水轮发电机组过速事故分析及处理

缪文辉

摘 要：针对水轮机调速器故障引发机组过速事故，介绍了PSWT型比例伺服数字微机调速器，事故的过程及处理，并详细分析了事故原因，提出防范对策。

关键词：调速器;过速;原因;防范对策

中图分类号：TV737 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）20-0144-02

1 简介

某水电站5号水轮机调速器系统采用武汉三联水电控制设备有限公司PSWT-100型比例伺服数字微机调速器。该调速器机械部分采用两套互为热备用的电液转换机构、机械手动操作机构、自动复中装置、主配压阀、紧急停机电磁阀等构成机械液压随动系统。先导控制级采用比例伺服阀、数字球阀构成的机械冗余结构，对主配压阀进行裕度控制。该先导级可以分别通过比例伺服阀或者数字球阀进行自动控制，互不干扰，互为热备用。比例伺服阀、数字球阀都起电液转换作用，将电气信号转换成位移和流量信号，进而形成接力器行程。两套控制系统一套在线运行，则另一套热备用;由调速器电气部分进行切换分选。如调速器电气控制部分检测主用的电液转换环节发生拒动卡阻时，电磁阀将自动切换至热备用的电液转换环节。

PSWT-100型调速器系统，采用比例伺服阀作为调速器液压系统的主用电液转换元件，该阀由德国BOSCH公司生产。比例伺服阀是比例和伺服技术有机结合的产物，采用比例阀中的比例电磁铁作为电气、机械转换器，而功率级滑阀又采用伺服阀的结构和阀芯、阀套加工技术。比例伺服阀电磁操作力大、静态精度高、动态响应好，特别适用于闭环系统，具有重复性和滞环小的控制特点。数字球阀具有防油污和抗卡能力强的特性，是理想的小功率液壓控制和先导控制回路元件。弥补比例伺服阀对油质要求高的缺点，并且在调节过程中有实时的70～80Hz的微小颤动量，有效防止卡阻，作为比例伺服阀的冗余备份，确保调速器可靠控制。

2 事故经过

3月16日7时01分，5号机组开机，监控系统启动开机流程。机组开机过程转速120%过速，调速器拒动，导叶未关回。运行人员现场检查，机组频率58.8Hz，调速器故障灯亮。运行人员现地操作停机流程，紧急停机动作，停稳机组。

5号机过速过程调速器故障信号“比例阀出错”、“导叶机械拒动”。监控系统信号“调速器局部故障”、“5号机转速105.6%，越上限”、“5号发电机115%过速保护动作”、“5号机转速110.3%，越上上限”。

3 事故检查、处理经过

事故发生后，检修人员检查确认自动控制回路动作正确，初步判断机组过速为调速器机械卡阻拒动引起。为确定调速器故障原因与故障发生部位，对5号机进行空载开机试验检查。检查情况如下：（1）调速器切“机手动”，数字球阀工作。现地手动操作数字球阀，开侧数字球阀操作正常，关侧数字球阀无法操作;（2）调速器切“电动”，比例阀工作。现地电手动操作比例阀，开关机组导叶正常;（3）调速器切“电动”，数字球阀工作。现地电动操作数字球阀，开侧数字球阀操作正常，关侧数字球阀无法操作。经上述现场检查，确认关侧数字球阀损坏。更换失效的数字球阀后，5号机自动开、停机正常。

4 事故原因分析

4.1 机组开机过速过程分析

5号机正常开机时，调速器接到开机令，自动将导叶开至开机导叶最大开度33%amax。当机组频率达到45Hz时，调速器经PID调节，将导叶调至对应水头的空载开度。该过程如图1所示。

3月16日5号机开机，调速器比例阀将导叶开至28%amax开度时，机械卡阻，调速器控制输出与导叶开度存在5%amax偏差，调速器判断比例阀出错，切数字球阀运行。此时机组频率已达45Hz，调速器投入PID调节，操作关侧数字球阀，欲将导叶关回至空载开度。由于关侧数字球阀失效，导叶未动作，保持28%amax开度，机组转速继续上升。当机组转速升至120%Ne左右时，机组动力矩与阻力距达到平衡，转速不再上升。该过程如图2所示。

4.2 机组115%过速保护动作情况分析

通常，如果5号机转速115%过速，又遇调速器故障，经延时投入事故配压阀，机组紧急停机。由于5号机主配发卡接点不能正确反应主配压阀的实际情况，机组过速限制回路采用调速器自动控制退出替代常见的主配发卡接点。机组现地控制单元LCU判断调速器故障的依据是调速器自动控制退出。

4.2.1 调速器自动控制退出信号动作情况分析

调速器自动控制退出PLC回路如图3所示。3月16日5号机开机，比例阀卡阻，调速器判断导叶机械拒动，导叶机械拒动000393闭合，比例阀控制出错000446动作（回路1）;进而比例阀控制出错000444动作并自保持（回路3、4）。调速器切数字球阀运行，关侧数字球阀失效，调速器判断导叶机械拒动，导叶机械拒动000393闭合，由于比例阀控制出错000444打开，数字阀控制出错000447无法动作（回路1、2）;故数字阀控制出错000445无法动作（回路5、6）;进而自动控制退出000013无法复归（回路7）。

注释：000393导叶机械拒动;001024机手动;000003比例阀工作;000445数字阀控制出错;000446比例阀控制出错;000444比例阀控制出错;000447数字阀控制出错;000402上电2S动作;000313复归信号;000312导叶反馈断线;000013自动控制退出。

调速器自动控制退出判据为：调速器机手动、导叶反馈断线、比例阀和数字阀均出错（回路7）。由于数字阀出错000445未动作，故调速器自动控制退出未动作。

同样，如果调速器在数字阀主用时出错，比例阀出错000446也要判别数字阀无出错（数字阀控制出错000445未动作），故调速器自动控制退出亦无法动作。

4.2.2 机组115%过速保护动作情况分析

注释：I0072导叶空载及以上位置;I0020转速115%接点;I0092调速器自动控制退出接点;I0066机组开关分位置;M0109中间变量;M0107事故回路中间变量;I0028现地投事故配压阀;Q0024事故配压阀投入。

机组115%过速保护PLC回路如图4所示。由于调速器自动控制退出未复归，故调速器自动控制退出接点I0092闭合，中间变量M0109动作（回路1）;则事故回路中间变量M0107未动作（回路2）。事故配压阀投入Q0024无法动作（回路4），机组无法动作紧急停机。

综上所述，事故发生过程中，自动回路动作正确。5号机过速时，由于调速器自动控制退出回路存在的设计缺陷，致使机组115%过速保护未动作。

5 防范措施

5.1 比例阀发卡防范措施

比例伺服阀的先导级单纯采用滑阀的阀芯、阀套配合形式，液压集成块内部油流通道没有微小节流孔口，不易堵塞。油质的精度通常小于20μm即可，要求不太高。但比例伺服阀仍属高精密的元件，若油中存在的杂质较大，尤其是较大的金属杂质，在调速器工作过程中，杂质可能卡住比例伺服阀导致其无法复中，引起水轮机导叶异常动作。如要避免此种故障，建议做到以下三点：（1）加强调速器在大、小修时的检查、维护工作;阀体内部油流通道彻底清洗干净，确保无杂质遗留，避免杂质进入阀体内部流道，造成比例伺服阀阀芯卡阻;（2）调速器油过滤器更换高目数滤网，确保调速系统油质清洁，无杂质;（3）定期检修维护比例伺服阀，完善周期试验、更换制度。

5.2 机组115%过速保護未动作防范措施

针对调速器自动控制退出回路设计缺陷，修改调速器控制程序，确保调速器在机械拒动时，准确送出调速器自动控制退出信号，保证机组115%过速保护正确动作，保障机组运行安全。

6 结语

5号机调速器关侧数字球阀损坏是机组过速的直接原因，致使导叶无法关回;先导阀或者比例伺服阀瞬时发卡，是机组过速的间接原因。调速器自动控制退出回路的设计缺陷是造成机组115%过速保护未动作停机的原因。

参考文献

[1] 黄志坚，王钦若.电液伺服与比例控制装置使用与维修[M].北京：中国电力出版社，2009.

[2] 许益民.电液比例控制系统分析与设计[M].北京：机械工业出版社，2005.

[3] 武汉三联水电控制设备有限公司[G].数字调速器原理操作说明书，2011.