水轮机调速器液压系统常见故障分析处理

周 涛，李兼伐，梁洸强

（广西水利电力职业技术学院，广西 南宁 530023）

0 引言

水电站（厂）作为电力系统重要的电源之一，在电能生产过程中，利用水轮机把水流能量转换为水轮机轴输出的旋转机械能，再利用发电机把旋转机械能转换为电能[1]。在水轮机调节系统和发电机励磁系统控制下，发电机产生的交流电以稳定的频率和电压经过电网输送至用户，以满足生产及生活需要。电力系统的负荷因用户需要会随时发生变化，因此应根据用电负荷的变化及时调节系统中发电机输出的电能，以维持系统发电量与用电量平衡，当系统动力矩与阻力矩相等时，系统才能稳定下来。如果不能根据系统用电负荷的变化及时调整系统能量的平衡，就会导致系统频率和发电机组转速变化，甚至超出电能质量标准允许的范围。对用户而言，电源频率不稳定，会导致电动机转速不稳定，忽高忽低的电动机转速，会严重影响到各种生产设备的正常运行，甚至，严重影响到工农业生产、社会经济活动和人们的正常生活。为此，必须根据机组转速的变化（实质反映系统负荷和频率的变化），通过水轮机调速器自动调节进入水轮机的水流量，使水轮发电机组维持在额定转速的同时，其输出的电能不断适应外界负荷的变化。另外，水轮机调速器还担负着开机、停机及调整机组所带负荷的作用。

水轮机调节系统是一个闭环控制系统，由调节控制器、液压随动系统和调节对象组成。通常把水轮机的液压随动系统和调节控制器合称为水轮机调速器[1]。水轮机调速器自上个世纪问世以来先后经历了机械液压调速器、电液调速器和微机调速器三代发展历程，现前两代调速器已逐渐被微机调速器所替代。YWT 系列高油压数字式可编程微机调速器结构简单、性能良好、运行可靠、操作和维护简便，在中小型水电站中广泛应用。

1 水轮机调速器液压系统组成及原理

YWT 系列微机调速器的液压系统如图1 所示。

图1 YWT 系列水轮机调节器液压系统

微机调速器由机械液压系统、油压装置和微机调节器三大部分组成，完成对水轮机的调节控制。机械液压系统是调速器的执行机构，它接受微机调节器发出的控制信号，控制机械液压系统的执行元件13（俗称接力器）的伸缩动作，从而改变水轮机导水叶（或喷针）的开度，实现对水轮机流量的调节控制，最终完成对机组转速及输出能量的调节控制。油压装置为调速器的液压系统提供压力油源。下面分别对油压装置和机械液压系统的组成及工作原理做简要分析。

1.1 油压装置

由液压油泵1、单向阀2、蓄能器3、总油阀4、精滤器5 及其它辅助元件组成。不同的水电站，水轮机工作水头及调节流量不同，所需的水轮机导水叶（或喷针）的操作功也不同。由于水轮机调速器液压系统的接力器13 需要输出较大的工作推力，因此，除轴流转桨式水轮机外，一般中小型水轮机调速器多采用额定油压为16 MPa 并采用标准液压元件的高油压液压系统，以减小液压系统结构尺寸，降低液压系统制造和维护成本。为避免液压油泵长时间工作和降低能耗，调速器油压装置通常采用高压齿轮油泵加蓄能器的方案，并配备一个以上气囊式蓄能器和一套以上油泵，以满足调速器液压系统用油及油泵冗余配置的需要。在机组启动前，应预先启动油压装置，使蓄能器内的油位及油压满足调速器工作需要。

1.2 机械液压系统

机械液压系统由导水装置（控制导水叶或喷针，图中未画出）和接力器13 及其控制装置组成，采用的是双油路控制方式。在图1 中状态为待机状态，从油压装置输出的压力油分两路走：其一是经紧急停机电磁阀6 输出，到达4 个换向球阀8、9、10、11 的左位而被锁止；其二是直接与主阀（先导式滑阀）12 连接于中位而被锁止。接力器13 被锁定在既定位置。

机械液压系统主要有微幅调节、大幅快速调节、电磁铁失电、事故停机等四种工况。

（1）调速器微幅调节

如图2 所示，微幅调节回路由紧急停机电磁阀6、换向球阀10 和11 及液压锁（两个液控单向阀）组成。

图2 微幅调节工况液压回路

当电磁铁E3 得到控制信号，换向阀10 阀芯左移，压力油通过换向阀10 直接进入接力器左腔，同时，液控单向阀在工作压力作用下逆向开启，接力器右腔的油液通过换向阀11 排回油箱，接力器左腔进油，右腔排油，推动接力器活塞杆伸出，使导水装置朝关方向动作，关小导叶开度。当电磁铁E4 得到控制信号，换向阀11 阀芯左移，压力油通过换向阀11 直接进入接力器右腔，同时，液控单向阀在工作压力作用下逆向开启，接力器左腔的油液通过换向阀10 排回油箱，接力器右腔进油，左腔排油，接力器活塞杆收回，使导水装置朝开方向动作，开大导叶开度。因电磁换向球阀10、11 的额定流量较小，通过其控制接力器动作时，接力器动作速度慢，只能实现对接力器的微幅调节控制。同时，与液控单向阀串接的节流阀还能调节调速器微幅调节的最快速度。

（2）调速器快速大幅调节

大幅调节回路由紧急停机电磁阀6、换向球阀8和9、主阀12 及液控单向阀组成，如图3 所示。当控制阀9 的电磁铁E2 得到控制信号时，控制阀9 阀芯左移，控制油进入主阀12 的右端，主阀12 阀芯左移，油压装置来的压力油通过主阀12 和液控单向阀、节流阀进入接力器左腔，而接力器右腔则经过节流阀、液控单向阀和主阀12 接通排油，接力器活塞杆伸出，推动导水装置朝关方向动作，关小导叶（或喷针）开度。当控制阀8 的电磁铁E1 得到控制信号时，控制油进入主阀12 的左端，主阀12 阀芯右移，油压装置来的压力油通过主阀12 和液控单向阀、节流阀进入接力器右腔，而接力器左腔则经过节流阀、液控单向阀和主阀12 接通排油，接力器活塞杆缩回，带动导水装置朝开方向动作，开大导叶（或喷针）开度。由于压力油经过主阀回路接至接力器，液压回路通流面积大，可实现对接力器大流量、快速控制，最终实现调速器快速大幅度调节，但考虑到不同水电站调节保证计算对最快开关机时间要求不同，在调速器快速大幅调节液压回路中也设置了相应的节流阀，要根据电站实际需要调节调速器的最快开关机时间。

图3 大幅调节工况液压回路

当调速器发生失电等电气故障时，各电磁阀将失电，其阀将处于图1 所示状态，接力器将维持在故障前位置不变，如有需要，此时可手动操作电磁阀阀芯实现调速器手动操作。

2 水轮机调速器液压系统故障分析

YWT 系列水轮机微机调速器结构简单，操作使用方便，现已广泛用于中小型水电站。随着调速器长时间工作和液压系统磨损，调速器液压系统难免会发生故障，据统计，最常见的故障包括异常震动、动作迟滞和系统泄漏等几个方面[2]。

调速器液压系统故障会直接影响到水轮发电机组的正常工作和安全运行，而接力器是液压系统的执行元件，以其作为观察对象，是发现、分析和处理调速器液压系统故障的常用方法之一。液压系统故障的表象和原因大都有一定的因果关系和规律，可结合常见故障的现象及原因，探究相关故障的处理方法，但不管如何，都需要根据具体情况进行分析和判断，如果是新设计或新安装的调速器，应通过试验方式，结合故障现象，重点分析、改进和优化系统设计、调节参数整定等问题，反之，则应重点考虑液压系统堵塞、磨损、油质油量、密封失效等问题。对于水电站技术人员而言，重点关注的是调速器投运之后出现的故障问题。

2.1 接力器振动

在水轮发电机组处于开机前充油或运行状态时，接力器不动，主阀12 阀芯强烈、小幅度等幅往复位移，频率有几十赫兹（≥20 Hz），导致接力器活塞杆、接回器连接油管抖动并伴有响声，造成导水装置工作部件松动、磨损以及液压管路接头漏油，甚至出现液压管路破裂、厂房振动等严重问题，直接危及电站的安全。故障原因分析及处理方法详见表1。

表1 接力器振动故障分析与处理

2.2 接力器漂移

水轮发电机组在停机或空载或带负荷运行的自动状态下，接力器活塞杆发生漂移，会通过导水装置传动机构改变导叶（或喷针）开度，从而改变机组流量，导致机组自行转动起来或机组转速不稳定或机组负荷自动发生变化等后果，甚至造成设备损坏、人身伤亡等重大事故，应引起相关管理和运行人员重视。

造成接力器漂移的原因较多，具体故障原因分析及处理方法见表2。

2.3 接力器动作迟滞

水轮发电机组在静态、空载或带负荷运行的自动状态下，机组转速（频率）发生变化，调速器电气调节器有输出信号至液压系统，但相关元件或动作迟缓，其结果是接力器响应迟滞，增减负荷迟缓，开机不成功或调节时间长，甚至无法转速调节和并网带负荷运行任务，严重时还会造成机组甩负荷、机组过速和发生飞逸等事故，严重危及机组安全运行，故障原因分析及处理方法如下：

（1）油温过高使内漏过大

检测油温，如油温异常升高，可改变运行工况或减少油泵启动次数，必要时加装油冷却器。

（2）电液转换元件自动平衡位置自行改变

主要原因有：如电磁阀弹簧疲劳、变形，密封圈老化，阀芯磨损过大等。可重新调整电液转换元件，更换失效零部件，重新调整系统自动平衡位置等。

（3）电液转换元件通电与不通电的液压平衡位置相差较大

表2 接力器漂移故障分析与处理

重新调整电液转换元件平衡位置，检查通电前后，保持基本不变位为宜（爬行≤0.4%）。

3 结论

水轮机调速器液压系统的正常运行对于水电站安全运行具有重要的意义[3]，为降低水轮机调速器液压系统故障对机组运行的影响，需要提高对液压系统故障诊断与排除工作重要性的认识，加强维修技术的提升与故障诊断经验的学习推广，以提高故障诊断与排除效率，减少故障对机组运行的影响，提高机组运行的稳定性及生产效率。