馬劍瀅，牛喜貴

（甘肅電投大容電力有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030）

調(diào)速器頻繁抽動(dòng)原因分析及解決辦法

馬劍瀅，牛喜貴

（甘肅電投大容電力有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730030）

通過(guò)對(duì)某水電站機(jī)組調(diào)速器頻繁抽動(dòng)的原因分析，采取改造調(diào)速器接力器開度反饋裝置、改變機(jī)組關(guān)閉規(guī)律等一系列措施，成功解決了此問題。

調(diào)速器；抽動(dòng)；機(jī)組飛車；調(diào)保計(jì)算；處理

1 概述

水電站3臺(tái)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備為YWT-3000步進(jìn)電機(jī)式，每套包括電調(diào)柜1面、壓油泵控制柜1面、7.5 kW壓油泵2臺(tái)、中間補(bǔ)氣罐2個(gè)（各10 L），壓油罐1個(gè)（額定工作壓力為2.5 MPa），敞開式集油箱1臺(tái)，導(dǎo)葉反饋采用角位移傳感器。3臺(tái)調(diào)速器于2007年4月相繼投入使用。在使用過(guò)程中存在以下主要問題：

調(diào)速器抽動(dòng)頻繁，幅度大，在自動(dòng)開機(jī)時(shí)，機(jī)組經(jīng)常出現(xiàn)過(guò)速停機(jī)現(xiàn)象，只能采用手動(dòng)開機(jī)流程；引導(dǎo)閥在冬季經(jīng)常出現(xiàn)卡澀現(xiàn)象，機(jī)組無(wú)法正常運(yùn)行；引導(dǎo)閥內(nèi)漏現(xiàn)象嚴(yán)重，在正常調(diào)整過(guò)程中，流油量由最初的滴漏，形成連續(xù)不斷地線性下漏。油壓裝置壓力油罐油氣比例不能滿足要求，補(bǔ)氣量不足（電站無(wú)中壓氣系統(tǒng)，調(diào)速器補(bǔ)氣采用中間補(bǔ)氣罐補(bǔ)氣的方式補(bǔ)氣，補(bǔ)氣效果不佳）；調(diào)速器中間罐罐頭磨損過(guò)快（一個(gè)中間罐需兩年更換一個(gè)罐頭）油壓裝置中的濾油器濾芯無(wú)備件，截止目前從未更換過(guò)，濾芯已經(jīng)無(wú)法正常工作。

2 電站簡(jiǎn)介

水電站位于甘肅省迭部縣白龍江一級(jí)支流多兒河上，距迭部縣縣城65 km處，是白龍江干流尼什峽至沙川壩段梯級(jí)開發(fā)規(guī)劃的13座水電站之一。廠房位于多兒河匯入白龍江匯口下游500 m處的白龍江右岸，總裝機(jī)容量30 MW，安裝3臺(tái)10 MW水輪發(fā)電機(jī)組。電站工程主要建筑物由攔河大壩、溢洪道、泄洪排沙洞、發(fā)電引水洞、調(diào)壓井、壓力鋼管、水電站廠房及變電站等建筑物組成，電站工程為Ⅳ等小（I）型工程。泄水建筑物由開敞式溢洪道、泄洪排沙洞組成，均布置于右壩肩，校核洪水泄量382.3 m3/s，設(shè)計(jì)洪水泄量265.5 m3/s。引水發(fā)電隧洞位于多兒河右岸山體中，低壓引水隧洞總長(zhǎng)6 319.953 m（樁號(hào)0-006.872～6+313.081 m），高壓引水隧洞總長(zhǎng)333.325 m（樁號(hào)6+313.081～6+646.406 m），壓力鋼管總管長(zhǎng)126.961m，岔管為卜型岔管，最長(zhǎng)36.403m。電站設(shè)計(jì)引用流量24 m3/s，設(shè)有阻抗式調(diào)壓井，井筒內(nèi)徑8 m，井高44 m。水庫(kù)正常蓄水位1 986 m，總庫(kù)容813萬(wàn)m3。電站主要任務(wù)是水力發(fā)電，于2007年4月投產(chǎn)發(fā)電。

3 技術(shù)參數(shù)

3.1 上游水位

校核洪水位：1 989.00 m

設(shè)計(jì)洪水位：1 986.90 m

正常蓄水位：1 986.00 m

死水位：1 974.00 m

3.2 下游尾水位

廠房校核尾水位（Q=1 390 m3/s，含干流流量）：1 844.30 m

廠房設(shè)計(jì)尾水位（Q=1 000 m3/s，含干流流量）：1 842.70 m

3臺(tái)機(jī)滿發(fā)尾水位（Q=72 m3/s，含干流流量）：1 836.30 m

2臺(tái)機(jī)滿發(fā)尾水位：1 835.94 m

1臺(tái)機(jī)滿發(fā)尾水位：1 835.58 m

半臺(tái)機(jī)發(fā)電尾水位（Q=28.4 m3/s，含干流流量）：1 835.40 m

3.3 機(jī)組資料

4 原因分析

通過(guò)對(duì)電站設(shè)備及原始設(shè)計(jì)資料核查，分析造成調(diào)速器問題的原因主要有以下幾點(diǎn)：

（1）調(diào)速器的接力器行程位移量反饋單元形式復(fù)雜，位移量經(jīng)過(guò)兩次轉(zhuǎn)化縮放，難以準(zhǔn)確反映精確位置。

經(jīng)查機(jī)械液壓系統(tǒng)圖可知，調(diào)速器的接力器位移量反饋單元工作原理：首先利用反饋斜塊的斜度將接力器的水平直線位置轉(zhuǎn)化成反饋桿的垂直位移量。反饋桿的位移量傳遞給位移傳感器。接力器活塞全行程為245mm,反饋斜塊的斜面低側(cè)高度為55mm，高測(cè)為75 mm，斜面水平長(zhǎng)度為255 mm。反饋過(guò)程中將245 mm水平位移量，轉(zhuǎn)化為20 mm的垂直位移量。位移量首次轉(zhuǎn)化是方位轉(zhuǎn)化，即水平位移轉(zhuǎn)化為垂直位移，第二次轉(zhuǎn)化是數(shù)值縮放，將245 mm的水平位移值縮減成20 mm的垂直位移值。在第一次的方位轉(zhuǎn)化過(guò)程中，反饋桿與反饋斜塊間通過(guò)滾珠聯(lián)系，滾珠裝在反饋桿末端，滾珠在反饋斜面上滾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)方向轉(zhuǎn)化。在轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，滾珠以及反饋桿在斜面上移動(dòng)，始終承受一個(gè)摩擦力的水平分力，此水平分力影響反饋桿的垂直位移，并且在從滾珠到反饋桿再到傳感器的傳遞過(guò)程中經(jīng)過(guò)多個(gè)部件連接形成，中間誤差較大，最終位移量數(shù)值受到影響。此外，位移量的數(shù)值轉(zhuǎn)化過(guò)程中，接力器實(shí)際的位移量為245 mm時(shí)，傳感器接收到的位移量?jī)H為20 mm,也就是說(shuō)傳感器實(shí)際行程為12.25 mm時(shí)，反饋信號(hào)接收位移量?jī)H為1 mm，反饋精度大大縮小。傳遞過(guò)程中產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差又被放大了12.25倍。反饋信號(hào)不能準(zhǔn)確反映接力器實(shí)際行程，是造成接力器抽動(dòng)頻繁的主要原因。

（2）電站引水系統(tǒng)過(guò)長(zhǎng),調(diào)壓井設(shè)計(jì)時(shí)阻抗孔面積過(guò)小,造成調(diào)保數(shù)值無(wú)法滿足規(guī)范要求。

本電站引水系統(tǒng)總體長(zhǎng)度3號(hào)機(jī)組為6837.4m，2號(hào)機(jī)組為6 842.60 m，1號(hào)機(jī)組為6 847.15 m，進(jìn)水口至調(diào)壓室處的長(zhǎng)度為6 334.053 m，管徑當(dāng)量為3.39 m，水體慣性較大；而本電站阻抗孔面積僅為壓力引水道的17.06%，相對(duì)于調(diào)壓室規(guī)范（2014版，25%～45%）較小，壓力管道反射水擊波效果不充分，且調(diào)壓室后壓力管道約1 km，相對(duì)較長(zhǎng)，這就造成蝸殼壓力上升值較大。電站設(shè)計(jì)要求最大壓力升高值≤195 m、轉(zhuǎn)速上升率≤34%同時(shí)得到滿足。調(diào)節(jié)保證計(jì)算無(wú)法同時(shí)滿足此項(xiàng)要求，電站在實(shí)際操作過(guò)程中，為確保引水系統(tǒng)安全，人為規(guī)定只要機(jī)組轉(zhuǎn)速升高超過(guò)10%，就強(qiáng)迫機(jī)組停機(jī)。這樣就造成機(jī)組整個(gè)系統(tǒng)抗干擾能力低，在機(jī)組自動(dòng)升、降負(fù)荷的過(guò)程中也常常出現(xiàn)機(jī)組過(guò)速停機(jī)的問題，電站只有采用人為手動(dòng)開停機(jī)、升降負(fù)荷操作。

（3）采用的步進(jìn)電機(jī)調(diào)速器液壓系統(tǒng)原理冗余綿長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)繁瑣，執(zhí)行元件多，配套不合理。

本系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)復(fù)中功能，增加有調(diào)中裝置、引導(dǎo)閥組等液壓元件。使得結(jié)構(gòu)復(fù)雜，執(zhí)行元件增多，無(wú)形中增加了許多中間環(huán)節(jié)，增大了系統(tǒng)誤差。

調(diào)速系統(tǒng)所采用的電液轉(zhuǎn)換元件為步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為90BF006，相數(shù)為5相，步距角0.360/0.720。生產(chǎn)廠家為常州寶成電機(jī)有限公司。步進(jìn)電機(jī)的控制方式：首先，步進(jìn)電機(jī)是通過(guò)接受微機(jī)發(fā)出的控制脈沖一步一步運(yùn)行的，不是連續(xù)不間斷運(yùn)行方式。其次，步進(jìn)電機(jī)自身特性決定電機(jī)的起動(dòng)力矩較小，起動(dòng)比較慢，反應(yīng)相對(duì)遲緩。這是造成機(jī)組起動(dòng)容易發(fā)生過(guò)速的直接原因。

在此過(guò)程中就要求步進(jìn)電機(jī)的精度與微機(jī)發(fā)出的脈沖相匹配，才能達(dá)到精準(zhǔn)控制接力器的目的。原有系統(tǒng)采用的控制器為貝加萊公司生產(chǎn)的可編程計(jì)算機(jī)控制器PCC，由于此種設(shè)計(jì)為微機(jī)型調(diào)速器較早期的方案，調(diào)速器控制特性較差、功能單一。控制器與步進(jìn)電機(jī)的產(chǎn)品品質(zhì)存在差異，使得整體的調(diào)節(jié)精度不高。

（4）油壓裝置系統(tǒng)在設(shè)計(jì)初期未考慮檢修后補(bǔ)氣的實(shí)際需求，中間補(bǔ)氣罐僅僅作為日常的少量補(bǔ)氣使用，不能滿足日常運(yùn)行維護(hù)需要。

（5）目前原有設(shè)備制造廠家已經(jīng)倒閉不復(fù)存在，無(wú)法購(gòu)買易損件，無(wú)法進(jìn)行設(shè)備升級(jí)改造。

5 解決方案

5.1 方案確定

根據(jù)上述原因分析，要解決以上問題，必須對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，從根本上加以解決。提出兩套總體解決方案。

方案一：技術(shù)改造調(diào)速器接力器位移傳感器、電氣調(diào)節(jié)部分及電液轉(zhuǎn)換部分，保留原有的調(diào)速器接力器，油壓裝置。調(diào)速系統(tǒng)壓力等級(jí)仍然保留2.5 MPa不變。為解決補(bǔ)氣的問題，增加一套中壓氣系統(tǒng)（包括空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、連接管路等附件）。

方案二：調(diào)速器進(jìn)行整體更換，僅保留調(diào)速軸支架以便新舊結(jié)合。壓油系統(tǒng)改造為液氮儲(chǔ)能罐的形式，壓力等級(jí)為16 MPa，無(wú)需增加中壓氣系統(tǒng)。

通過(guò)對(duì)改造技術(shù)方案、施工難易程度、改造后期預(yù)期效果等因素綜合分析比對(duì)，最終選擇采用方案二，以徹底改造調(diào)速器設(shè)備缺陷。

5.2 設(shè)備選型

改造后的調(diào)速器采用數(shù)字比例伺服閥微機(jī)型，額定操作油壓：16 MPa。調(diào)節(jié)器采用德國(guó)西門子S7-300可編程控制器。電液轉(zhuǎn)換元件采用高精度、高可靠性的原裝進(jìn)口電液比例閥（德國(guó)HYTOS公司PRM型），機(jī)械柜內(nèi)無(wú)油管和調(diào)節(jié)桿件。調(diào)速系統(tǒng)無(wú)機(jī)械反饋，導(dǎo)葉反饋采用進(jìn)口高精度傳感器作為電氣反饋元件。當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，調(diào)速器將自動(dòng)關(guān)至空載狀態(tài)等待下一命令。調(diào)速器關(guān)機(jī)時(shí)，具有分段關(guān)閉功能。

改造后的調(diào)速器為組合式結(jié)構(gòu)(含電氣部分、機(jī)械部分以及油壓裝置)。具有出力控制、轉(zhuǎn)速控制、開度控制、電力系統(tǒng)頻率自動(dòng)跟蹤、自診斷和容錯(cuò)、穩(wěn)定等功能。調(diào)速器應(yīng)能現(xiàn)地和遠(yuǎn)方進(jìn)行機(jī)組的自動(dòng)、手動(dòng)開、停機(jī)和事故停機(jī)；并應(yīng)提供與電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)連接的通信接口，包括硬件和軟件。通過(guò)優(yōu)化選型解決原調(diào)速器存在的上述4項(xiàng)設(shè)備主要問題。

5.3 調(diào)節(jié)保證計(jì)算

電站原有調(diào)保計(jì)算采用一段關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行調(diào)節(jié)機(jī)組甩負(fù)荷操作，而一段調(diào)保計(jì)算結(jié)果原本就不能滿足規(guī)范要求，長(zhǎng)期以來(lái)給電站安全穩(wěn)定運(yùn)行造成隱患。在此次改造過(guò)程中特意就調(diào)保計(jì)算提出專項(xiàng)研究，以解決速率上升、壓力上升超標(biāo)問題。通過(guò)反復(fù)演算、優(yōu)化關(guān)閉規(guī)律，經(jīng)過(guò)3個(gè)階段的推進(jìn)，得到在不改變現(xiàn)有水工建筑物的條件下，轉(zhuǎn)速上升、壓力上升達(dá)到最低、并且能夠滿足規(guī)范要求的計(jì)算結(jié)果。

在計(jì)算過(guò)程中，第一階段采用原調(diào)速器技術(shù)協(xié)議參數(shù)的一段直線關(guān)閉規(guī)律及導(dǎo)葉直線關(guān)閉時(shí)間≤4.29 s的要求，進(jìn)行計(jì)算，滿足機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率≤34%的控制標(biāo)準(zhǔn)，蝸殼最大壓力計(jì)算值為215.75 m，超過(guò)195 m的控制標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 第一階段關(guān)閉規(guī)律下蝸殼壓力上升率

第二階段計(jì)算時(shí)將關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行了調(diào)整，導(dǎo)葉一段直線6.58 s有效關(guān)閉規(guī)律，最大蝸殼壓力為209.34 m，最大轉(zhuǎn)速上升率為41.71%，雖然滿足最新計(jì)算控制標(biāo)準(zhǔn)，但是仍然無(wú)法滿足合同文件中壓力上升不大于195 m的要求。

導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律示意圖如圖2所示。

圖2 第二階段導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律示意圖

第三階段，摒棄了一段關(guān)閉的限制，將關(guān)閉規(guī)律調(diào)整為兩段關(guān)閉，即采用先快后慢的關(guān)閉規(guī)律，關(guān)閉曲線見圖3。

圖3 第三階段導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律

圖4 各部關(guān)閉規(guī)律曲線

從圖4中可以看出：

蝸殼末端最大壓力值為198.42 m，3臺(tái)機(jī)組甩全負(fù)荷，不滿足機(jī)組技術(shù)協(xié)議中蝸殼最大壓力≤195m的控制標(biāo)準(zhǔn)，但滿足蝸殼最大壓力≤210 m的新標(biāo)準(zhǔn)。

機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率為41.13%，不滿足機(jī)組技術(shù)協(xié)議中最大轉(zhuǎn)速升高率βmax≤34%的控制標(biāo)準(zhǔn)，但滿足機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率≤45%的新標(biāo)準(zhǔn)。

尾水管進(jìn)口最小壓力值為2.25 m，在最不利時(shí)刻，3臺(tái)機(jī)同時(shí)甩全負(fù)荷，該工況下尾水管進(jìn)口處不會(huì)產(chǎn)生空化。

調(diào)壓室最高涌浪為2001.58m，在最不利時(shí)刻，3臺(tái)機(jī)同時(shí)甩全負(fù)荷，低于調(diào)壓室頂部高程2002.2m。

通過(guò)以上3個(gè)階段的計(jì)算分析，在不改變現(xiàn)有水工建筑物及機(jī)組構(gòu)件的前提下，采用導(dǎo)葉分段關(guān)閉規(guī)律將蝸殼的最大壓力升高值、機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率均控制在合理的區(qū)間內(nèi)，達(dá)到最佳的匹配關(guān)系。

6 實(shí)施步驟

實(shí)施步驟分為兩部分，即拆除階段和安裝調(diào)試階段。

拆除時(shí)主要有以下幾點(diǎn)需要注意的事項(xiàng)：

（1）分解前，將機(jī)組調(diào)整為檢修停機(jī)態(tài)，蝶閥全關(guān)，按“兩票三制”規(guī)范要求做好各項(xiàng)防范措施；

（2）按照“安規(guī)”要求，做好安全防護(hù)措施；

（3）由于調(diào)速器采用的是調(diào)速軸傳遞扭矩的控制方式，調(diào)速軸在此次技改中不需要改動(dòng)，故前期拆解前，須將調(diào)速軸固定穩(wěn)定，保證調(diào)速軸不發(fā)生位移和傾斜。

（4）在排除油壓裝置內(nèi)的操作潤(rùn)滑油前，須將壓力儲(chǔ)氣罐內(nèi)的壓力降至0 MPa；

（5）電氣線路拆解前，將各線號(hào)標(biāo)記清楚，標(biāo)號(hào)準(zhǔn)確并做好防止脫落的措施；

（6）按照審核下發(fā)的實(shí)施方案進(jìn)行施工，不得隨意更改施工工藝。

調(diào)速器的拆解以及安裝調(diào)試工作，按照《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》要求執(zhí)行，在此不再贅述。

7 改造效果

電站2號(hào)機(jī)組調(diào)速器改造工作于2016年5月4日完成安裝調(diào)試工作，并投入使用，截至目前已經(jīng)運(yùn)行一個(gè)完整發(fā)電周期，調(diào)速器改造后各項(xiàng)性能達(dá)到預(yù)期效果，技術(shù)改造取得階段性成果。電站的1號(hào)、3號(hào)機(jī)組調(diào)速器也于2017年3月相繼投入使用。電站整體改造任務(wù)順利完成，實(shí)踐證明此次技術(shù)改造技術(shù)方案正確，改造實(shí)施步驟完備，安裝、調(diào)試工作扎實(shí)有效，各項(xiàng)措施到位是此次技術(shù)改造取得圓滿成功的保障。

TV738

B

1672-5387（2017）08-0068-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.08.020

2017-06-07

馬劍瀅(1974-)，男，高級(jí)工程師，從事水電站機(jī)電設(shè)備檢修維護(hù)管理工作。