水輪機(jī)調(diào)速器控制模型的故障診斷探討

緒論：在尋找寫作靈感嗎？愛發(fā)表網(wǎng)為您精選了1篇水輪機(jī)調(diào)速器控制模型的故障診斷探討，愿這些內(nèi)容能夠啟迪您的思維，激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，歡迎您的閱讀與分享！

摘要:以2006年投產(chǎn)的某水電廠為例，對(duì)水輪機(jī)調(diào)速器主要任務(wù)建立了簡(jiǎn)化控制模型，經(jīng)電廠兩個(gè)典型功率調(diào)節(jié)異常事件進(jìn)行了診斷分析表明，水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)使用經(jīng)典PID控制，其控制模型可簡(jiǎn)化為工況轉(zhuǎn)換模型、正常調(diào)節(jié)模型;依控制模型建立水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的故障診斷過程更加準(zhǔn)確、快速;監(jiān)控系統(tǒng)需要優(yōu)化調(diào)速器控制的報(bào)警記錄，系統(tǒng)關(guān)鍵性報(bào)警完整性有助于更快捷的發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞:水輪機(jī)調(diào)速器;控制模型;故障診斷

水輪機(jī)調(diào)速器是調(diào)節(jié)水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的重要設(shè)備［1－2］，其主要作用是根據(jù)發(fā)電機(jī)負(fù)荷的增減趨勢(shì)，調(diào)節(jié)進(jìn)入水輪機(jī)的水流量，保證水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定(單機(jī)運(yùn)行)。水輪機(jī)調(diào)速器自帶的故障診斷功能，如頻率故障診斷、開度故障診斷等，能夠滿足一般工作的需求，但對(duì)部分調(diào)節(jié)異常事件無法進(jìn)行判斷［3－4］。五凌電力2006年投產(chǎn)的某水電廠，共安裝4臺(tái)單機(jī)255MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，采用適應(yīng)式變結(jié)構(gòu)變參數(shù)并聯(lián)PID雙可編程單比例伺服閥型微機(jī)調(diào)速器(型號(hào)為FWT－100－6．3－STAＲS)，自電廠投產(chǎn)至今多次出現(xiàn)功率調(diào)節(jié)異常的事件。筆者基于水輪機(jī)調(diào)速器的主要任務(wù)建立控制模型，以該水電廠兩起典型功率調(diào)節(jié)異常事件，研究如何快速定位和排查故障。

1水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器控制模型

在比例伺服閥微機(jī)調(diào)速器構(gòu)成的水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，電液隨動(dòng)系統(tǒng)的閉環(huán)是在微機(jī)調(diào)節(jié)器內(nèi)實(shí)現(xiàn)的［5］。整個(gè)系統(tǒng)為經(jīng)典的閉環(huán)控制調(diào)節(jié)負(fù)反饋系統(tǒng)，通過對(duì)頻率和有功測(cè)量值與給定值進(jìn)行比較計(jì)算，然后輸出至執(zhí)行器，將消除偏差作為最終調(diào)節(jié)目標(biāo)。并網(wǎng)前，機(jī)組處于空載狀態(tài)，此時(shí)調(diào)速器控制水輪發(fā)電機(jī)組跟蹤給定頻率處于頻率調(diào)節(jié)模式。并網(wǎng)后，調(diào)速器主要任務(wù)是控制機(jī)組穩(wěn)定發(fā)電，此時(shí)處于開度(或功率)調(diào)節(jié)模式，頻率、功率、開度調(diào)節(jié)模式的控制切換如圖1所示。在頻率調(diào)節(jié)模式下，調(diào)速器接收到的增/減有功令無效，只有頻率超差時(shí)才能調(diào)節(jié);在功率(開度)模式下，調(diào)速器接收到的增/減有功令與頻率信號(hào)同時(shí)起作用。控制系統(tǒng)在進(jìn)行PID調(diào)節(jié)時(shí)，考慮了實(shí)際開度與給定開度的偏差，使機(jī)組能快速跟蹤給定值［6］，其調(diào)節(jié)原理如圖2所示。

2兩個(gè)典型功率調(diào)節(jié)故障診斷

2．1無調(diào)功令時(shí)機(jī)組負(fù)荷大幅度異常波動(dòng)

上位機(jī)有功給定在200MW時(shí)，3號(hào)機(jī)組有功由200MW→24MW→145MW→30MW→194MW，同時(shí)機(jī)組P/Q限制動(dòng)作，勵(lì)磁系統(tǒng)PSS投入/退出，勵(lì)磁系統(tǒng)欠勵(lì)動(dòng)作，整個(gè)過程持續(xù)約2min，如圖3所示。該事件發(fā)生時(shí)，機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行正常的調(diào)節(jié)模型是開度模式。故障發(fā)生前，負(fù)荷穩(wěn)定在200MW，故無調(diào)功令下達(dá)，但由于導(dǎo)葉快速動(dòng)作，有功異常波動(dòng)。基于簡(jiǎn)化調(diào)節(jié)模型分析，異常波動(dòng)可能與調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)異常、微機(jī)調(diào)速器導(dǎo)葉開度反饋異常、監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)功令誤動(dòng)、監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)測(cè)有功異常和頻率測(cè)量異常有關(guān)。根據(jù)工況轉(zhuǎn)換模型分析(見圖1)，也可能是由于負(fù)載工況與甩負(fù)荷過程來回切換導(dǎo)致該現(xiàn)象發(fā)生。

2．1．1調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)異常分析

比例閥或主配卡在關(guān)機(jī)方向時(shí)，會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)葉關(guān)閉現(xiàn)象，但因未達(dá)到調(diào)節(jié)目標(biāo)，此時(shí)控制系統(tǒng)PLC開度給定會(huì)增加，比例閥始終加開機(jī)信號(hào)。當(dāng)卡塞釋放時(shí)，導(dǎo)葉開度會(huì)向開機(jī)方向突變，而實(shí)際并不存在突變，其功率而是從200MW→24MW→145MW→30MW→194MW，故可排除調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)異常的原因。

2．1．2監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)功令誤動(dòng)分析

故障發(fā)生時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)顯示有功功率連續(xù)調(diào)節(jié)命令201．09、194．97MW和194．97MW。調(diào)整功率=目標(biāo)功率－實(shí)際有功功率，當(dāng)調(diào)整功率為正，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)增加導(dǎo)葉開度令，反之，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)減少導(dǎo)葉開度令。在目標(biāo)有功功率變化不大的情況下，機(jī)組實(shí)際有功未出現(xiàn)突變，且有功功率與導(dǎo)葉開度同步變化，故基本排除監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)功誤動(dòng)的原因。

2．1．3頻率測(cè)量異常分析

根據(jù)機(jī)組調(diào)節(jié)特性曲線，頻率上升至52Hz或頻率在不停波動(dòng)時(shí)會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)葉全關(guān)，且調(diào)速器有一次調(diào)頻開度限制，當(dāng)一次調(diào)節(jié)幅度超過10%導(dǎo)葉開度時(shí)，限制動(dòng)作。從導(dǎo)葉開度變化曲線分析，未發(fā)生限制動(dòng)作情況，且調(diào)速器、監(jiān)控系統(tǒng)、PMU頻率均未持續(xù)超過50．05Hz，故排除頻率測(cè)量異常的原因。

2．1．4導(dǎo)葉開度反饋突然變大分析

由于比例閥控制輸出=(PID給定開度－實(shí)際開度)×放大系數(shù)，導(dǎo)葉開度反饋信號(hào)突然變大時(shí)，PLC會(huì)輸出關(guān)閉信號(hào)，實(shí)際并未發(fā)現(xiàn)開度突變，故不是開度反饋問題。

2．1．5負(fù)載工況與甩負(fù)荷過程切換分析

負(fù)載狀態(tài)時(shí)，GCB或TCB開關(guān)位置信號(hào)誤分將導(dǎo)致調(diào)速器進(jìn)入甩負(fù)荷過程。甩負(fù)荷過程開度給定值，由當(dāng)前開度值直接給定為第一開機(jī)開限值17．5%，此時(shí)為頻率模式控制，若此時(shí)頻率上升則導(dǎo)葉將直接關(guān)至全關(guān)(如圖4所示)，若頻率在正常控制范圍內(nèi)導(dǎo)葉將關(guān)至第一開機(jī)開限后不再調(diào)節(jié)(如圖3所示)。觀察故障時(shí)，錄波圖導(dǎo)葉開度由53%→17%(約7s)→17%開度(約5s)→41%(約32s)→17%開度(約6s)→增加開度至約50%(約40s)。該變化過程與GCB或TCB開關(guān)位置信號(hào)動(dòng)作情況相吻合(即誤分→正常→誤分→正常)。鎖定故障后，檢查3號(hào)機(jī)GCB與TCB開關(guān)信號(hào)回路，發(fā)現(xiàn)該信號(hào)接至調(diào)速器電氣柜內(nèi)一端子松動(dòng)，故判斷本次故障為此端子松動(dòng)造成。

2．2上位機(jī)發(fā)減功令無效該水電廠

1號(hào)機(jī)組帶220MW負(fù)荷運(yùn)行，4min內(nèi)(13:01:49至13:05:41)集控給定有功180、160、150MW，單步減有功6次，機(jī)組負(fù)荷仍保持220MW。發(fā)生該事件時(shí)，機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行正常的調(diào)節(jié)模型是開度模式。根據(jù)簡(jiǎn)化調(diào)節(jié)模型判斷，可能與調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)卡塞、調(diào)速器導(dǎo)葉開度反饋信號(hào)異常、監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)功令異常、監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)測(cè)有功異常、頻率測(cè)量異常等有關(guān)。也有可能是工況轉(zhuǎn)換及控制模式轉(zhuǎn)換問題，即當(dāng)開度模式切至頻率模式時(shí)將導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)功令無效。

2．2．1監(jiān)控系統(tǒng)調(diào)節(jié)令異常分析

1)集控發(fā)有功調(diào)節(jié)令未傳至現(xiàn)地LCU。檢查故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)通訊無異常報(bào)警，且多次下令數(shù)據(jù)均丟失可能性極小，此前PLC調(diào)功程序也一直運(yùn)行正常。停機(jī)后，集控上位機(jī)發(fā)減有功令，檢查現(xiàn)地LCU內(nèi)部程序接收命令均正常。2)現(xiàn)地LCU硬件回路故障。檢查L(zhǎng)CU開出模塊、減功繼電器J21、調(diào)速器至監(jiān)控減功回路正常，現(xiàn)地強(qiáng)制動(dòng)作J21繼電器，調(diào)速器接收信號(hào)正常，故排除現(xiàn)地LCU硬件回路故障的原因。3)有功功率實(shí)際反饋值異常。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)下達(dá)有功給定時(shí)，每次實(shí)測(cè)有功值都與給定值相同，因此不進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，進(jìn)而調(diào)功無效。但從過程來看，變送器采集的機(jī)組實(shí)發(fā)有功始終有值且不與有功給定值相同，故排除有功功率實(shí)際反饋值異常的原因。

2．2．2調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)故障

若比例伺服閥卡死在中間位置，會(huì)使減有功令無效，但故障時(shí)將調(diào)速器切至現(xiàn)地操作控制正常，故排除調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)故障的原因。

2．2．3調(diào)速器導(dǎo)葉開度及頻率信號(hào)擾動(dòng)

1)導(dǎo)葉開度擾動(dòng)。PID調(diào)節(jié)量正常變化時(shí)，導(dǎo)葉開度信號(hào)擾動(dòng)，擾動(dòng)量與PID調(diào)節(jié)量相同，將導(dǎo)致輸出比例閥調(diào)節(jié)信號(hào)為0，因此不進(jìn)行調(diào)節(jié)。但從錄波圖上看，調(diào)速器導(dǎo)葉開度信號(hào)無異常，故排除導(dǎo)葉開度擾動(dòng)的原因。2)頻率信號(hào)擾動(dòng)抵消上位機(jī)調(diào)功令。頻率信號(hào)擾動(dòng)時(shí)，頻率增量與監(jiān)控調(diào)節(jié)減量相互抵消，導(dǎo)致減有功令失效。如圖5所示，頻率存在擾動(dòng)，錄波顯示最小頻率小于49．95Hz。在檢查過程中進(jìn)行了相關(guān)的模擬實(shí)驗(yàn)，根據(jù)在調(diào)速器模擬PLC上試驗(yàn)可知，當(dāng)頻率在49．5～50Hz之間往復(fù)變化時(shí)，PID計(jì)算給定的導(dǎo)葉開度會(huì)一直累加，直到頻率不再發(fā)生異常突變。但這種增量在沒有人工干預(yù)時(shí)與上位機(jī)調(diào)功減量同步變化且完全抵消的可能性較小，故排除頻率信號(hào)擾動(dòng)抵消上位機(jī)調(diào)功令的原因。

2．2．4開度模式切至頻率模式分析

當(dāng)機(jī)頻在50．5～55Hz或45～49．5Hz頻率區(qū)間內(nèi)超過0．4s時(shí)，調(diào)速器則會(huì)從開度模式切換至頻率模式，且頻率恢復(fù)正常后不會(huì)自動(dòng)切回開度模式。檢查上位機(jī)正常開停機(jī)報(bào)警記錄，調(diào)速器控制模式切換無報(bào)警，且因監(jiān)控系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)為秒級(jí)，頻率實(shí)際跳變幅度和時(shí)間無法監(jiān)測(cè)。隨后開機(jī)試驗(yàn)，在空載運(yùn)行中監(jiān)測(cè)到一次頻率擾動(dòng)，實(shí)際最大頻率達(dá)到51．5Hz，導(dǎo)葉開度波動(dòng)達(dá)到7%，如圖6所示。表1為程序監(jiān)視時(shí)測(cè)量的頻率擾動(dòng)，從表1可知最大擾動(dòng)頻率達(dá)到了78．2Hz，隨后實(shí)際導(dǎo)葉開度開始動(dòng)作，真實(shí)頻率相應(yīng)改變。故調(diào)速器頻率擾動(dòng)造成開度模式切回頻率模式調(diào)功令失效的可能性最大。

3結(jié)語

1)水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是一個(gè)經(jīng)典的負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，使用經(jīng)典PID控制，其控制模型可簡(jiǎn)化為工況轉(zhuǎn)換模型、正常調(diào)節(jié)模型。2)基于控制模型建立水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的故障診斷時(shí)，其診斷效果更為準(zhǔn)確、快速。3)監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)化調(diào)速器控制的報(bào)警記錄，系統(tǒng)關(guān)鍵性報(bào)警完整性有助于更快捷的發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。4)從兩種典型功率調(diào)節(jié)異常可以看出，該水電廠老式調(diào)速器控制邏輯需要進(jìn)一步優(yōu)化，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

作者：熊卓 單位：湖南五凌電力工程有限公司