剖析金寨抽水蓄能電站導葉傳動保護裝置

羅國虎

（安徽金寨抽水蓄能有限公司,安徽 六安 237333）

1 概述

安徽金寨抽水蓄能電站項目位于安徽省張沖鄉境內，電站裝機4×300 MW，設計年發電量20.1億kW·h，年抽水耗電量26.8億kW·h，工程為一等大（1）型工程。電站樞紐工程主要由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房及開關站等組成。采用尾部式開發、兩洞四機布置。以兩回500 kV線路接入華東電網，具備調峰、調頻、調相、儲能、系統備用、黑啟動“六大功能”，在保障大電網安全、服務清潔能源消納、促進電力系統優化運行中發揮著重要作用。抽水蓄能機組導水機構作用是引導水流按一定方向進入轉輪，并通過改變導葉位置來改變流量，調整機組出力，并可靠的截斷水流。若該機構無法可靠、安全的控制水流，則會引起機組過速等，甚至會引發更大的設備事故，因此設置安全保護裝置是十分必要的。

金寨抽水蓄能電站（以下簡稱金寨電站）采用的傳動保護裝置有剪斷銷、導葉摩擦裝置和導葉限位裝置。如圖1所示，活動導葉軸頭上方設置導葉臂、端蓋、導葉鍵及摩擦裝置等部件。剪斷銷位于導葉控制環連板與導葉轉臂之間。設置的摩擦裝置一端通過加緊螺栓把合，另外一端與雙連板通過連接銷連接。每個導葉均設置可靠的導葉限位塊，導葉限位塊根據在最不利的工作條件下，可能施加到導葉限位塊上的最大水力矩和沖擊力來設計；限位塊在保護裝置動作的情況下，防止松動的導葉反向和轉輪及相鄰導葉相碰；限位塊采用減震墊保護。導葉限位裝置采用與頂蓋一體化的設計方式。

圖1 導水機構傳動部件結構示意圖

2 保護裝置主要結構部件

2.1 剪斷銷

金寨電站剪斷銷（見圖2）的材質為熱鍛圓鋼35CrMo合金鋼，半精加工后進行熱處理，抗拉強度≥980 MPa，屈服強度σ0.2≥835 MPa；硬度不大于229 HB；并要求外表面進行100%UT探傷，按GB/T 4162規定的A級驗收。剪斷銷安裝在連接板與導葉臂之間，剪斷銷中心部位盲孔里設置M20內螺紋孔，裝有剪斷銷剪斷檢測元件。剪斷銷的中間部位有個U型加工溝槽，是整個銷子受力的最弱點，要求對溝槽進行著色檢查，按NB/T 47013.5規定的Ⅱ級執行，線性缺陷不大于4.0 mm，圓形缺陷不大于4.0 mm且數量在評定框內不大于2個。

圖2 剪斷銷結構示意圖

剪斷銷設計試驗理論剪斷力為F=（1±10%）569 280 N，GE 公司另行制造剪斷銷試 樣（d1=Φ35±0.05 mm、d1=Φ35.2±0.05 mm、d1=Φ35.4±0.05 mm），并委托北京普匯恒達材料測試有限公司進行剪斷試驗。依據GB/T 13683-1992《銷剪切試驗方法》對金寨電站剪斷銷式樣進行了測試，測試結果見表1。

表1 剪斷銷式樣受力測試結果

根據以上試驗測試數據結果可以看出，剪斷銷試樣的受力不滿足設計要求，需增加受力截面直徑才有可能滿足設計要求。根據理論計算重新選擇了剪斷銷試件，最終確定直徑d=Φ37.03±0.05 mm。剪斷銷的剪切強度τ按一般取0.6～0.8屈服強度σ0.2的經驗公式，τ=501～668 MPa。根據τ=F/S，S=π(d-d2)/4。將最終確定的剪斷銷直徑代入公式中可以從理論上驗證剪斷銷直徑d=Φ37.03±0.05 mm的剪切力滿足35CrMo合金鋼材質剪斷強度要求。

2.2 摩擦裝置

金寨電站摩擦裝置由連接板、把緊螺栓、摩擦軸襯、導葉臂組成。設計時，根據導葉在正常旋轉范圍內承受的最大阻力矩（水力矩與軸頸摩擦阻力矩之和）來確定摩擦裝置的摩擦力矩，摩擦力矩取最大阻力矩的1.1 倍。確定摩擦力矩大小后，根據連接板結構尺寸，可初步計算連接板尾部的夾緊力。由于摩擦力大小與螺栓緊力有關，需使用專用的扭力扳手調整把和螺栓使其與導葉軸徑形成摩擦連接。同時運行過程中需要對該螺栓的進行檢測，防止螺栓松動造成摩擦力矩發生改變摩擦臂。摩擦環采用純銅結構制造（見圖3），采用ZG275-485H合金結構鋼制造而成，摩擦臂一側沿縱向開槽，采用雙頭螺栓抱緊在導葉軸頸上的摩擦環，另一側靠連接銷與雙連板鏈接，中間靠剪斷銷與導葉臂鏈接（見圖4）。

圖3 摩擦環結構示意圖

圖4 摩擦裝置結構示意圖

2.3 導葉限位裝置

金寨電站導葉臂為“Y”型叉頭結構，限位塊焊接在頂蓋上，在導葉全開或全關位置可以頂到頂蓋外緣，起到導葉限位的作用，保證導葉在摩擦裝置、剪斷銷同時失效后，旋轉位置不會超過正常旋轉范圍。設置非金屬材料墊塊起到震墊保護作用，非金屬材料板與限位塊之間保留5 mm 間隙，保證導葉在正常旋轉范圍內不與限位塊干擾。

3 工作原理

來自接力器的操作力通過推拉桿、控制環、偏心銷、連桿、連接銷、摩擦臂、剪斷銷、導葉臂、導葉鍵、導葉軸達到控制活動導葉開度的增大或減小的目的，同時摩擦臂又通過摩擦環導葉臂、導葉鍵達到控制導葉防止快速大幅度擺動的目的。導葉臂為“Y”型叉頭加上緩沖減震墊的結構，當導葉在全關或者全開的位置時頂在頂蓋的外緣處，可以有效的防止導葉的過關或者過開，起到限制導葉開度的作用。當相鄰導葉中間卡有異物或個別導葉摩阻過大時，剪斷銷剪斷，摩擦臂和導葉臂之間產生相對位移，摩擦環和導葉臂之間也產生滑動位移，致使活動導葉錯位。但此時摩擦環的摩擦力作用能有效控制導葉，發生錯位的活動導葉不會隨意快速擺動而碰撞相鄰導葉，避免導葉完全失控擴大故障。其余活動導葉則跟隨控制環繼續關閉，導水機構其他部件受到保護不至于被破壞。

4 導葉摩擦裝置試驗

隨機抽取3套導葉摩擦保護裝置在試驗臺上進行重復試驗，已得到準確一致性高的起始動作力矩，導葉摩擦裝置是以導葉保護裝置設計的起始滑動力矩來確定摩擦臂把合螺母的擰緊力矩，作為導水機構預裝和正式安裝時的摩擦臂把合螺栓的擰緊力矩，根據合同要求金寨電站導葉摩擦裝置需要進行摩擦力矩驗證。

4.1 試驗裝置

試驗裝置如圖5所示。

圖5 試驗裝置及試驗現場圖

4.2 實驗過程

將底座擺放在平臺上，根據底座上的孔進行擺放支座和擋塊。插入剪斷銷，把合導葉臂和連接板。按設計要求預緊把合螺栓同時測量螺栓的拉伸值，需注意的是每一個螺栓只能用于把合一個導葉臂，不能重復使用。將準備好的千斤頂頂在導葉臂小耳孔處的試驗工裝上。用百分表頂在導葉臂和連板上。用壓力泵給千斤頂加壓，泵的液壓缸通過叉頭對連接板施加力，逐漸提高壓力，當連接板與導葉臂發生相對轉動時記錄壓力值。重復上述試驗步驟3次分別記錄壓力值。測出導葉臂內孔與連接板銷孔距離，計算出摩擦力矩M。

5 結束語

金寨電站設備廠家對導葉剪斷銷、摩擦裝置和限位裝置進行專門的試驗，驗證了電站設計的剪斷銷、摩擦裝置的破斷力、摩擦力矩，符合合同及設計要求。剪斷銷、摩擦裝置及導葉限位裝置的多重保護的設置更好地保護了機組導水機構運行的安全與穩定。鑒于剪斷銷、摩擦裝置的重要性，建議在設備制造過程及出廠驗收過程中增加相關零部件的質量驗收環節。