水輪機組負荷調節時調節系統發卡原因分析與研究

常洪軍，陳守峰，張恩博，劉春林

（東北電力科學研究院有限公司，遼寧 沈陽 110006）

1 問題的提出

某水電站4、5號機組調速器在60%～80%額定負荷區間向增負荷方向調節時導葉拒動，且頻繁出現調速器故障信號，需要現地手動復歸，此現象已存在多年，嚴重影響了機組的正常運行，且多次查找原因未果。其中4號機組在上游水位404.5 m以上 （水頭超過113.5 m）、壓油裝置油壓在3.8 MPa以下經常發生該故障信號；5號機組在上游水位413 m以上時經常發生。目前，該電站4號機組已退出一次調頻。本文通過綜合分析機組的調速系統、導水機構等多方面的因素，同時通過現場測試，徹底查找了該機組調速器發卡的原因，并給出了具體解決方案。

2 原因分析

通過對調速系統及導水機構結構的認真分析，結合機組的運行實際，總結導致機組負荷調節時調速器發卡的原因主要集中在以下幾個方面：

（1）調速系統故障。包括調速器電氣故障、調速器機械執行機構失靈、油壓管路中存在氣泡或其他雜質等。此類故障可通過現場檢查逐一排除。

（2）導水機構存在較大的機械摩擦。機械摩擦力可根據試驗方法計算得出，如機械結構存在較大的摩擦，可在機組檢修中檢查水輪機導葉、拐臂連桿及接力器活塞等機械結構，降低摩擦力。

（3）壓油管路存在較大的油壓損失。如管路油壓損失過大，會造成機組操作力矩不足，可在接力器開啟腔、關閉腔裝設壓力傳感器，檢測油壓損失。

（4）操作油壓不足。導水機構接力器應具有足夠的操作力矩，以克服任何工況下導葉上的水力矩和摩擦力矩。水力矩和摩擦力矩較大均會造成導水機構操作力矩不足，因此需現場實測操作油壓，對操作力矩進行校核，必要時提高壓油裝置最低整定值及額定油壓。

3 測試數據分析

3.1 測試原理

現場測定導水機構力特性時在接力器受油器的開啟腔和關閉腔裝設壓力傳感器，勻速緩慢地手動調節變速機構，使接力器活塞緩慢移動 （自零點至全開，而后又由全開至全關），同時記錄不同開度時兩腔油壓值。通過換算求出在導葉上作用的水力矩和摩擦力矩。

導葉水力矩產生的力Fr及導葉摩擦力矩產生的力FT計算公式如下

式中，S1、S2分別表示接力器開腔、閉腔油壓有效作用面積，cm2；P2.1、P1.1分別表示接力器開啟時活塞關腔和開腔油壓值，MPa；P2.2、P1.2分別表示接力器關閉時活塞關腔和開腔油壓值，MPa。

圖1 導水機構力特性試驗測量與計算方法示意

如圖1所示，每只導葉上作用的水力矩Mr和摩擦力矩MT可按下式計算

式中，DY、De分別表示控制環大、小耳銷分布圓半徑，cm；LP為導葉臂名義長度，cm；Z0為導葉數。

根據接力器活塞運動時力的平衡方程式可得出不同開度下所需接力器操作油壓計算公式

式中，Fg表示干摩擦在活塞上產生的阻力；S為操作油壓有效工作面積；ΔP表示從壓力油筒至回郵箱全部油路的總損失。

3.2 電站實測數據分析

實測數據時，機組首先按正常運行時的接力器壓油裝置油壓整定值4.0 MP開機并網至空載，手動勻速操作導葉調節機構調整負荷，使機組從空載至額定負荷再至空載。當導葉開度達到56.4%、機組有功功率為184 MW時調速器發卡現象出現，至導葉開度71.5%、機組有功功率269 MW時調速器發卡現象消失 （見圖2），期間導葉長時間拒動；然后，手動調節壓油裝置將額定油壓提高0.3 MPa，重復第一步的試驗過程，此過程中調速器未出現發卡現象 （見圖3）。

圖2 4.0 MPa時各測試參數波形

圖3 4.3 MPa時各測試參數波形

壓油裝置將額定油壓提高至4.3 MPa時，不同導葉開度下各測試參數數值、水力矩和摩擦力矩、操作油壓計算結果見表1。

從表1中可以看出，實測導葉開度為60%時，接力器開啟腔油壓達到4.3 MPa，關閉腔油壓為0.09 MPa，此時水力矩達到最大值，成為阻礙導葉向開方向動作的主要阻力矩，經計算，此工況下接力器所需操作油壓為4.2 MPa。

表1 不同導葉開度下各測量參數值及計算結果

4 處理措施

經過綜合分析及現場試驗，筆者認為，該電站4號機組目前接力器額定油壓及油壓最低整定值偏低，從而導致機組在高水頭運行時，某些負載工況時導葉拒動，調速器根據導葉反饋信號判斷導葉開度未發生變化后，發出調速器故障信號。操作油壓偏低是導致該現象頻繁發生的主要因素，提出解決措施如下：

（1）從實測數據分析，該機組摩擦力矩較大，可見該機組導水機構的機械結構存在較大的摩擦。建議檢修時檢查水輪機導葉、拐臂連桿及接力器活塞等機械結構，降低干摩擦力；改造導葉軸套結構，減小摩擦系數，降低摩擦力矩。

（2）在4號機組導葉、拐臂連桿、壓油裝置及管路等強度允許的情況下，建議主接力器最低油壓提高至 4.2 MPa，額定油壓值提高至4.3 MPa。經提高接力器操作油壓后，該機組調速器發卡現象消失，機組負荷調節正常，如圖4所示。

5 結語

在水輪機引水部件內，繞導葉的水流對導葉產生一定的作用力，作用導葉上的水壓力和水力矩與導葉的幾何參數和位置有關。為了正確的選擇導水機構接力器，計算導葉強度，設計導葉的傳動機構，必須獲得導葉在不同開度的水壓力和水力矩即導水機構力特性。

在水電站機組運行實際中，通過現場試驗等方法，合理分析導葉發卡的具體原因，正確地確定調速器的接力器容量，使其既不增加傳動機構零件應力，又能滿足運行要求，是一項對電廠安全、穩定運行至關重要的問題。

圖4 提高操作油壓后機組負荷調節過程

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