一起主阀位移传感器异常造成水轮机非停事件的处理及分析

水轮机是水电站机组出力和负荷调节的核心设备，因电力系统负荷波动频繁，为保证电能质量、发电机组及电网的稳定运行，对水轮机调速器的可靠性要求不断提高。水轮机调速器可以通过调节机组导叶开度大小来控制水通过水轮机的流量，从而实现水轮机转速调节，以满足电力系统对功率和频率的要求。调速器系统中涉及多个测量环节，任何环节出现故障都将导致水轮机调节失控，进而造成机组出现异常，严重时甚至会造成机组非计划停运，直接影响水轮发电机组乃至电网的安全稳定运行。本文所述水电站位于澜沧江干流，是“西电东送”“云电外送”关键性工程，调速器系统采用东方电机公司生产的HGS-X20型数字式微机调速器电气柜和HGS-H21-150-4.0型全液控机械柜。电气柜由PCCX20控制器（双通单调）控制，采用并联PID调节规律，可在负载运行时通过给定导叶开度或功率实现现地和远方自动控制。机械柜具有内闭环的相对独立的电液随动系统，采用伺服比例阀作为电液转换元件，将来自电气柜的控制电流信号转换为流量信号控制主配压阀的动作，对机组进行自动控制。调速器油压装置每台机一套，共6套，每套独立运行，额定油压为4.0MPa，正常运行在油泵自动轮换模式，一台泵主用一台泵备用，当油压降至3.6MPa时启动工作油泵，当油压降至3.5MPa时启动备用油泵，当油压继续降至2.8MPa事故低油压时启动机械事故停机流程。本文针对该站一起典型的调速器系统主阀位移传感器异常造成水轮机组非计划停机事件，对事件经过、处置过程、原因分析和整改措施进行探讨，可为类似问题预防、分析和处置提供有益的参考和借鉴。1、基本情况某日17：02：52，该站监控系统发“#3机故障录波装置启动有效”，全厂有功在790～836MW之间变化，#3机组有功功率在180～230MW之间变化，#3机组调速器油压装置油泵长时间运行，运行值班人员立即向调度值班员汇报并申请停机。经同意后，电站运行值班人员将#3机退出AGC控制，逐步减负荷至160MW时，监控系统发“#3机调速器事故低油压有效”，#3机事故跳闸，监控录波曲线如图1所示。17：04，运行值班人员向调度汇报#3机有功功率异常变化情况并申请退出#3机AGC，中调调度值班员下令停#3机。17：05：56，运行值班员退出#3机AGC控制、AVC控制，逐步开始减负荷至160MW。17：06：03，监控系统发“#3机调速器事故低油压有效”“3#机组触发退全厂AGC功能有效”“3#机触发退AVC功能有效”“#3机跳闸有效”“全厂事故信号有效”“#3机GCB（003）分闸位置”等信号，#3机事故停机，全厂AGC、AVC退出运行。2、处置过程事件发生后，电厂立即组织开展故障分析，专业人员对调速器电气控制回路及机械控制回路进行了全面检查，未发现异常。18：40，落下#3机筒阀，进行#3机调速器静水动作试验，检查调速器在机械手动控制方式下开关导叶动作正常，调速器两路导叶位移传感器测量值正常且偏差在1%以内。19：04，手动将#3机开机至水轮机状态（非并网状态），检查调速器在机械手动控制方式下机组运行平稳，调速器两路导叶位移传感器测量值正常。19：10，#3机保持在水轮机状态，将调速器切至自动方式，检查发现导叶开度出现异常摆动，调速器调节失稳，立即将调速器控制方式切至机械手动。19：30，#3机保持在水轮机状态，切换调速器A/B通道，将调速器切至电手动方式，检查发现导叶开度出现异常摆动，调速器调节失稳，立即将调速器控制方式切至机械手动。19：35，将#3机手动停机，电厂专业人员对调速器电调柜比例放大板、机调柜伺服比例阀及手自动切换电磁阀等元器件进行更换，开机检查问题仍然存在。21：00，电厂专业人员进行#3机调速器随动系统测试，发现在外环测试条件下设定导叶给定阶跃100%～80%，导叶调整至80%附近并发生异常变化，同时主阀位置反馈几乎不动（最大0.66%，最小0.16%），初步怀疑主阀位移测量回路异常。外环测试曲线如图2所示。21：30，电厂专业人员对主阀位移测量回路进行检查，并对主阀位移传感器进行了更换。22：40，电厂专业人员继续进行#3机调速器随动系统测试，分别在内环测试和外环测试条件下进行测试。调速器内环、外环测试过程中调速器控制跟踪正常，主阀位置反馈信号正确，外环测试条件下导叶无异常摆动现象。23：20，将#3机自动开机至水轮机状态，监视#3机开机过程正常，在水轮机状态运行正常，导叶动作平稳，控制过程正确，导叶无异常摆动现象。次日00：10，向中调汇报事件调查结果并申请将#3机组归调运行。3、原因分析调速器随动控制系统有两个闭环反馈环节，一个是由主阀位置反馈构成的内环控制，另一个为导叶位置反馈构成的外环控制，增益K0、K1、K2用于调整随动系统控制的动态响应特性与稳定性。最终随动控制系统输出一路偏差控制信号作用于伺服比例阀来控制导叶开度，实现调速器的自动调节[3]。水轮机调速器主阀位移传感器的作用是采集主配压阀活塞的位移，并将位移信号转换为电气信号，作为调速器随动系统内环控制环节的反馈[4]。在调速器随动系统控制系统中，由外环计算得到的主阀给定值与主阀位移反馈构成内环控制环节，内环控制环节输出偏差调节信号至比例放大板，最终控制主配压阀实现导叶的调节[5-6]。主阀位移反馈在调速器闭环控制环节中的位置如图3所示。由调速器随动系统控制原理图可知：外环导叶偏差控制信号：ΔGV=K0×（GVRef-GVPos）；内环主阀偏差控制信号：ΔGM=K1×（ΔGV-K2×GMPos）。在此次事件中，由于主阀位移传感器故障，主阀位置反馈出现死值（约等于0且基本保持不动）。当调速器接收到有功负荷设定指令时，调速器控制系统经过功率模式PID运算，将PID控制输出至随动控制系统环节，即给定一个新的导叶开度值。在外环控制环节，新的导叶开度给定值与导叶位置反馈值进行差值运算，并经过系数K0的调整，形成主阀位置给定值，进入内环控制环节。在内环控制环节，由于主阀位置反馈信号数据死值，内环控制实质已变成开环控制，造成电气控制输出超调，从而导致导叶超调。进入外环控制环节，因为导叶超调，外环控制环节输出反向调节命令调整导叶开度，而在进入内环控制后，导叶反向调节又会超调，如此反复，造成导叶反复来回动作。最后，由于导叶动作频繁，调速器油压系统油压下降过快造成事故低油压动作，#3机事故停机。#3机停机后，专业人员对两台调速器油泵进行了自动启动打油试验，油泵的打油效率均正常。根据停机前#3机导叶开度的变化曲线以及故障排查时水轮机空转状态下手/自动切换试验来看，调速器主配压阀频繁进行大幅度的开关导叶操作，动作时已达到最大开度，且持续时间较长，造成短时间内调速器油压系统油压下降过快，即使两台油泵已启动也未能维持油压，从而引起调速系统事故低油压动作。4、治理措施目前该站水轮机调速器控制系统为单主阀位移传感器配置，存在调速器主阀位移传感器故障造成机组异常跳闸的安全隐患。同时，#3机调速器主阀位移传感器运行年限较长，设备发生老化损坏风险高。为了消除因调速器主阀位移传感器故障而造成机组异常跳闸的安全隐患，在#3机调速器机械柜内新增一路主阀位移传感器，实现传感器冗余配置。在#3机组A级检修期间，在调速器系统中新增一路主阀位移传感器，并更新调速器控制程序，增加双路主阀位移传感器故障切换逻辑，实现传感器冗余配置。新增主阀位移传感器和相关配件产品以及调速器控制器程序更新技术服务由调速器系统厂家提供。5、结束语此次事故原因是机组调速器主阀位移传感器运行年限较长，设备发生老化损坏。在运行机组出力调整时，因传感器损坏造成导叶超调，导叶频繁异常摆动引起机组及全厂出力波动，最终机组事故低油压跳机，是一起典型的水轮机调速器主阀位移传感器异常造成水轮机非停事件