大型燈泡貫流機組調速系統運行異響及振動原因探討

摘 要：本文針對當今亞洲第一，全球第二大的燈泡貫流式機組檢修后調速系統調試時產生異響及振動現象進行分析，確定分段關閉閥動作投入后節流明顯，同時回油管路較長是產生異響及振動的主要原因。

關鍵詞：調速系統 異響 振動 分段關閉閥 回油管路

江西省峽江水利樞紐工程位于贛江中游峽江縣巴邱鎮上游約6km，是一座以防洪、發電、航運為主，兼有灌溉等綜合利用功能的水利樞紐工程。該樞紐電站安裝9臺燈泡貫流式機組，單機容量40MW，為當今亞洲第一、全球第二大的燈泡貫流式機組，電站多年平均發電量11.42億kWh。樞紐工程于2009年動工，2013年9月第一臺機組發電，2015年4月9臺機組全部投產發電。其中9#機組為阿爾斯通水電設備（中國）有限公司產品，其水輪機控制系統采用南瑞集團公司生產的SAFR2000H型微機調速系統。本機組于2013年9月投產發電，2017年進行A級檢修工作，檢修時需將重要部件拆卸進行檢修，檢修完畢后尚需重新調試。本文針對9#機組調試時調速系統管路出現異響及振動現象進行分折，確定分段關閉閥動作后節流明顯，同時回油管路較長是產生異響及振動的主要原因。

1.問題的發現

此次9#水輪發電機組A級檢修目的是消除運行中出現的受油器操作油管密封老化失效后的漏油現象、轉輪室伸縮節密封磨損漏水現象，其它進行常規檢修；調速系統進行了油壓裝置機械部分、事故配壓閥、分段關閉閥解體體檢查、更換密封件，檢查未發現異常，按要求回裝。同時壓力油進行了凈化處理，油質符合GB11120-2011《渦輪機油》規定要求。

2018年1月5日，9#水輪發電機組A級檢修完成回裝后進行重新系統調試。先進行調速系統充油建壓，壓力從5MPa、10MPa、20MPa、40MPa到額定壓力，其間采用脈動操作向管路充油，操作導葉、槳葉作全開全關試驗，同時進行管路充油排氣。在調速系統在工作壓力狀態下，操作調速器檢查調速靜態特性曲線，當進行導葉全關閉試驗時，管路產生較大異響（90db左右），并伴隨強烈振動；由于機組在運行中緊急停機時，調速器是按照導葉全關閉進行操作，如果操作期間有異響及振動會對管路的安裝支架產生沖擊造成松動、管路的聯接法蘭密封磨損，造成法蘭聯接面滲油現象，不利安全運行。故電廠技術負責人員要求在調試中找出此異響及振動產生的原因，方可繼續進行下一步試驗，如能消除，則及時消除，如不能在此次檢修期內消除，則為下一步改進指明方向。隨后將此現象及時與廠家技術人員進行溝通，廠家技術人員認為此現象是由調速系統管路還存在有空氣造成，壓力油流動時帶動氣泡而產生異響及振動，需進一步加強操作，直至將系統管路中的空氣排完。而根據以往我公司調試經驗，正常狀態下管路充油全行程動作8次后，管路中的空氣基本排完，而前期充油建壓操作中，調速系統已動作頻繁，而同時在相同條件下進行導葉全開動作操作時，未發現異響，故不應是管路內因空氣原因產生的異響及振動。

為此，調速系統繼續按廠家建議進行反復操作導葉全開、全關試驗；同時按排調試人員進行現場排查，盡快找出異響源，經過現場反復地操作觀察，發現調速系統異響及振動均出現在全關閉導葉動作時的后段，根據原理，此時為分段關閥投入運行，故初步認為分段關閉閥組油流異常導致調速系統產生異響及振動。

2.設備原理

9#機組調速器機械液壓系統圖如圖1所示，分段關閉閥為調速器機械液壓系統的組成部分；分段關閉液壓原理圖如圖2所示。

分段關閉液壓原理如下：

（1）關機工況。快速關閉時電磁換向閥V1在彈簧的作用下處于右位，在控制壓力油的作用下液控閥V2處于左位，接力器開腔直接進調速器開腔，緩慢關閉時電磁鐵VD帶電，換向閥V1處于左位，在控制壓力油的作用下閥V2處于右位，接力器腔需經過節流閥進入調速器開腔，調節節流閥的開度可以調節關閉速度。

（2）開機工況。不管V2處于哪一位，調速器開腔能通過單向閥V3進接力器開腔，因此該裝置不影響開機速度。

3.設備參數

南瑞集團公司生產的SAFR2000H型微機調速系統，其微機調節器部分采用了貝加萊公司的PCC2005控制器為核心，機械液壓部分則選用了BOSCH公司的比例伺服閥作為電液轉換單元，ZFL-100/S作為主配壓閥，電源、控制模塊、傳感器、電液轉換等全部采用了雙冗余配置，且采用了第三方智能切換單元作為仲裁判斷，軟件部分則采用了南瑞公司專有的改進型并聯PID算法、雙微分算法等。

3.1調速器

（1）設備概況：電：電氣柜采用單套2005版PCC控制；機：機械柜采用標準ZFL/S系列自復中式主配壓閥。

（2）測頻方式：殘壓+齒盤。

（3）電源電壓及供電方式：交流：220v；直流：220v。供電方式：交直流雙重供電。

（4）人工轉速死區范圍：0-±10%。

（5）調節參數范圍：Bp：0-10；Kp：0.5-20；Ki：0-20；Kd：0-20。

（6）協聯方式：電氣協聯。

（7）電液轉換器：型號：博士力士樂0811404036；工作行程或額定輸出流量：6L/min。

（8）主配壓閥直徑：150 mm。

（9）額定油壓Pr：6.3Mpa。

3.2導葉接力器：采用對稱立式推拉桿結構布置

內徑：420mm；

活塞桿直徑：180mm；

行程：1406.8mm。

3.3分段關閉閥

閥芯內徑：150mm。

3.4導葉全開到全關關閉時間：7s；

導葉全開到全關分段關閉時間：15s（第一段5s，第二段10s）；

導葉全開到全關分段拐點：30%。

3.5引用標準

《渦輪機油》（G B 1 1 1 2 0 -2011）

《水輪機調速器與油壓裝置技術條件》（GB/T9652.1-2008）

《水輪機調速器與油壓裝置試驗驗收規程》（GB/T9652.2-2008）

《水輪機電液調節系統及裝置技術規程》（DL/T563-2001）

4.原因分析

通過導葉接力器運動的行程，計算出操作油的流量，通過運行時間，求得管路內的單位時間流量，計算出管內油平均的流速。

4.1分段關閉閥投入前平均流速

總流量：

經以上計算分析，分段關閉閥動作前后流速（1：27.47）及過流面積（137.33：1）變化均較大，分段關閉閥動作后節流明顯。

分段關閉閥動作后已通過的油因慣性仍按原速度運動，單位時間流量為Q1（0.05m3/s），而動作后的分段關閉閥過油單位時間流量為Q2（0.01m3/s），兩者相差較大，產生不平衡，分段關閉閥動作后產生負壓渦流，形成水錘效應；同時回油管路較長（分段關閉閥安裝高程為▽14.30m，回油箱安裝高程為▽38.75m，高差21.45m），無法及時回油消除管路負壓，由此產生異響及振動。

5.檢驗

通過以上計算分析，發現分段關閉閥投入前后流量變化較大，決定將分段關閉閥控制回路退出運行進行驗證，在正常壓力導葉全關閉行程操作。經過多次操作，調速系統管路均未在全關閉時發出異響及振動，由此證明分段關閉閥投入是異響及振動產生的原因，以上計算分析是正確，故需對此進行改進。

6.建議

由于9#機組分段關閉閥安裝高程為▽14.30m，回油箱安裝高程為▽38.75m，高差21.45m；中間通過管路相聯，造成回油管路較長，無法及時回油消除分段關閉閥后段管路的負壓，故導致調速系統在分段關閉時產生水錘效應，出現異響及振動。由于此次檢修工期即將到期，電站機組要及時歸調，在與電廠技術負責人協商，決定此次檢修期內不作處理；如要徹底消除由分段關閉閥投入運行時產生的異響及振動現象，建議下次檢修時縮短分段關閉閥與回油箱間的聯接管路，可參考相同閥芯直徑并已投運的湖南土谷塘航電樞紐工程的機組調速系統分段關閥安裝位置，如圖3所示。土谷塘航電樞紐工程機組調速系統分段關閉閥與回油箱高差不到3m，4臺機組投運近4年，調速器運行平穩，均未發現異響及振動，故縮短分段關閉閥與回油箱間的聯接管路合理可行。

參考文獻：

[1]南瑞集團公司，調速器隨機圖.

[2]湖南省水利水電勘測設計研究總院.土谷塘航電樞紐工程技術設計圖紙調整器管路布置圖，2015年5月.

[3]鐘象新.大型燈泡貫流機組定子空中翻身方案探討.水能經濟，2018年6月.