沙灣水電站主配抽動分析及處理

夏 飛, 劉 虎

(四川圣達水電開發有限公司,四川 樂山 614900)

沙灣水電站位于四川省樂山市沙灣區葫蘆鎮,為大渡河干流下游梯級開發中的第一級,距上游已建的銅街子水電站 11.5 km,距樂山市區約44.5 km。電站采用一級混合式(河床式廠房加長尾水渠)開發,安裝 4臺 120 MW軸流轉槳式機組,總裝機容量 480 MW,屬國家大(二)型規模電站。

沙灣水電站調速系統采用由 HGS-H22-150-4.0型調速器機械液壓系統與 HGS-E222型調速器微機調節器配合組成的微機型電液調速器,適用于大型軸流轉槳式水輪發電機組和貫流式水輪發電機組的自動調節和自動控制。該調速系統具有可靠性高、運行速度快、控制精度高等優點。但是,該系統構造復雜,對各個元件的精度要求較高,一旦其中一個元件損壞將造成整個系統癱瘓。在實際運行過程中,沙灣水電站四臺機組均不同程度的出現了導葉(輪葉)主配壓閥抽動問題,造成機組的不穩定運行。為此,筆者提出了一種全新的調速器主配設計思路——轉動式主配。

1 沙灣水電站調速器主配抽動原因及其危害

1.1 沙灣水電站調速器主配抽動原因分析

沙灣水電站調速器是由許多精密元件構成的一個復雜控制系統。這種復雜系統能夠實現水輪機的精確控制。但是其也對各個元件的穩定性提出了極高的要求。由于水電站運行工況受外界環境影響較大,這種穩定性往往難以保證。

沙灣水電站目前投運的四臺機組均出現過主配壓閥抽動,導致導葉(輪葉)來回動作的情況。通常情況下,主配抽動的原因主要分為以下幾個方面:

(1)主配機械位置未能復中。

造成主配機械位置不能復中的主要原因包括:①機組運行過程中的振動造成主配開關機時調節螺母或機械中位調整螺母位置發生變化;②壓力油油質較差,造成主配活塞卡阻;③主閥位移傳感器發生零點漂移,造成機械中位和電氣中位不一致;④機組振動過大,造成主配活塞和殼體相對位置來回變化。

通過主配的局部結構示意圖(圖 1)可知,如果導葉主配未處于中間位置,且調速器沒有調整信號開出,主配開(關)腔將會一直給油,關(開)腔將會一直排油,導葉將會一直朝開(關)的方向動作。在開度調節模式下,調速器將會發出關(開)的調整信號,使導葉開度保持穩定。如果主配一直不能復中,這個過程將會不斷重復,從而導致出現主配的抽動現象。

圖1 主配壓閥局部示意圖

(2)主配竄油。

主配活塞與殼體之間的相對運動將會導致兩者配合的徑向間隙變大(圖 1),活塞對油口的密封性變差,形成進油腔向回油腔、進油腔向工作油口、工作油口向回油腔的竄油。由于沙灣水電站進油口油壓和工作油口油壓大小具有以下關系:

式中 P為進油口油壓,MPa;P1為關腔油口油壓,MPa;P2為開腔油口油壓,MPa。

所以,主配工作油腔與回油腔之間的竄油量具有以下關系:

式中 Q1為關腔油口與回油腔的竄油量(m L);Q2為開腔油口與回油腔的竄油量(m L)。

通過以上分析可知,關腔竄油量大于開腔竄油量,這將會導致關腔油壓比開腔油壓下降快,接力器原有壓力平衡被打破,活塞將會由開腔向關腔運動,導葉(輪葉)將會朝著開的方向運動。同樣,在 PID調節的作用下將會形成主配抽動。

(3)主閥位移傳感器調節死區太小。

圖2 主配壓閥整體示意圖

由圖 2可知,主配輔助接力器下腔與壓力油直接接通。正常情況下,當主配處于中間位置時,其上下腔壓力油所產生的壓力差等于主配活塞的重力。但是,由于油壓裝置壓力油壓強會逐漸變小,所以下腔油壓變小,活塞在重力的作用下將會向下移動直至達到新的壓力平衡。此時主閥位移傳感器將會監測到活塞位置的變化,如果主閥位移傳感器調節死區小,在負反饋作用下,將會控制活塞回到中間位置,這種過程將會反復進行,從而造成主配抽動。

(4)調速器控制信號脈寬過大。

如果控制信號脈沖寬度過大,每一次調節都會造成過調節,執行機構永遠達不到調節要求,從而造成這種調節過程的不斷反復進行,形成主配抽動。

(5)其它原因引起的主配抽動。

水頭波動較大、信號綜合輸出波動、局部閉環系統故障、測頻回路精度較差等也會造成主配抽動。但針對沙灣水電站的實際情況,對于這些方面的原因筆者在此不做詳細陳述。

為了確認沙灣水電站主配抽動的具體原因,維護人員做了以下試驗:

(1)將導葉“手動 /自動”切換把手切至“手動”位置,此時主配抽動消失,機組出現嚴重的“溜負荷”現象。

(2)在導葉把手為“自動”位置的狀態下,減小調速器控制信號脈沖寬度,主配抽動的問題沒有任何改善。

通過以上試驗分析可知,造成主配抽動的主因是主配機械位置未復中。在主閥位移傳感器認定的機械零位時,接力器關腔與壓力油接通,開腔與回油接通,導葉自動關閉,形成“手動”位置的“溜負荷”現象。為此,維護人員調整了主配的機械中位。調整后,主配抽動明顯變小,但是并未完全消失;“溜負荷”現象基本消失。由此可以判斷,主配活塞竄油亦是引起主配抽動的原因之一。

1.2 主配抽動的危害

主配抽動問題是沙灣水電站建廠之初就一直存在的“頑疾”,極大的阻礙了電站的安全穩定運行。主配抽動對水電站的影響主要表現在以下幾方面:

(1)由于主配的頻繁抽動,將會造成接力器的來回動作。接力器活塞與殼體之間頻繁摩擦,長此以往,將會加劇接力器內部磨損,甚至造成接力器內部拉傷,使其內部竄油。這種情況在沙灣水電站 1號機得以驗證,不利于機組的安全運行。

(2)主配抽動將會造成調速器壓力油使用量大增,油泵頻繁打油,壓力油溫變高,油質變差,嚴重威脅機組的安全運行。

(3)接力器的來回動作將會控制導葉來回動作,造成負荷波動,這種負荷波動將會形成超欠發。這種情況在枯水期低負荷時表現尤為明顯,不利于機組的經濟運行。

(4)主配抽動將會導致主配活塞與殼體之間間隙變大,造成主配內部竄油。而這種竄油反過來將會加劇主配抽動,形成惡性循環,不利于機組的穩定運行。

2 轉動式主配的可行性探究

2.1 轉動式主配的設計原理

沙灣水電站主配抽動問題是傳統電液型調速器的通病,很難通過調整參數的方法從根本上解決。不僅如此,傳統直線位移型主配還存在封油效果差、主配活塞易發卡、加工精度要求高等缺點。為此,筆者提出了一種全新的主配設計理念—— 轉動式主配,其具體工作過程見圖 3。

圖3 轉動式主配壓閥工作原理圖

該主配設計理念是使主配由傳統的直線運動變為由伺服電機控制的旋轉運動。由圖 3可知,當主配處于中間位置時,主配壓力油口和回油口均被主配活塞封閉,接力器開腔和關腔處于封閉狀態,控制導葉保持靜止。在伺服電機的控制下,主配活塞沿順時針旋轉一定的角度,此時主配外殼左端壓力油管通過活塞內通孔與活塞上腔接通,右端回油管通過活塞內通孔與活塞下腔接通,由于主配活塞上腔接機組接力器開腔,下腔接機組接力器關腔,此時接力器開腔與壓力油接通,關腔與回油接通,以此控制接力器朝開的方向動作,機組開機。同理,在伺服電機的控制下,主配活塞沿逆時針旋轉一定的角度,此時主配外殼右端壓力油管通過活塞內通孔與活塞下腔接通,左端回油管通過活塞內通孔與活塞上腔接通,此時接力器關腔與壓力油接通,開腔與回油接通,接力器朝關的方向動作,機組關機。

2.2 轉動式主配的優勢

此設計從根本上顛覆了傳統主配的設計理念,克服了傳統主配的許多缺點,具體表現為:

(1)系統簡單。此款主配直接通過伺服電機進行控制,不需要復雜的油路系統,從制造到安裝將會大大節約人力、物力。

(2)系統穩定性好、可靠性高。由于此主配系統精簡,所需要保證的精度和配合的環節大大減少,從而使安全系數大大提高。

(3)加工精度要求低。較復雜的傳統主配而言,此款主配所需要精加工的面大大減少,加工結構簡單。

(4)調節精度高,動態特性好。現代伺服電機具有線性度好、反應靈敏、可靠性高并具有斷電自復中功能。傳統主配所存在的中間位置不易保持、主配抽動等問題均能得到有效的解決。

(5)封油特性好。此款主配活塞和外殼之間的相對運動由直線運動變為轉動,配合精度大大提高,可以更好的實現壓力油的封閉。

(6)制造成本低。由于此款主配較傳統主配系統構造簡單,所需設備減少,設備加工難度變低,成本大大降低。

總之,轉動式主配較傳統主配有較大優勢。但是,筆者在文中僅僅提出了其設計雛形,對于其在現實中的應用還需做進一步的工作。

3 結 語

由于傳統主配的設計存在一定的不合理性,沙灣水電站主配抽動問題一直無法根除。這種抽動在許多電廠中都存在,不利于水輪機的安全穩定運行。除此之外,傳統主配還具有系統復雜、制造加工難度大、穩定性較差、主配活塞容易發卡等缺點。轉動式主配從根本上顛覆了傳統主配的直線運動方式,在許多方面都具有較大優勢,這種設計將會為未來水輪機調節器的發展提供一種新思路。

[1]劉志華.自復中伺服電機調速器在銅街子電站中的運用[J].四川水力發電,2008,27(2):68-70.

[2]魏守平.水輪機調節[M].武漢:華中科技大學出版社.2009.