一种水轮机调速器主配压阀故障诊断方法

工业仪表与自动化装置　　　　　　　　　　　　　　　　２０１９年第６期

一种水轮机调速器主配压阀故障诊断方法

张　雷１ꎬ３ꎬ吴　缙２ꎬ３ꎬ孙延岭１ꎬ３ꎬ蓝　彦１ꎬ３ꎬ蔡卫江１ꎬ３

(１.南京南瑞水利水电科技有限公司ꎬ南京２１１１０６ꎻ２.国网电科院检测认证技术有限公司ꎬ江苏常州２１３１２７ꎻ

　　摘要:该文介绍一种通过综合判断比例伺服阀反馈、主配反馈、主配位置接点、接力器行程等反馈信息ꎬ对水轮机调速器的主配压阀进行故障诊断的方法ꎬ该方法判断准确及时ꎬ判断依据全面ꎬ可以精确判断故障位置并提出相应的检修决策ꎬ具有较好的推广意义ꎮ

关键词:水轮机调速器ꎻ主配压阀ꎻ故障诊断

中图分类号:ＴＭ６２２　　文献标识码:Ａ　　文章编号:１０００－０６８２(２０１９)０６－００７４－０４

ＺＨＡＮＧＬｅｉ１ꎬ３ꎬＷＵＪｉｎ２ꎬ３ꎬＳＵＮＹａｎｌｉｎｇ１ꎬ３ꎬＬＡＮＹａｎ１ꎬ３ꎬＣＡＩＷｅｉｊｉａｎｇ１ꎬ３

３.南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司ꎬ南京２１１１０６)

Ａｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓｍｅｔｈｏｄｆｏｒｍａｉｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｖａｌｖｅｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｔｕｒｂｉｎｅｇｏｖｅｒｎｏｒ

２.ＳｔａｔｅＧｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅＴｅｓｔｉｎｇａｎｄＣｅｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＪｉａｎｇｓｕＣｈａｎｇｚｈｏｕ２１３１２７ꎬＣｈｉｎａꎻ

(１.ＮａｎｊｉｎｇＮＡＲＩＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ.ꎬＬｔｄ.ꎬＮａｎｊｉｎｇ２１１１０６ꎬＣｈｉｎａꎻ３.ＮＡＲＩＧｒｏｕｐＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ/ＳｔａｔｅＧｒｉｄＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＮａｎｊｉｎｇ２１１１０６ꎬＣｈｉｎａ)

　　Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓａｍｅｔｈｏｄｏｆｆａｕｌｔｄｉａｇｎｏｓｉｓｆｏｒｍａｉｎｐｒｅｓｓｕｒｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｖａｌｖｅｏｆｔｕｒｂｉｎｅｇｏｖｅｒｎｏｒｂｙｓｙｎｔｈｅｔｉｃａｌｌｙｊｕｄｇｉｎｇｆｅｅｄｂａｃｋｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｓｅｒｖｏｖａｌｖｅꎬｍａｉｎｍａｔｃｈｉｎｇｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅａｎｄａｃｃｕｒａｔｅ.Ｉｔｃａｎａｃｃｕｒａｔｅｌｙｊｕｄｇｅｔｈｅｆａｕｌｔｌｏｃａｔｉｏｎａｎｄｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｄｅｃｉｓｉｏｎ.Ｉｔｈａｓｇｏｏｄｐｏｐｕｌａｒｉｚａｔｉｏｎｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ.

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ｆｅｅｄｂａｃｋꎬｍａｉｎｍａｔｃｈｉｎｇｐｏｓｉｔｉｏｎｃｏｎｔａｃｔꎬｒｅｌａｙｓｔｒｏｋｅａｎｄｓｏｏｎ.Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓａｃｃｕｒａｔｅꎬｔｉｍｅｌｙꎬ

０　引言

水轮机调速器是水力发电厂的重要设备ꎬ承担着调节水轮机转速及控制出力的任务ꎬ而主配压阀是其最重要的执行机构之一[２]ꎬ调速器通过电液转换器比例伺服阀将电信号转换成为油压的方向及流量信号ꎬ该信号经过主配压阀进行放大ꎬ对导叶接力器进行操作ꎮ主配压阀在实际使用过程中很容易因油液黏度、杂质颗粒、磨损等问题产生运动不畅ꎬ即卡涩现象ꎮ主配压阀工作状态的优劣直接影响到机组的调节品质和安全稳定ꎬ因此调速器能否准确快速进行主配压阀的工作状态诊断就显得尤为关键ꎮ

近年来ꎬ水轮发电机组的故障诊断技术在水电

　　收稿日期:２０１９－０４－０８

厂已经获得广泛应用ꎬ但是目前已应用的系统都不包括水轮机调速设备的监测ꎬ调速设备是控制水轮发电机组转速和功率的重要设备ꎬ其调节品质和性能的好坏直接关系到机组的稳定运行[３]ꎮ

目前水电厂常见的主配拒动功能判断ꎬ意为主

配拒绝动作ꎬ是唯一的对主配压阀的故障进行判断的监测功能ꎮ通过在主配上安装主配行程位置接点ꎬ通过判断一级电气过速故障与主配处于未关闭方向这一组判断条件ꎬ判断主配动作故障的方法ꎮ其具体判断逻辑为通过判断主配位于开启方向且机组频率大于一级电气过速再延时一段时间ꎬ即判断主配拒动[４]ꎮ仅可判断主配卡阻在开启方向的情况ꎬ且由于位置开关的安装位置及调试间隙并不相同ꎬ这就造成判断故障的灵敏度不一而同ꎬ判断结论并不可靠ꎮ仅仅通过一只简单的位置开关即判断是否应过速停机未免过于草率ꎬ且触发条件苛刻ꎬ延时时间较长ꎬ等到故障报出的时候ꎬ故障影响已经扩大ꎮ且主配位置接点并没有良好的安装条件ꎬ故障

　　基金项目:“核高基”国家科技重大专项(２０１７ＺＸ０１０３０－２０１)轮机调速、自动化控制装置等的研究和设计工作ꎮ

Ｅ－ｍａｉｌ:ｚｈａｎｇ－ｌｅｉ＠ｓｇｅｐｒｉ.ｓｇｃｃ.ｃｏｍ.ｃｎ

　　作者简介:张雷(１９８３)ꎬ硕士ꎬ高级工程师ꎬ主要从事水电站水

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触发精度受施工人员水平影响较大ꎬ实际报出的信号并不可靠ꎬ大部分情况下并不为工程人员所信任ꎬ因此该故障判断形同虚设ꎬ实际使用效果并不理想ꎮ

通ꎬ接力器开启ꎻ阀芯偏离中间位置向下运动时ꎬＰ口和Ａ口接通ꎬＢ口和Ｔ１口接通ꎬ接力器关闭ꎮ主成的ꎮ恒压活塞面积小于控制活塞面积ꎻ伺服阀输出的控制油作用在控制活塞上ꎬ恒压油持续施加在恒压活塞上ꎻ由于控制油可控ꎬ由此可以控制主配阀芯上下动作ꎬ从而实现主配功能ꎮ主配的作用就是通过阀芯的动作来控制油口的通流面积以控制接力器的运动方向及速度ꎮ

配阀芯的动作是由控制活塞和恒压活塞共同控制完

１　主配压阀仿真分析及故障诊断

主配压阀是水轮机调速器机械液压系统的液压放大器ꎬ它将电液转换器的机械位移或液压控制信号放大成相应方向的、与其成比例的、满足接力器流量要求的液压信号ꎬ控制接力器的开启或关闭[１]ꎮ

主配压阀卡涩可以理解为阀芯动作阻力大ꎬ动作

结果滞后于电液转换器的机械位移ꎬ影响主配的液压响应时间ꎮ该动作特性在仿真时并不容易实现ꎬ相比较而言卡涩作用更接近于主配压阀的叠加量的影响ꎬ因此文中尝试使用叠加量的仿真等效为卡涩的影响ꎮ

该文以某型立式主配压阀为研究对象ꎬ构建仿真模型ꎬ对叠加量－响应速度特性进行仿真分析ꎬ为主配压阀的卡涩故障判断条件提供依据ꎮ

图１为某型主配压阀的结构示意图ꎬ主要由主配阀体、主配阀套、主配阀芯、恒压活塞、控制活塞等结构件组成ꎮ主配对外出口一共有７个ꎬ分别为ＰꎬＡꎬＢꎬＴ１ꎬＴ２ꎬＨꎬＣꎮＰ口为主进油腔ꎬＡ口为接力器关腔ꎬＢ口为接力器开腔ꎬＴ１ꎬＴ２口均为回油ꎬＨ口为恒压油ꎬＣ口为控制油ꎮ图示的阀芯位置为主配的Ｔ２完全封闭ꎬ接力器保持不动ꎮ当主配阀芯偏离中间位置向上运动时ꎬＰ口和Ｂ口接通ꎬＡ口和Ｔ２口接中间位置ꎬ这时主配阀芯将主操作油口ＰꎬＡꎬＢꎬＴ１ꎬ

图１　主配压阀功能示意图

图２　主配压阀响应速度特性仿真模型

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　　利用液压元件设计库、液压仿真软件的信号库、机械库、液压库建立图２所示主配压阀响应速度特性仿真模型ꎮ用液压元件设计库中的滑阀部件组合为主配压阀主体ꎬ可设置搭叠量等主配压阀主要参数ꎮ在主配压阀的两端设有恒压活塞与控制活塞ꎮＦＰ０４定义了液压油的特性ꎮ通过仿真主配压阀油口流量的变化情况来对主配压阀的响应速度进行分析ꎮ

针对主配压阀响应速度特性进行分析ꎬ通过仿真得出搭叠量(模拟卡涩作用)－响应速度曲线ꎮ综合判断ꎬ得到一种新的水轮机调速器主配压阀的故障诊断的方法ꎬ如图４所示ꎬ调速器对上述信号进行综合分析ꎬ分析信号间逻辑关系ꎬ可以准确判断故障发生的类型ꎬ并进一步提供故障处理建议ꎮ

图４　主配信号流向图

主要参数设置见表１ꎻ仿真时间设为０.１ｓꎬ采样周期设为０.０００１ｓꎮ

表１　主要参数

参数数值参数数值压力源/ＭＰａ６.３伺服阀流量

０至最大时间/ｓ０.５负载压降/ＭＰａ４.４阀芯直径/ｍｍ５０

伺服阀流量/(Ｌ/ｍｉｎ)

２０

阀芯圆角半径/ｍｍ０.００５

图３　搭叠量(卡涩)－响应速度曲线

　向间隙为　设置参数０.０１ꎬ控制活塞直径为ｍｍꎬ设置主配压阀搭叠量分别为２６ｍｍꎬ阀芯阀套径０.０ꎬ

线５ꎬ１ꎮ由曲线可以看出ｍｍꎬ得到图３所示搭叠量ꎬ３种搭叠量情况下－响应速度关系曲ꎬ主配压阀流量由０升至全开需要的时间不同ꎮ搭叠量为０时ꎬ主配压阀的响应速度最快ꎬ达到０.００５６３ｓꎮ搭０.叠量为１ｍｍ时ꎬ主配压阀的响应速度最慢ꎬ达到

应速度随着搭叠量的增加而降低０３１８７ｓꎮ从图３中可以明显看出ꎮ因为叠加量可以ꎬ主配压阀的响等效为阀芯卡涩ꎬ卡涩的严重程度直接影响主配的响应速度ꎮ当卡涩时ꎬ主配反馈相对于伺服阀反馈的跟随性变差ꎬ响应的滞后时间可以被调速器检测、统计和判断ꎬ作为延时判断的依据ꎬ可以根据这个原理进行主配卡涩的故障判断ꎮ

在实际使用中ꎬ调速器会对比例伺服阀反馈、主配反馈、主配位置接点、接力器行程等反馈信息进行

２　故障诊断逻辑与专家系统

通过主配周边的反馈信息ꎬ可进行如下判断:

置反馈信号以及接力器行程反馈信号１)通过采集比例伺服阀反馈信号、ꎬ主配压阀位进行主配拒动故障判断ꎮ如图５所示ꎬ主配拒动故障判断的具体过程为:当比例伺服阀反馈为非零ꎬ而主配压阀的反馈为零ꎬ接力器在非全开非全关状态下运动趋势为零ꎬ并且延时时间满足延时阈值时ꎬ则判断发生主配拒动故障ꎮ

图５　主配拒动故障判断流程图

　馈变化速率及接力器反馈的变化速率　２)采集比例伺服阀反馈变化速率、ꎬ主配压阀反进行主配运动不畅故障判断ꎮ如图６所示ꎬ主配运动不畅故障判断的具体过程为:当比例伺服阀反馈变化速率正常ꎬ而主配压阀的反馈变化速率缓慢ꎬ接力器反馈的变化速率缓慢ꎬ并且延时时间满足延时阈值时ꎬ则判断发生主配运动不畅故障ꎮ

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　　上述的主配压阀故障诊断可以作为子程序运行在水轮机调速器控制器内部ꎮ当判断主配发生故障时ꎬ由调速器控制器发出相应故障报警ꎮ程序中也可按照相应的故障类型ꎬ提供推荐的处理方法ꎬ供电站运行人员参考ꎮ该功能可视为简单的调速器故障诊断专家系统ꎮ

３　总结

该文通过综合判断比例伺服阀反馈、主配反馈、主配位置接点、接力器行程反馈信息从而对水轮机调速器的核心部件主配压阀进行故障诊断ꎮ该方法具有判断准确及时ꎬ判断依据全面ꎬ可以精确判断故障位置并提出相应的检修决策ꎮ该方法不需要借助

图６　主配运动不畅故障判断流程图

外部专用的监测装置ꎬ利用调速器装置自身即可实现调速器主配压阀的故障诊断ꎬ具有成本低廉、可移植性强、配置灵活多变、节约系统资源等优点ꎬ可普遍提高水轮机调速器主配压阀故障判断的能力ꎮ采用该文方法进行故障判断ꎬ可以较好地替代传统方法ꎬ具有较大的推广意义ꎮ该方法已经在漫湾智能化水电厂改造开发中初步实现ꎬ并进行了厂内测试验证ꎮ

参考文献:

[１]　魏守平.水轮机调节[Ｍ].武汉:华中科技大学出版[２]　蒋志照ꎬ王珍明.水轮机调速器系统抽动故障机器消除[３]　王翔ꎬ王霞.基于综合评判的调速器故障诊断专家系[４]　范明树ꎬ郭江ꎬ张珂斐ꎬ等.调速器液压随动系统故障诊

断系统[Ｊ].排灌机械工程学报ꎬ２０１４(０６):５０５－５１０.统的构建[Ｊ].水利电力科技ꎬ２００８(０３):４４－４８.措施[Ｊ].水电自动化与大坝监测ꎬ２０１２(０２):４３－４６.社ꎬ２００９.

　　３)采集比例伺服阀反馈信号、主配压阀位置反馈信号及接力器行程反馈信号ꎬ进行主配阀芯卡住故障判断ꎮ如图７所示ꎬ主配阀芯卡住故障判断的具体过程为:当比例伺服阀反馈与主配压阀反馈方向相反ꎬ而主配压阀反馈运动趋势为停止且不在中位ꎬ接力器反馈在全开或全关位置ꎬ并且延时时间满足延时阈值时ꎬ则判断发生主配阀芯卡住故障ꎮ

图７　主配阀芯卡住故障判断流程图

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