水力發電機組分段關閉裝置故障分析及解決方案

張華峰

摘要：文中所述電站裝有四臺軸流轉槳型式水輪發電機，是一座以發電為主，調峰調谷的水電站。考慮到電站調峰調頻，出力變化比較頻繁，為減小水錘對機組的不利影響，設置了機組導葉分段關閉裝置。下面簡要分析一下分段關閉裝置中節流閥的故障及解決方法。

關鍵詞：分段關閉裝置;節流閥;針塞

一、概述

該電站自1985年投產以來，一直使用JDST-150型調速器進行調節，由于調速器年代久遠，調節精度差，調速系統分段關閉裝置經常性發生故障，主要表象為一段關閉時間經常變化、分段關閉裝置不投入。

二、出現的問題

該電站水輪發電機組正常運行，由于晚上處于用電低谷，接到調度命令后，機組正常甩負荷，其余幾臺機組甩負荷后，機組轉速在調速器的作用下逐步恢復額定轉速，二號機組轉速卻迅速上升不見回落。最終事故配壓閥動作，事故停機。事后從錄像中觀察發現二號機在整個機組甩負荷過程中，調速環有相應動作，但是動作非常緩慢。

三、分段關閉原理

電網出現故障，機組突然甩負荷時，調速器應快速關閉導葉，經過一段時間的調節過程，機組恢復到空載開度。在調節過程中，水輪機的最高轉速值很重要，它影響到機組的穩定運行和使用壽命。為此，要求導葉快速關閉。在甩負荷的同時，由于導葉的快速關閉，過水系統流量會急劇變化，以致產生水擊，即形成最大壓力上升或最大壓力下降，從而影響過水系統的安全。目前，采用導葉分段關閉裝置來協調水擊壓力和機組轉速的躍升。甩負荷時，盡管導葉全關閉時間相同，但采用不同的導葉關閉規律時，產生的水壓和轉速上升率將不相同。理論分析表明，在一定的導葉關閉時間內，存在著一種使水壓上升率最小的導葉關閉規律，這種關閉規律稱為最優關閉規律，一般表現為一條不規則的曲線。雖然采用微機技術有可能實現最優關閉，但是，從保證可靠性出發，目前還是采用機械液壓分段關閉裝置來逼近最優關閉曲線。通常采用兩段折線關閉裝置，一般第一段關閉速度較大，第二段關閉速度較小。由于第一段關閉速度比直線關閉時的關閉速度大，對于降低轉速上升值有明顯的作用。同時，采用兩段關閉還可以減輕或防止軸流式水輪機組的抬機現象。眾所周知，拐點的位置對水壓和轉速上升值有很大影響，而該電站為軸流轉槳式機組，流量為455m?/秒。突然關閉導葉，水錘現象明顯，對機組也有較大的不利影響。通過調速器分段關閉裝置可以有效降低水錘現象對機組不利的影響，實現分段關閉的功能，則由調速系統的分段關閉裝置執行。根據一定的導葉關閉規律和一定的導葉關閉時間，接力器快速關閉至全關位置，經過自動調節過程，當機組轉速回復或接近甩負荷前的轉速時，接力器會打開導葉至空載開度，以逐步達到新的平衡工況。

該電站所使用的分段關閉裝置由分段關閉引導閥、分段關閉限位閥和裝有調整塊的扇形輪組成，通過調整調整塊，可改變分段關閉拐點位置。實現的裝置比較簡單，只需要在接力器開側的排油管上裝設一個節流閥。控制節流閥是否投入可以用電磁配壓閥啟動，也可以由機械裝置啟動。如當接力器行程到達一定的位置時，通過接在調速環上鋼絲繩的位移或者接力器上斜坡面或者凸輪推動連桿機構使節流閥投入，減小開側排油的管道截面面積，從而降低排油速度，導葉的關閉速度隨之減慢。通過調整限位閥上的螺母，進而調整接力器的后段（慢速）時間。截面越小，水錘越小，關閉時間就越長。反之也成立！原理圖如下：

四、故障分析

這次事故發生后，檢修人員結合機組當時的狀態對事故的原因進行了分析。關閉速度過慢，綜合考慮應該是開側接力器的排油口變小所致。檢修人員把分段關閉裝置相關部位拆開，發現事故是由于調速器的分段關閉裝置的引導閥的針塞滑動發卡，不能自由移動，當機組甩去負荷后，調速器一直處于第二段關閉狀態，致使接力器關閉導葉時間慢，機組轉速急劇上升。同時，發現引導閥針塞缸體內有較多雜質，經鑒定，為透平油內所含雜質。由于雜質的存在，不但針閥不能自由滑動，而且針閥和缸體各自的摩擦面也各有輕微劃傷。

五、解決方法

該電站2號水輪發電機組原來調速器運行了20余年，由于技術落后再加上運行時間太長，調速器磨損嚴重，精度也越來越差。首先需要將針塞取出，用透平油清洗干凈。用800#的砂紙進行打磨。確保針塞放入缸體后滑動自如。針對高壓油有雜質問題，在進油管前加裝一道細濾網，減少雜質對兩段關閉閥的影響。針對回復彈簧彈力可能偏小的問題，決定在回復彈簧的底座加上一個4毫米的墊片，增加動作時彈簧的壓縮量，以增大彈簧力，有利于關閉閥的回復。

為了使新調速器各部件與調速器更協調，工作更平穩，進行了全面的更換。包括油管、法蘭盤等。集油槽清洗干凈，透平油也重新過濾干凈，降低油中雜質含量。確保調整檢修后調速器穩定性安全性方面萬無一失。

六、改進后運行情況

對兩段關閉閥的改進后，機組經過一年多時間的運行，經歷多次甩負荷的工況，機組并沒有因為調速器的兩段關閉閥發卡而出現轉速超升的現象。這說明我們對兩段關閉閥的改進是有針對性的，是有效的。同時每過段時間都對透平油取樣化驗，隨時了解油質變化。經過對調速器的兩段關閉閥進行改進，避免了出現甩負荷后無法控制機組轉速上升而對機組造成的不必要的損害，確保了發電機組的安全穩定運行。

參考文獻

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