囊式高油压调速器常见问题分析与处理

吴昌春，潘淑改

(1．水利部小浪底水利枢纽管理中心，河南 郑州 450000；2．黄河小浪底水资源投资有限公司，河南 济源 454681)

1 概 述

龙背湾水电站位于湖北省竹山县堵河支流官渡河上游，距竹山县城90 km，水库总库容8.3亿m3，装机容量180 MW，年发电量4.19亿kW·h。电站为地面引水式厂房，安装有2×90 MW混流式水轮发电机组。电站送出工程接入湖北省国家电网，为湖北省电力公司优质调峰电站。

龙背湾水电站采用GKT—50000—16型高油压调速器，油压装置采用16 MPa油气分离的囊式蓄能罐、高压齿轮泵、高压液压缸、各类液压阀及液压附件等，在控制部分采用了电液比例阀及其他各类液压件，在结构上采用了液压集成块和标准的液压附件。油压装置采用囊式储能罐，气囊内所充氮气与液压油不直接接触且密封性好，延长了液压油使用寿命，减少了运行操作及维护工作量。龙背湾水电站是目前国内应用高油压囊式储能罐的单机容量最大的水电站。

2 囊式调速器工作原理

互为冗余配置的高压油泵将集油箱内的液压油经过油泵出口阀组等打至囊式蓄能罐中，压缩储能罐皮囊加压至16 MPa后，并联运行的12个囊式储能罐向调速器系统提供压力油源。调速器电调柜接到操作指令后，通过冗余配置的PLC控制器进行内部判断给出开/关导叶指令，并将动作指令电信号通过比例伺服阀转化为控制油压信号，由控制油压推动主配压阀动作，使操作油压通过主配压阀推动接力器动作，完成导叶开/关指令。导叶位移传感器在线监测导叶开度与目标值比较，经PLC控制器判断后，重复发出动作指令电信号，实现导叶控制闭环调节，直至达到目标值。

3 常见故障

2015年投运后，龙背湾水电站调速系统多次出现阀组卡涩拒动导致机组负荷无法正常调节以及负荷突增、突减，单套位移传感器故障导致机组停机失败，随动系统故障报警误报，增减负荷缓慢等设备异常情况。

3.1 仅有残压测速参与控制，测速回路无冗余配置

齿盘测速回路精度不够，齿盘测速信号无法参与调速器调节控制，测速回路无冗余配置。开机时，残压测速回路故障，导叶将自动全关，无法自动开机；并网后，残压测速回路故障，调速器将直接切至机手动状态，此时出现其他故障，保护装置切机，将直接导致机组过速；机组检修后或者长期停机后再开机，机组无剩磁将导致机组无法自动开机；手动开机时，则无法显示转速。龙背湾水电站属于高转速机组(272.7 r/min)，很难控制机组平稳开至空载转速，极易造成机组过速。

3.2 调速器随动系统故障检测功能异常

随动系统故障检测功能投入后，随动系统故障信号频繁出现，调速器由自动控制切至手动控制；如在机组事故停机过程中出现此问题，因导叶无法自动回关，会导致机组过速。

3.3 模拟反馈断线试验结果不满足国标要求

在模拟导叶接力器位移传感器反馈断线试验时，导叶接力器位移突开4%，远超国标(GB 9652)突变量±1%的要求，影响机组安全运行。

3.4 位移传感器可靠性低，影响机组安全运行

每台调速器仅配置1个拉线式位移传感器，在使用过程中极易出现拉线抖动、触头磨损、导叶快速关闭时弹簧卡死等问题，位移传感器损坏将直接影响机组开机和并网过程中机组安全运行，存在导叶失控等重大安全隐患。

3.5 随动性差，增减负荷缓慢

调速器上位机增减负荷缓慢，有功从0 MW升至60 MW需大约90 s，负荷调节速率不满足华中电网要求。

3.6 核心电气元件无冗余配置，可靠性低

PLC、位移传感器等为调速器控制核心部件，均为单一配置，设备可靠性低，任何一个环节出故障，机组将直接失控。

3.7 负荷稳定性差

多次并网过程中，接力器突开或突关造成负荷突变。

3.8 自动水头不参与控制

调速器自动水头无法参与控制。龙背湾水电站工作水头范围较广，对调速器控制参数要求较高。开机时，导叶直接开至空载开限，仅靠空载开限限制来控制机组转速上升，机组启动瞬间启动力矩较大；同时开机至空载，转速超调量较大，稳定时间长，机组并网时间偏长。

3.9 一次调频指标不满足电网要求

在并网状态下，机组一次调频频繁误动作，同时调速器控制系统无法上送一次调频功能投入信号至电站相量采集装置，无法实现一次调频功能。

3.10 程序设计缺陷

调速器故障的保护功能缺少必要的保护程序，如反馈断线时调速器自动切换纯手动运行，当出现甩负荷工况导叶开度大于空载开度时，调速器切纯手动运行，将导致机组过速。

3.11 阀组频繁卡涩

(1)自动停机时，关机电磁阀、比例电磁阀卡涩拒动，导致导叶无法关闭，机组无法解列停机。

(2)自动停机时，锁定电磁阀卡涩导致停机后，锁定无法自动投入，且手动捅阀芯仍拒动。

(3)手自动切换阀卡涩导致停机后，导致停机时导叶有5%开度不能全关，停机流程超时退出。

(4)机组检修时，无水状态下模拟机组机械过速装置动作试验，多次发生机械过速保护装置卡涩拒动；在发生机组过速时机械过速装置拒动，导致机组飞逸。

4 常见故障原因分析

针对调速器运行中出现的故障现象，结合设备运行情况，龙背湾水电站技术人员展开市场调研后分析认为水电站应用的GKT—50000—16型高油压调速器的配置和功能设计仅能满足小型机组和地级市电网要求，无法满足省电网要求；同时存在安全隐患和性能上的缺陷，具体如下：

(1)调速器电气部分PLC、电源、继电器等硬件配置偏低。

(2)信号抗干扰能力差，缺少相应的电气信号隔离。

(3)程序设计不够完善，存在程序缺陷，如仅有残压测速参与控制，存在重大安全隐患。

(4)测速、导叶反馈等自动化元件配置简陋，可靠性和精度差。

(5)液压部分阀组选型及质量差，阀组加工精度不够。液压回路精确控制部分采用比例换向阀，该阀输入信号为0～10 V的电压信号，靠电压控制，线性度差，不适合用于精确调整负荷。

(6)液压回路设计不合理，存在安全隐患。

(7)软管接头采用非标焊接，安全性较低。

5 常见故障处理

为解决运行中存在的故障，在充分调研的基础上，2017年，龙背湾水电站决定对调速器系统进行改造：一是将电气控制、机械液压部分整体改造。二是对齿盘测速及位移反馈等测量回路自动化元件重新选型更换。三是在液压回路中考虑加装滤油装置，确保油质。四是完善控制程序，自动水头信号应用到程序控制、反馈断线故障检测重新优化检测判据、随动系统故障检测程序重新优化、开发触摸屏常规试验功能、残压与齿盘转速信号均参与程序控制等。

5.1 电气控制部分

(1)PLC控制。采用双冗余热备用PLC，包括双套开关量、模拟量及高速计数模块。

(2)电源回路。采用双电源无扰切换，同时对不同类型自动化元件设置单独24 V电源空开，防止任一路接地等造成盘柜大面积失电，扩大故障范围。

(3)自动化元件。测速回路采用双齿盘测速，提高机组测速可靠性，导叶反馈采用抗污染能力强、精度及可靠性高的进口双磁致伸缩位移传感器。

5.2 机械液压部分

(1)液压阀组。全套采用Bosch Rexroth液压阀组，应用高精度比例伺服阀先导控制导叶开关。

(2)管路。将原管路直径由50 cm减为25 cm，提高有液压油流速。

(3)液压回路增加功能。液压系统设计纯手动状态闭锁保护、接力器高压软管与接力器油口间加装节流口，防止爆管等极端工况下导叶快速关闭，导致蜗壳水压突增极端工况关机保护。选用力士乐V型主配压阀，可在电气部分全部失电情况下自动关机保护等。

(4)机械过速装置。选用可靠性高的具有拐点动作特性的纯机械过速保护装置，确保机组过速时可靠停机。

5.3 故障处理后效果

改造后，龙背湾水电站调速器各项性能指标良好(见图1～图4，表1～表4)。

图1 机组甩100%负荷曲线

图2 机组甩25%负荷曲线

表1 1号机调速器静特性试验数据

表2 1号机调速器静特性试验结果

表3 2号机调速器静特性试验数据

表4 2号机调速器静特性试验结果

图3 1号机调速器静特性试验曲线(bp=4%)图4 2号机调速器静特性试验曲线(bp=4%)

6 故障处理亮点

6.1 快速同期

采用常规两段开度开机或加速度方式开机，加速度方式首先采用1个固定启动开度，在导叶开度达到启动开度值后，进入具有固定加速度设定的加速度PID闭环控制。转速上升过程中，加速度给定值逐步减少，接近额定转速后调速器进入空载转速控制方式运行。

6.2 导航跟踪功能

功率控制功能块中增加1个前置放大控制功能块，在机组调节输出功率过程中，快速接近所预期的输出功率，实现快速跟踪。

6.3 冗余配置

每台调速器配置双冗余PLC及双套开关量、模拟量模块、双高精度磁致伸缩位移传感器、双测速测量等，充分保障设备安全可靠运行。

6.4 开停机控制

配置有开停机换向阀，由先导电磁阀控制，导叶开启/关闭更可靠。

6.5 配压阀

主配压阀选用Bosch Rexroth，阀芯机能采用“V”型，0遮程设置使主配压阀控制死区小，阀芯动作响应灵敏。

6.6 机械过速保护

龙背湾水电站配置的机械过速较常规机械过速弹簧动作方式不同，在机组转速未达到过速动作值时，弹簧不会作伸缩动作，避免了机械过速弹簧疲劳、误动。过速飞摆采用特殊的弹簧结构设计，具有拐点动作特性。在机组转速未达到过速动作值时，弹簧不会作伸缩动作，飞摆始终保持在初始位置。当机组转速达到动作值时，飞摆由离心力作用向外动作4 mm，避免了弹簧在长期机组运转过程中由于频繁伸缩动作而导致过速设定值漂移，引起机组过速误动作。

6.7 一级过速保护

接收到一级过速信号，通过监控系统开出开停机换向阀驱动主配压阀关机。非紧急事故情况下，避免了机组故障扩大及减少主阀、事故配压阀动作，方便现场快速处理并恢复故障。

6.8 失电关机保护

采用具有偏关特性的V型主配压阀，在整个调速器系统失电后，主配压阀在弹簧力作用下将接力器缓慢关闭，保证机组安全。

6.9 增加功率调节模式

增加功率调节模式功能，调整负荷时仅需通过监控系统下发4～20 mA功率模拟量信号数值至调速器，由调速器自身形成功率闭环调整负荷，并稳定在给定值。

7 结 语

龙背湾水电站调速器改造后投入运行至今，调速器运行稳定，未出现设备缺陷。同时，原调速器频出现的故障问题全部解决，各项性能指标满足湖北省电网要求。