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柴油发电机组频率不稳故障分析与解决

2020-10-09
来源: 礼德动力

一、故障现象

四冲程柴油发电机组型号为JH30,柴油机型号为K4100D,电机型号为KHI30-14,额定转速为1 500 r/min,额定功率为33 kW, 额定电压为400 V,配置电子调速控制装置。空载运行时,机组出现频率不稳故障,频率指示表上显示频率波动范围较大,柴油机各缸发功不均,有“游车”现象,加负载5 kW后,频率指针波动剧烈,波动的范围加大。

二、故障原因分析

根据发电机频率与原动机转速关系:

可知,发电机组工作频率f与转子转速n和磁极对数p有关,发电机工作频率的不稳定是由于柴油机转速波动引起的。引起这种故障的因素有很多[1],例如转速传感器测量失真、燃油中水分或空气过多、燃油管路漏油或脏堵、喷嘴总成失效、油门调整不当、各缸喷油不均、燃油泵故障、电子调速器故障、柴油机运转时震动厉害、负载波动太大等。解决故障的关键是从诸多可能情况中确定故障点,故障分析法是复杂机电系统中迅速查找并准确定位故障的最有效方法之一[2]。发电机组频率不稳故障树的建立如图1所示。

图1 发电机组频率不稳故障树

导致发电机组频率不稳顶事件发生的可能故障模式有机械故障、控制系统故障与外部因素引起的故障。对于顶事件发生的判断可依照由外到内、简单到复杂的顺序。从以上所述表现的症状进行分析:机组运行时震动不明显,机组和安装底座的螺栓没有松动的现象,可以排除震动的原因;空载时,就有“游车”现象,突然加载或卸载的情况可以排除。对于不能确定的故障可能情况,需进行逐一分析与排除。

1.油路问题

柴油机系统中如果出现油路问题,会导致柴油机供油不畅燃烧不良,转速下滑与波动。油路问题包括管路裂纹、油箱液位过低使燃油中混有空气,油路中滤器阻塞,燃油管路漏油等导致管路供油不连续。根据检查,燃油质量没问题,油路中的滤器无脏堵,管路连接良好。

2.喷油泵引起的转速不稳

柴油机各缸供油不均会使柴油机转速出现波动。例如某缸喷油泵供油齿条卡阻,移动不灵活,各缸喷油泵供油量调整不当,喷油泵出油阀磨损严重、弹簧弹性失效等,这些都将导致各缸做功不均运行转速不稳。

3.喷油器故障

柴油机长期运行过程中,燃油中的杂质会附着在针阀偶件上,引起喷油延迟与雾化不良,使喷油器喷油忽大忽小,柴油机运行不稳。

4.转速传感器测量失真

在柴油机的控制系统中,转速是控制的一个基础信号,此机型在齿轮旁边安装了磁电传感器。如果柴油机传感器松动或者长期运行在粉尘环境中,容易引起测量间隙发生变化,进而导致传输数据的失真。

5.调速控制系统故障

调速控制系统工作优良与否直接影响着柴油发电机的工作性能甚至使用寿命。如果使用中的电子调速器参数整定值出现漂移,将会严重影响柴油机的运行工况,需要对调速器的参数重新整定。

三、频率不稳原因判定

故障原因判断应从可能性大的、较容易检修的地方入手,应避免盲目拆检增加维修工作量。从以上故障原因分析,可将引起频率不稳的原因分为柴油机问题和调速控制系统问题。一般情况下,柴油机原因导致故障的情况比较常见,而且大多机管人员对柴油机比较熟悉,可先从柴油机方面入手。

在排除油路问题的情况下,首先将喷油器拆下进行雾化试验,发现雾化效果良好,可排除喷油器问题。为了减少维修工作量,笔者将整组喷油泵拆下换到另一台工作性能良好的柴油发电机组上进行测试。试验表明,该机组柴油机转速稳定,电机发电频率正常。到此,可将柴油机问题引起发电机组频率不稳的原因排除,接下来对调速控制系统故障原因进行判定。

将传感器拆下清洁后按安装间隙要求装复后,故障依然,可将转速传感器的因素排除;在发动机停机状态,短接控制器1、2脚(如图2所示),执行器应输出最大油位,经检查发现输出电压正常,最大供油量位置正确,电磁执行器与喷油泵齿条接合处没有松动现象,可将执行器的因素排除;那么引起机组频率不稳故障剩下一个原因了,就是电子调速器调整微分、增益调谐失灵。

图2 电子调速器控制器

四、故障排除

现今柴油机调速装置越来越多地采用电子调速器,电子调速器相比传统机械式调速装置有着诸多优点,其灵敏度高,响应速度快,并且动静态精度更高[3]。一般情况下,出厂时电子调速器相关的参数都已设定好,如果参数产生漂移,柴油机工况就会发生变化,这时需要对电子调速器的参数重新调整。下面以此次故障为例,谈谈如何对相关参数进行调整及调整过程中应注意的地方。电子调速器主要技术参数见表1。电子调速器参数的调整是一项细致的工作,需要耐心对待。其调整的步骤可按下列顺序进行。

表1 电子调速器主要技术参数

1.转速设定

怠速调节。启动柴油机运行后,发现柴油机转速稍偏离怠速值,重新调整低速设定电位器,将其调整到出厂设定值。调整的方法为:顺时针调节增加转速,逆时针调节降低转速,直至达到所要求的怠速。然后拨动开关使柴油机从怠速升到高速运转。观察转速表指示,比额定转速值偏低,调整电位器使转速达到额定转速。调节时,顺时针调节增加转速,逆时针调节降低转速。

在怠速和高速值设定后,要仔细观察转速的波动情况。调节过程中发现波动幅度超过±0.25%,需要进行稳定性调整将转速调整到满足要求。

2.稳定性调整

电子调速器与发电机构成转速闭环控制系统,其稳定性取决于发电机转动惯量、系统时间常数、发动机环节增益、调速器环节增益、扰动等因素。任何闭环控制系统稳定调节范围,如果超出了如图3所示的稳定域范围,那么系统就不稳定了。

图3 稳定域示意图

在稳定域示意图3中,微分和增益在阴影区域时,发电机组才能稳定运行,如果小于低增益稳定线,柴油机将会低频游车;越过高增益稳定线,柴油机将会高频游车。在保证系统具有一定稳定余度的前提下,微分和增益应接近高增益稳定线,确保电子调速器具有优良的动稳态调速指标。

稳定性调整时,需要调节增益、微分(稳定)电位器。调整增益电位器可调节系统的灵敏度,获得合适的瞬时响应速度,顺时针旋转增大,逆时针旋转减小;微分电位器可调节系统的响应时间,获得合适的瞬时响应速率,顺时针旋转增大,逆时针旋转减小。

由于发电机为四缸的小功率柴油机,运行时频率波动较大且快,于是先将微分调节置于低增益稳定线附近的位置,再将增益从中间位置开始逐渐增大至2点钟方向,然后在稳定区域内调节稳定电位器,直至发电机稳定运行。当在加载运行时,需重新调节稳定电位器,如果不能满足,则需适当降低增益,如此反复调节直至在稳定域内寻找到稳定的工作点,在此过程中,要根据机组是否出现快速不稳定的现象,适时调整状态开关。

3.转速动态指标调整

调速系统的动态指标包括瞬时调速率和稳定时间,当发电机组电子调速器达到电站调速指标时,通过突然卸载负载对微分、增益的精细调整,来寻找发电机组的最佳工作点。寻找该工作点时,先将微分置于低增益稳定线附近的位置,再顺时针旋转增益电位器至3点钟方向,直到柴油机转速出现高频波动,然后逆时针旋转电位器逐渐减小微分,直到柴油机稳定运行,调节过程中可结合柴油机运转的声音来判断是否运行平稳。

4.稳态调速率调整

稳态调速率也称速降,调速器的准确性与速降的值有关,速降值小准确性好。发电机组的稳态调速率通过转速控制器上的速降电位器调节,顺时针旋转稳态调速率增大,反之减小。调节时,先将速降电位器设定在一个位置,然后分别观察柴油机空载与负载时的转速变化情况,根据其计算公式计算稳态调速率的值,如果没有达到要求,根据其变化趋势调节速降电位器,然后重复以上加载试验,反复调节直到符合要求。值得注意的是每次速降调节后,速度调节需要重新进行。

五、小结

本文对柴油发电机组频率不稳的故障原因进行了概括和分析,由于产生此类故障的因素很多,采用故障分析法进行逐层逐步分析与排除,最后将故障原因锁定在电子调速器上。通过反复调试,最终发电机组在不同工况下能稳定运行。希望文中所述发电机组频率不稳的诊断及电子调速器参数整定方法,对解决此类故障具有一定参考价值。