導語:本文從太平驛水電站PCC水輪機調速器一起“液壓系統故障”出發,分析了故障的可能原因,給出了排查的思路,并按照思路進行了系統的故障處理。
引言
太平驛電廠位于岷江上游,地處四川省阿壩藏族羌族自治州汶川縣境內。電站為徑流引水式,設計水頭108m,發電引用流量250m3/s,安裝四臺單機容量65MW的混流式水輪發電機組。2008年汶川“512”大地震,太平驛水電站遭到嚴重破壞,經過電站人員的自強不息和不懈努力,于2009年全部機組恢復發電。當時調速器改造采用了南瑞集團公司最新推出的SAFR-2000H型雙微機調速系統。該調速器計算機控制部分以B&R公司的PCC2005控制器為核心,雙CPU配置;機械液壓部分則以BOSCH公司的比例伺服閥作為電液轉換單元,主配壓閥則選用了具有自動復中功能的專利產品[2]。該系統自投運以來,一直運行正常,但某次簡單的停機檢修卻帶來了一次調速器“莫名”的故障,處理的過程詳述如下。
1、故障情況
2010年09月5日,電站1#機組停機一天消缺,電站維護人員對1#調速器進行了常規安全措施處理,斷開調速器電柜、機柜的交、直流電源。第二天,維護人員恢復了對1#調速器所做的安全措施。剛恢復電源時,調速器就報“調速器A套液壓故障”,調速器B套則正常。按下“復歸”按鈕,調速器故障依舊,掉電再上電故障依然不能消除。由于本次消缺,除了掉電,并沒有對調速器進行更多操作,掉電前調速器一直運行正常,維護人員感覺棘手,隨即對電調設備進行了全面排查。
2、故障分析
2.1調速器電氣系統結構
太平驛電站調速器微機控制部分選用了B&R公司的2005系列PCC(可編程計算機控制器)
作為機組調速器的硬件主體,其中PS465作為PCC的電源模塊,IP161作為調速器的CPU模塊,該CPU模塊具有850kBSRAM,1.5MBFlashPROM,2個RS232接口,1個CAN接口,12點數字量輸入/輸出,同時具有TPU功能(可進行直接頻率測量),6個模擬量輸入,6個模擬量輸出,可以方便的完成對機組頻率或電網頻率的測量,同時可以完成調速器的調節計算和控制輸出。數字量輸入模塊DI476作為調速器開關量輸入模塊,數字量輸出模塊DO479作為調速器開關量輸出模塊,雙機之間切換由一個智能切換繼電器來保證,人機接口部分選用12英寸高亮度液晶觸摸顯示屏,作為控制系統的監控顯示和操作界面。
系統結構和配置如圖1所示。
圖1水輪機組調速器電氣系統結構圖
2.2調速器液壓故障判斷
調速器報“液壓故障”,本意是指調速器電氣動作指令發出后,機械液壓執行機構不動作或異常動作。本故障表面上看是機械部分問題,但由于電氣設備自身問題,如電氣信號輸出不正確,反饋系統異常等也經常會出現“液壓故障”。該故障是通過軟件進行判定的,其故障判斷條件為:
(1)導葉給定和導葉反饋相差10%以上;
(2)導葉反饋運動速度小于0.5%每秒,或向相反方向動作;
(3)調速器自動狀態時電液比例伺服閥功率放大器報警。
滿足上述三個條件時,延時啟動,時間超過8秒(注意斷路器跳開時頭6秒不算),則導葉
液壓故障報警動作。導葉液壓故障報警后,電調自動將液壓柜切換到容錯脈沖方式調節,必須手動復歸后無故障才能切換回自動。
2.3故障原因分析
調速器液壓故障是調速器嚴重故障之一,該故障主要與導葉給定、導葉反饋、電液轉換單元密切相關。首先檢查了電液比例伺服閥,通過強制電氣柜到電液伺服閥放大器的電壓信號,測量比較伺服閥的位移反饋和配套放大器的輸入電壓,兩者比例關系方向正確,大小合適,放大器本身的報警也沒有動作,表明伺服閥動作正常,可以排除液壓系統故障原因。其次我們檢查了導葉給定環節,導葉給定主要和機組工況有關,停機時為-1%左右,主要考慮輸出一個較小的關機電壓,防止機組開啟,空載時導葉給定等于設定的空載開度(與水頭相關)加上頻差PID計算值,發電時,導葉給定等于設定的空載開度加上頻差PID計算值,再加上監控系統脈沖增減的有功給定量。經過檢查,導葉給定在機組停機、開機、發電工況時均顯示正常。最后我們檢查導葉反饋環節,首先檢查了導葉位置變送器,通過滑動位移變送器感應塊,測量變送器的4~20mA電流輸出,基本與滑塊位置成比例線性關系,可以排除變送器本身的問題。
再仔細檢查調速器電氣柜人機界面顯示的導葉開度,發現A套與B套不一致,仔細對比發現,A套測量值與導葉實際位置誤差較大,B套基本正常,由于該調速器A套、B套都是公用機械液壓柜及導葉行程傳感器,因此懷疑A套電柜導葉開度測量回路有異常。
3、故障處理
該回路異常可能是軟件原因也可能是硬件原因。硬件方面,主要和模擬輸入通道相關,貝加萊PCC控制器提供了很方便的檢查手段,正常情況下,4~20mA模擬量輸入對應PCC內部測量碼值為032767,通過人機界面就可以檢查,經檢查,導葉模擬量輸入通道數據測量正常,這樣范圍就縮小到調速器內部的換算參數上,因模擬量數據測量輸入后,要進行最小最大值標定,即微機內部需要存儲導葉接力器全關及全開位置時的變送器模擬量測量值,作為導葉開度測量顯示及計算的依據。
初步懷疑調速器導葉定位參數異常,下一步即展開驗證。將調速器電柜裝置上電,CPU模塊(IP161)上的“RUN”燈亮,表明程序運行正常。對調A套、B套的CPU模塊(IP161),現在A套恢復正常,而B套報液壓故障,再將A套、B套的CPU模塊(IP161)放回原位置,B套恢復正常,而A套又報液壓故障,由此斷定原因出在A套的CPU模塊(IP161)。在線檢測,發現導葉給定與導葉反饋的絕對值大于10%。進一步檢查發現導葉定位的最小值Gv_Min和Gv_Max的值已發生了改變,導致導葉反饋異常,同時導葉調節的PID參數也不正常,全部變為零,導致電柜到機柜的控制輸出電壓為零,導葉無法調節動作,從而使得導葉反饋與給定值的偏差絕對值始終大于10%。
取下A套的CPU模塊(IP161),檢查其內部的鈕扣電池,直觀觀察感覺鈕扣電池的位置安裝不是很到位,取下電池測量其電壓為3.0V,重新將電池安裝到位并固定好,然后將投運時的相關參數輸入A套的CPU模塊(IP161),A套設備恢復正常。
故障前后A套的相關參數對比如下表1所示:
表1A套相關參數對比
相關參數 |
主環Kp |
主環Ki |
主環Ki |
Gv_Min |
Gv_Max |
Bp |
故障前 |
3.0 |
0.01 |
1.0 |
4900 |
13800 |
4% |
故障后 |
0 |
0 |
0 |
5170 |
20258 |
6% |
4、總結及預防措施
總結本次事故排查,可以用圖2來表示。
圖2故障分析流程圖
通過圖2,可以清晰地了解故障的整個分析、排查和處理、解決過程。
自1994年投產以來,調速器因鈕扣電池引起相關參數的丟失是第一次,為此提出以下預防措施:
(1)機組大修、小修時做好數據備份,檢修結束后,調速器投產前必須進行參數檢查和對比,確保與原來設置參數相同;
(2)定期檢查鈕扣電池,是否有振動、松動、電池電壓等。并記錄電池使用時間,超過3年應進行更換,或長時間停電(超過30天),在此上電時應檢查電柜內調速器參數是否正常。
(3)對調速系統做安全措施時盡可能不斷開調速器電柜的交、直流輸入電源。保持調速器電氣控制柜在通電狀態態,機械柜可以切換到手動或投入緊急停機電磁閥,保證導葉處于全關閉狀態。
5、結束語
水輪機調速系統是水電廠中最重要的控制設備之一,承擔著機組的啟動、停止、空載轉速調節、并網調整負荷、一次調頻、事故下緊急控制等重要作用,其運行的可靠性對電站尤為重要。太平驛電站選擇貝加萊PCC作為機組調速器的硬件,借助PCC模塊的高可靠性及軟件上分時多任務操作的優點,充分滿足了機組調速器實時性和快速響應的要求[2]。但也不能掉以輕心,僅僅一個小小的紐扣電池松動,給調速器的正常運行帶來不小麻煩,排查起來也費不少時間。不過排查處理的過程具有一定的典型性,可以為將來調速器類似的故障分析提供較好的借鑒。自1#機組調速系統故障處理以來機組運行良好,為太平驛公司“多發電、增創收”做出了巨大貢獻。
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