图2故障分析流程图

通过图2，可以清晰地了解故障的整个分析、排查和处理、解决过程。

自1994年投产以来，调速器因钮扣电池引起相关参数的丢失是第一次，为此提出以下预防措施：

（1）机组大修、小修时做好数据备份,检修结束后，调速器投产前必须进行参数检查和对比，确保与原来设置参数相同；

（2）定期检查钮扣电池，是否有振动、松动、电池电压等。并记录电池使用时间，超过3年应进行更换，或长时间停电（超过30天），在此上电时应检查电柜内调速器参数是否正常。

（3）对调速系统做安全措施时尽可能不断开调速器电柜的交、直流输入电源。保持调速器电气控制柜在通电状态态，机械柜可以切换到手动或投入紧急停机电磁阀，保证导叶处于全关闭状态。

5、结束语

水轮机调速系统是水电厂中最重要的控制设备之一，承担着机组的启动、停止、空载转速调节、并网调整负荷、一次调频、事故下紧急控制等重要作用，其运行的可靠性对电站尤为重要。太平驿电站选择贝加莱PCC作为机组调速器的硬件，借助PCC模块的高可靠性及软件上分时多任务操作的优点，充分满足了机组调速器实时性和快速响应的要求[2]。但也不能掉以轻心，仅仅一个小小的纽扣电池松动，给调速器的正常运行带来不小麻烦，排查起来也费不少时间。不过排查处理的过程具有一定的典型性，可以为将来调速器类似的故障分析提供较好的借鉴。自1#机组调速系统故障处理以来机组运行良好，为太平驿公司“多发电、增创收”做出了巨大贡献。

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