龍灘水電站調速器開機時間異常分析與處理

蒙小雷

（龍灘水電開發有限公司龍灘電廠，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，是梯級開發中的龍頭骨干工程，也是南方電網范圍內裝機容量最大的電站。電站廠房為布置在左岸山體內的全地下廠房，目前共安裝7 臺容量為700 MW 的水輪發電機組，總裝機容量4900 MW。壩址控制流域面積為98500 km2，占紅水河流域面積的71%。電站分兩期開發，即正常蓄水位遠景按400 m設計，初期按375 m 建設。初期正常蓄水位375m 時，總庫容162.1億m3，有效庫容111.5億m3，為年調節水庫，多年平均年發電量156.7億kW?h，電站保證出力1234 MW。

1 龍灘電站調速器系統

龍灘電站調速器系統由ALSTOM 公司生產的T.SLG 電氣調節裝置和東方電機控制公司生產的HGS–H21–250–6.3液壓系統組成，電液轉換元件為德國BOSCH 公司生產的伺服比例閥，這種伺服比例閥具有精度高、響應快、推力大、線性度好等特點。同時比例伺服閥輸出流量不再轉換為位移量，而是用流量/壓力信號直接去控制主配壓閥工作閥芯。這種調速器的主配壓閥具有電反饋或流量反饋的自復中能力。由于主配閥芯的自動復中，從而取消了機械反饋，當調速器失電時，由于主配的自復中，導葉能在一定時間內維持在原來開度不變，使安全性能得到進一步提高。

2 故障過程

2.1 開機過程

發電機組由監控系統向調速器發出開機指令，導葉快速開啟至第一開限，待機組轉速上升至設定值（轉速拐點）后將導葉開度減小至機組對應水頭的第二開限，并按照轉速調節模式對機組轉速進行調節，從而完成從“停機”到“空轉”的導葉控制。當機組進入同期并網過程時，調速器根據監控系統機組LCU 的命令，參照電網頻率對機組轉速進行調節使其滿足準同期并網的要求。當機組并網之后，調速器進入開度控制模式，按照監控LCU 要求進行負荷調整，如圖1所示。

圖1 調速器開機過程示意圖

2.2 開機時間異常

至2019年以來，7號機調速系統頻繁報傳感器超差信號；2022年2月，7號機組開機過程中，轉速上升異常（轉速上升至90%額定轉速的時長超時），開機流程退出。同時，自動狀態下上位機觀察電氣中位發現主閥位置不斷調整，無法長時間穩定中位，現場觀察主配壓閥控制管路有明顯抖動現象。

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 公司生產的感應式接近傳感器，工作原理為阻尼振蕩器，是一種適用于位置測量的固態位移傳感器。阻尼的強度由傳感器感應面與被測物體之間的距離決定。當傳感器與被測物體之間的距離發生變化時，將產生與該距離成比例的輸出電流。在實際使用過程中傳感器與被測物體之間不發生接觸，從而沒有相互間的磨損，使該傳感器得到廣泛應用。傳感器電源供電為DC24 V，輸出信號為正比于被測位移的4～20 mA 電流。通過該感器測量主配壓閥的位移情況，從而實現對主配壓閥的閉環調節反饋。

檢查過程：將1號、2號傳感器拆下安裝至自制實驗平臺，手動調整傳感器至測量體間的距離，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

調速器自動運行狀態時，伺服比例閥通過控制油源控制著主配壓閥。當系統處于平衡狀態時，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。當控制信號發生變化時，伺服比例閥動作，使主配壓閥下腔的壓力隨之發生變化，主配壓閥活塞不再處于平衡狀態而發生位移，從而通過接力器控制導葉的開度；同時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，控制主配壓閥活塞回復到中位，從而實現閉環控制。

檢查過程：檢驗電氣中位，將調速器控制方式由手動方式切至自動方式，電腦打開隨動系統測試功能，主閥位置參數給定0，發現導葉偏關，頻率下降，速度較快，經分析，電氣中位偏關約5%。

3.2 機械液壓部分檢查

3.2.1 伺服比例閥、分段關閉閥、事故配壓閥等控制閥組檢查

龍灘調速器機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、分段關閉閥、事故配壓閥等。在自動運行狀態下，控制油源經過濾清潔后進入伺服比例閥、手自動切換電磁閥、緊急停機電磁閥和流量反饋閥壓力油一側。電氣調節器輸出的開機電流信號傳至伺服比例閥后，伺服比例閥內部閥芯在線圈磁力作用下向左運動，此時壓力油導通進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，所以在相同壓強作用下主配壓閥活塞將向上運動，壓力油即通過主配壓閥輸出進入導葉接力器的開腔，同時導葉接力器關腔內的壓力油通過主配壓閥接通至回油箱，從而控制導葉接力器向開側運動，導葉開度隨之增大。伺服比例閥及放大器、主配壓閥及其傳感器構成一負反饋內環回路，當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，與其輸入信號綜合后使主配壓閥活塞在某一開度下停止移動；另外，綜合放大回路、內環回路、導葉接力器及導葉位移傳感器構成一負反饋大閉環回路，接力器活塞的位移反饋到電氣調節器的綜合放大回路，與其輸入信號綜合后，綜合放大回路輸出變為0。當其輸入減為0時，由于此前伺服比例閥在電氣調節器輸出開啟信號時已形成了一個工作平衡位置，伺服比例閥的閥芯向右移動，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，當主閥活塞回到平衡位置后，主配壓閥反饋信號正好與伺服比例閥的輸入信號符號相反大小相等，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出油口，這樣伺服比例閥、主配壓閥都回到了平衡位置，導葉接力器停止移動，一次循環調節完成。關機時，電氣調節器輸出的關機電流信號傳至伺服比例閥，伺服比例閥、主配壓閥、導葉接力器的閥芯或活塞的動作過程與其接受到開啟信號時動作正好相反。自動控制框圖見圖2。

圖2 自動控制框圖

檢查過程：切換互為備用的伺服比例閥1、伺服比例閥2，得到相同試驗數據；拆除分段關閉閥、事故配壓閥保護罩，手動操作導葉動作，觀察分段關閉閥、事故配壓閥閥芯動作正常、無卡阻。

3.2.2 機械中位檢查

調速器手動運行狀態時，需要通過一只三位四通的手動操作電磁閥實現導葉控制，這個電磁閥為雙電磁鐵換向閥。這種電磁閥具有自復中功能，即操作完成后閥芯將自動回到平衡位置，但手動操作電磁閥不具備保持主配壓閥活塞在平衡位置的功能。為了實現主配壓閥活塞的自動復中，設置了流量反饋閥，手動運行狀態下，主配壓閥的下腔與流量反饋閥控制腔油路接通。當主配壓閥活塞向上開啟時，主配壓閥下腔通過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至原平衡位置，下腔與排油管斷開；當主配壓閥活塞向下關閉時，主配壓閥下腔通過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至原平衡位置，下腔與壓力油管斷開，從而實現主配壓閥活塞的自動復中，保持導葉開度。

檢查過程：上位機將7號機開機至空載開度（空轉態），機組轉速穩定時，將調速器控制由自動切至手動，持續觀察3min，通過檢查機組開度的變化量來判斷調速器主閥位置是否在機械中位，導葉開度無變化。

3.2.3 主配壓閥檢查

主配壓閥結構如圖3所示，經分解檢查發現，主配壓閥局部發生偏磨，磨損主要發生在關腔控制活塞的伸出桿與其組合密封件及壓蓋之間，其中關腔控制活塞的伸出桿組合密封件磨損嚴重并被切斷，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 檢查結果

（1）排除人工測量誤差來看，傳感器性能符合出廠要求。

（2）電氣中位偏關、機械中位無漂移。

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

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

（5）對電氣、機械設備定值、狀態進行檢查，未見異常。

4 故障原因分析及結論

4.1 故障原因分析

關腔活塞伸出桿上的密封件是易損件，在主配壓閥長期伺服運動過程中，與關腔活塞伸出桿之間存在持續的往復運動，造成組合密封件內圈PTFE 材料靠伸出桿一側不斷磨損，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，斷裂后的密封件內圈存在于密封環的一側，在活塞側液壓力的作用下軸向壓緊，形成對伸出桿及活塞的偏心力，造成關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。

傳感器測量的錐體安裝于關腔活塞伸出桿頂部，當關腔活塞伸出桿磨損嚴重時，錐體在隨主配壓閥上下動作的過程中不再保持線性移動且偏差較大，導致傳感器與錐體之間的距離變化非線性，而電氣中位根據預先設定好的參數確定于某一位置，當這一位置隨著錐體變化時，電氣中位也就發生了向關側的漂移；錐體的非線性動作也就造成了兩側傳感器測量距離偏差大，發生傳感器超差報警。主配壓閥閥座安裝水平偏差大時，也會造成同一現象。

當電氣中位發生偏關的漂移后，在開機過程中主配壓閥通油量減少，導葉開度減小，機組轉速上升速率變慢，超出設定值時開機流程退出。

4.2 結論

調速器主配壓閥開腔活塞由于長時間偏磨致使傳感器與錐體間的距離變化非線性，電氣中位也產生相關側的漂移，導葉開啟速率變慢，機組開機時間延長。

5 處理方法及效果

根據上述原因分析，調速器一系列的問題源于關腔活塞伸出桿偏磨導致傳感器測量的錐體動作過程非線性，因此結合機組檢修，更換了主配壓閥開腔活塞、關腔活塞、關腔活塞伸出桿密封。

處理完成后，實驗測得1、2號傳感器距離-電壓圖線性度優于處理前，電氣中位無漂移，開機過程中水輪機轉速上升至90%額定轉速的時間由原來的68 s縮減為55 s，達到設計值，機組正常投入運行。

6 結語

通過查找龍灘水電站水輪機調速器電氣、機械部位存在的異常，快速分析和處理水輪機調速器的故障，為水輪機調速器開機時間異常處理提供實踐案例。