某水電站高壓油裝置停機切泵原因分析及邏輯優化

李雨通，黃郭明，蘇緯強，王秀梅

（二灘水力發電廠，四川 攀枝花617000）

0 前言

某大型水電站作為國家西部大開發戰略的標志性工程，安裝了4臺15萬kW軸流轉槳式水輪發電機組，總裝機容量60萬kW。每臺機組皆配置1套高壓油控制系統，采用PLC控制，以實現對高壓油頂起油泵的自動控制。對水輪發電機組而言，推力軸承負荷較大，當機組轉速較低時，推力瓦與鏡板間油膜較薄摩擦偏大，容易出現半干摩擦的危險情況[1]。因此，在開停機過程中，利用高壓油泵向推力瓦與鏡板之間注入高壓油從而形成油膜，可以有效避免瓦面與鏡板之間非潤滑轉動所造成的意外磨損，并且還有傳遞負荷的作用[2]。某大型水電站自投產以來，機組在停機過程中易發生高壓油切泵現象，會造成切泵瞬間油壓突降為零，對機組的安全穩定運行帶來一定隱患。

1 高壓油泵停機切泵原因分析

1.1 高壓油頂起裝置結構介紹

某大型水電站高壓頂起裝置系統由東方電機設計并制造，高壓油減載裝置采用雙泵冗余配置，油泵采用全封閉電機驅動，以維持軸瓦表面恒定油膜所需壓力，系統采用PLC控制實現主備切換。在機組啟動、停機過程中高壓頂起裝置投入工作，高壓油泵將取自下導推力油盆流經過濾器的潤滑油加壓，經過濾器、溢流閥、逆止閥等輔件，將穩定壓力的高壓油[3]由20塊推力瓦中心的注油孔注射到推力瓦與鏡板之間，形成穩定的油膜以防止機組在低轉速的情況下推力瓦磨損嚴重。高壓油頂起裝置系統如圖1所示。

圖1 高壓油頂起裝置系統圖

1.2 停機切泵分析

高壓油泵啟停流程為：機組啟動時，在發出調速器啟動令之前，投入高壓油頂起系統，當機組轉速增至≥90%Nr時切除；機組停機時，當機組轉速降至90%Nr時投入高壓油頂起系統，當機組轉速減至≤1%Nr時切除。同時，高壓油頂起系統開關量定值分別為：油泵出口壓力達7MPa、高壓油總管壓力達5MPa時接點閉合。但自某大型水電站機組投產以來，每臺機組在停機過程中，當機組轉速降至90%Nr投入高壓油頂起系統時，油泵出口及高壓油總管壓力均在2.6MPa～3.0MPa之間，導致高壓油泵自動由主用泵切換至備用泵運行。當機組轉速緩慢降至50%～70%Nr時，高壓油總管壓力升至5MPa以上。此種現象有些學者認為機組由停機到開機時，推力軸承承受壓力為靜壓力，高壓油泵建壓較容易，當由開機到停機時，鏡板因在旋轉，產生動摩擦，此時建壓較難。同時鏡板和推力瓦之間已有一層油膜，雖然壓力未達到定值，并不影響推力瓦的潤滑及散熱[4]。

為進一步查明高壓油泵在機組停機過程中，建壓失敗導致切泵的原因，選取了機組停機時有功功率、高壓油總管壓力、抬機量、導葉開度以及轉速比5個參數，進行分析，橫坐標為停機過程具體時刻，縱坐標為參量數值，為滿足各參數曲線集中分布，對各參數單位進行縮放調整，實現歸一化目的。具體曲線分布圖，如圖2所示。

圖2 停機高壓油泵切泵時相關參數曲線圖

由圖2可知，機組在停機過程中，當機組轉速降至90%Nr時投入高壓油頂起裝置，由于高壓油泵超時未建壓，造成切泵，高壓油總管壓力瞬間為0，整個過程中，不難發現機組抬機量突增，隨著轉速下降，抬機量降低，高壓油壓力逐漸增大。所以造成停機過程中，高壓油泵不能正常建壓的主要原因是，當導葉達到全關位置時，機組轉速約降至85%Nr，導葉全關時機組仍按水輪機方向旋轉的運行工況，實質上是一種反水泵工況，反水泵工況引起的水泵升力及轉輪室因存在真空導致的水錘力，均會產生一種負軸向力[5]。機組旋轉部件受到方向向上的軸向水推力，抬機量突增，導致鏡板被抬高，與推力瓦形成一定的間隙。高壓油流入推力瓦瓦面和鏡板之間的間隙，由于間隙變大，壓力很快被釋放，導致壓力僅有2.0MPa左右。隨著真空破壞閥向轉輪室補氣，破壞其真空度，加之機組轉速下降，軸向水推力逐漸減小，抬機量減小，鏡板和推力瓦的間隙也隨之變小，在間隙變小和機組轉速降低的共同作用下，推力瓦和鏡板之間高壓油流動速度也變慢，導致壓力釋放較慢，從而使得高壓油壓力升高。

所以，機組停機時，水推力作用是造成高壓油頂起壓力值偏小的主要原因，由于某大型水電站發電機高壓油頂起系統油泵切換功能不可逆，當主用泵切換至備用泵后，若備用泵故障或管路滲漏導致壓力低，高壓油頂起系統均無法正確判斷，只能持續由備用泵運行直至機組轉速減至≤1%Nr時切除，對機組的安全穩定運行帶來一定隱患。鑒于此，需將高壓油控制系統邏輯優化，避免其停機切泵發生。

2 邏輯優化

2.1 高壓油控制系統邏輯解讀

高壓油頂起裝置控制方式有手動、自動和切除3種。控制方式選擇切換開關置于“手動”運行時，在現地控制柜上通過按鈕直接啟/停油泵并閉鎖自動控制命令的輸出；當切換開關置于“切除”位置時，相應高壓油泵退出運行；置于“自動”控制方式時，監控系統通過通信方式遠方啟/停高壓油泵，正常運行情況下，控制方式設置在“自動”控制方式。該電站機組無論是開機流程中還是停機流程中，所調用的高壓油裝置啟動程序都是相同的。計算機監控系統下達啟動令后，高壓油控制系統完成啟動步驟如下：

（1）監控系統判斷高壓油裝置在自動方式且無報警，具備最小開機條件，當下達高壓油控制器PLC啟動令，高壓油控制器PLC啟動主用泵，10s內判斷高壓油減載裝置正常運行完成，如圖3所示。

（2）若高壓油泵無過載以及接觸器故障，則PLC在10s內，將根據總管壓力開關以及支管壓力開關的壓力接點到達情況，進行切泵條件判定。若總管壓力開關接點未閉合、支管壓力開關的壓力接點也未閉合，則進行泵的主備切換。若泵切換至備用泵后，如在10s內，仍未建壓，則不會進行第二次切泵，將維持現泵運行，并會進行機組高壓油系統未建壓報警。

2.2 高壓油控制系統邏輯優化

圖4 高壓油泵主備切換邏輯

考慮到某大型水電站開機過程中并無高壓油泵切泵現象發生，切泵現象只在機組停機過程中發生，且自某大型水電站機組投產以來，每臺機組在停機過程中，當機組轉速降至90%Nr投入高壓油頂起系統時，油泵出口及高壓油總管壓力均在2.6～3.0MPa之間，當機組轉速緩慢降至50%～70%Nr時，高壓油總管壓力升至5MPa以上。為解決此問題，現對機組停機過程中高壓油泵切泵邏輯進行優化，修改高壓油頂起總管油壓報警判據，即當轉速在50%～90%Nr時，壓力判據為 2.5MPa，當轉速在50%Nr以下時，壓力判據為5MPa。具體步驟如下：

（1）在機組現地LCU開出量中，將新增DO點“N機組開機流程執行中（秒脈沖）”，并將脈沖信號送至高壓油控制系統PLC。且機組下位機開機流程中，在下發“啟動高壓油系統”前，增加機組LCU下發開機流程執行中脈沖給高壓油系統的程序段。實現開機流程與停機流程的選擇功能。

（2）在機組測速裝置中，修改其參數配置，將“機組轉速＜50%Nr”接入高壓油控制系統PLC中。

（3）啟用機組高壓油系統總管壓力開關備用接點，將主接點設定整定值為5MPa、備用接點整定值為2.5MPa，并將備用接點接入PLC。

（4）修改機組高壓油控制系統PLC程序，在停泵程序段加入轉速信號及總管壓力信號。

通過邏輯優化，可以成功避免某大型水電站機組停機過程中高壓油泵切換的現象。如圖5及表1所示列舉了機組在非開機流程過程中，且“機組轉速＜50%Nr”未到達時，1號、2號高壓油泵油壓未建立的切泵判據，即壓力值小于2.5MPa。

圖5 高壓油泵非開機流程部分切泵程序段

表1 高壓油控制系統PLC變量解釋

3 結論

本文對某大型水電站停機過程中，高壓油頂起裝置切泵原因進行分析，并有效地對高壓油頂起裝置控制系統控制邏輯進行優化，得到如下結論：

（1）軸流轉槳式水輪機組在停機過程中，高壓油頂起裝置切泵的主要原因是，當導葉全關時，機組旋轉部件受到方向向上的軸向水推力，造成推力瓦瓦面和鏡板之間的間隙瞬間變大，導致高壓油泵向推力瓦面注油出力降低，規定時間內壓力未達到整定值，使得主備泵切換。

（2）為避免機組停機過程中高壓油泵主備切換，引入推力瓦燒毀的不安全因素，在高壓油控制系統邏輯中，對機組開、停機狀態進行判斷，進而選擇對應的高壓油啟動控制程序，采用不同的壓力整定值作為判據，可成功避免機組停機過程中高壓油泵主備切換引發的安全隱患。