调速器伺服环故障原因分析与预控措施

时间：2024-07-28

贺文静，甘波，刘军

(四川嘉陵江小龙门航电开发有限公司，四川南充 637000)

调速器伺服环故障原因分析与预控措施

贺文静，甘波，刘军

(四川嘉陵江小龙门航电开发有限公司，四川南充 637000)

小龙水电站安装的竖井贯流式机组为国内首次试验制造，在国际上的应用非常罕见，但其在多年的运行中逐渐暴露出各种缺陷。对该电站4号机组调速器伺服环故障引起的机组事故停机的原因进行了逐项排查和分析并提出了一系列预控措施，可为同类机组类似问题的分析处理提供借鉴，同时也警示同类机组在设计与制造时应加以重视，从根本上保护机组运行的安全。

调速器；伺服环；故障；分析与预控；小龙水电站

1 概述

小龙水电站位于嘉陵江中游南充市顺庆区和高坪区河段上，是《嘉陵江苍溪至合川段水电规划》嘉陵江广元至重庆段16级开发方案中的第11级。该电站共安装了4台、亚洲单机容量最大的竖井贯流式机组。该机型机组在设计、制造等各方面均处于起步阶段，国内外无成熟经验可借鉴。小龙水电站首台机组于2008年8月16日投产，2009年5月底开始，4台机组相继在投运5 000～3 800 h后因增速器不能经受机组连续运行的正常荷载和事故停机时的冲击荷载造成低速端行星齿轮轴瓦烧损被迫停运。随后，厂家历时两年多时间对4台机组增速器进行了两轮技术改造，运行状况有了一定改善。但该类机组在运行中仍不时暴露出各类问题，进而影响到电厂的安全和经济效益。

因此，在电厂的日常运行管理中，需要深入查找机组存在的缺陷，及时向厂家报告，对出现的各种问题和疑点都不放过，力求找到最本质的原因，千方百计地做好对机组设备的保护，防止事故停机对增速器的冲击。

2 故障现象及排查情况

2014年5月6日，4号机组检修完毕，投入运行。7月11日，4号机组由6 MW增加负荷至7．8 MW左右时，因调速器轮叶伺服环故障引起事故停机(轮叶伺服环故障判断条件:轮叶开度给定值与轮叶实测值之偏差大于检测阈值5%，且在10 s内未返回，即判为轮叶伺服环故障)。停机后，值班人员立即对机组进行了静态检查，发现轮叶在静态情况下可以全行程正常开、关动作；但当轮叶全开后再强制给开信号时，轮叶主配压阀(以下简称“轮叶主配”)关闭腔有回油量较大的现象出现，另外还发现有以下现象存在:

(1)实测调速器回油箱油温48℃，已接近操作油的最高使用极限温度(50℃)；发现调速器油冷却器卸载阀底座通往回油箱的孔没有封堵，操作油未经过补油泵油冷却器。油冷却器未起到冷却作用。

(2)检查轮叶主配平衡位置时，发现其在偏开位置，但此单一因素不应引起如此大量的喷油；在调整轮叶主配平衡位置后，在油温没有下降的情况下仍然喷油。

(3)检查轮叶主配磨损情况时发现有轻微的磨损，但不足以引起大量的喷油。

为了分析轮叶伺服环故障的本质原因，我们在充分做好安全措施和应急处置措施后，将调速器切为“电手动模式”开机进行动态检查，发现有以下现象存在:

(1)当轮叶开度大于12%后，其动作变得非常缓慢，几乎无法再开大，同时发现轮叶主配关闭腔回油呈喷射状、大量喷油。

(2)油压装置压力下降很快，1 min内油压从停泵压力6．3 MPa下降到启泵压力5．9 MPa，实测回油箱油温为48℃。

在排查中，除以上几点现象外未发现有其它明显的异常情况，于是决定对受油器进行解体检查，以便发现其是否存在安装、调整不满足设计要求、受油器浮环磨损以及受油器密封圈老化破损等缺陷。受油器结构见图1。

图1 受油器结构示意图

在对受油器进行解体过程中发现:(1)受油器浮环与水轮机主轴间隙在0．1～0．15 mm之间，符合设计要求，与检修时测得的数据一致。(2)受油器三个浮环之间的间隙由加工尺寸决定，检查中发现浮环未受到磨损，各部位把合螺栓均紧固无松动。(3)除1号密封圈外观存在老化、弹性不足外，其余所有的密封圈均正常，1号、2号密封圈及三个浮环之间密封圈的剖面直径设计值为φ7．7±0．15 mm，实际测量1号密封圈尺寸为φ7．64～7．66，其余密封圈尺寸在φ7．66～7．78之间，均在许可范围以内。

从图1中发现:2号密封圈是静压密封，其压缩量满足要求。因此，既使1号密封圈变形、压缩量不足，也不会导致大量漏油，况且此处漏油会通过集油槽进入漏油箱，不会在轮叶主配回油处喷油。

抽屉原理是将需要讨论的元素按一定特质分类，当取出足够多的元素时，再运用抽屉原理将范围缩小，从而推导出属于同一类的某几种元素，它们均同时具备某种特质，由此推导出题目的结论。运用抽屉原理时通常会出现以下几个特点：第一、题目中所讨论的元素具备任意性；第二、题目的结论至少要有一类是具备某种特质的，是一个存在性命题；第三、结论不需要确定，但需存在。

另外，轮叶接力器密封采用“孔用方形圈组”密封结构，由“抗磨聚四氟乙烯环”和“O形橡胶密封圈”组合而成，具有“双向密封效果”，其广泛应用于液压缸动密封。加之包括4号机组在内的所有转轮体油缸和活塞在检修时均未发现明显的磨损，故最终没有对转轮体进行解体检查。

综上所述，在对以上设备进行检查后均未发现明显问题的情况下，我们对受油器、转轮体、主配等部位机械密封漏油量的大小与操作油的温度关系进行了分析，发现漏油量的大小实际上与操作油的温度密切相关，油温越高，漏油量越大，反之，亦然。式(1)为包括受油器在内的机械密封漏油量的计算公式。

式中 Q为通过密封缝隙的泄漏量，cm3/s；dm为密封面平均直径，mm；h0为密封缝隙的高度，即油膜厚度，μm；Δp为密封面内周和外周压力差，Pa；η为液体动力粘度，Pa·s；b为密封面宽度，mm。

由于Δp无法收集，故此处采用在同一部位比较事故停机(油温48℃)和正常运行时(油温36℃)的漏油量关系进行分析(式2)。

式中脚标36和48分别代表36℃和48℃时的相应参数。

查询动力粘度曲线(图2)36℃时操作油的动力粘度为45 Pa·s，48℃时为26．5 Pa·s；动力粘度越小，油的流速增加，密封面出口流速比受油器开腔流速大得多，即Δp48/Δp36＞1，甚至是若干倍。由此可见，随着温度的升高，密封漏油量也是呈指数函数关系增加的。图 2为某品牌 LTSA46汽轮机油动力粘度曲线。

图2 某品牌L－TSA46汽轮机油动力粘度曲线

3 调速器伺服环故障是引发机组事故停机的主要原因

由于调速器轮叶主阀处于偏开位，若遇机组负荷调整或水头变化将会引起操作油压快速下降，此时补油泵的补油量将无法满足要求进而导致主或备用压力油泵频繁启动、油温逐渐上升，受油温升高影响，受油器和轮叶开关腔之间的窜油量也随之增大，这又会导致压力油泵启动更加频繁、油温继续上升进而形成恶性循环。当机组增加负荷时轮叶随导叶开度的增加而增加，轮叶主配向开的方向动作，受油器和轮叶开关腔窜油量猛增引起轮叶主配关腔喷油轮叶接力器操作油压降低。当轮叶接力器操作力降低到不足以克服水力矩及其他阻力时轮叶操作就变得十分缓慢甚至操作不动，将会导致轮叶开度反馈值与给定值的偏差大于阀值5%，且持续时间超出10 s，此时，调速器即判定为伺服环故障，监控系统收到此故障信号后发出事故停机令。

然而，同样是在操作油温度上升后，机组减负荷时轮叶开度却能在规定的时间内调整到给定值，这是由于关轮叶时轮叶接力器克服的水力矩相比开轮叶时小得多的原因。排查处理后，机组开停机均正常，这是因为停机后油温逐渐下降到环境温度、油压装置油冷却器也正常投入从而降低了操作油运行温度的缘故。

由此可以判断4号机组调速器伺服环故障引发机组事故停机的主要原因是:调速器轮叶主配平衡位置偏开位引起操作油油温升高所致。同时也解释了调速器伺服环故障引起机组事故停机多发生在夏季环境温度较高时这一现象。