大型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組導(dǎo)葉開閉曲線多拐點問題處理過程分析

梁明華，白學(xué)斌

(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001)

1 概 述

PatucaⅢ水電站位于洪都拉斯，裝有2臺單機(jī)容量為52 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，每臺機(jī)組配置1套可調(diào)式液壓調(diào)速器。在安裝工作結(jié)束后即開始調(diào)速器靜態(tài)無水調(diào)試工作，調(diào)試過程中有一個極為重要的環(huán)節(jié)，就是需要根據(jù)主機(jī)廠提供的機(jī)組調(diào)保計算書并通過調(diào)速器控制閥組來調(diào)整水輪機(jī)導(dǎo)葉的開閉速率，以保證機(jī)組后期運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。從導(dǎo)葉的關(guān)閉理論曲線可以看出(見圖1)，導(dǎo)葉關(guān)閉分為兩段速率(即設(shè)計規(guī)律只存在1個拐點)；這是為了平衡導(dǎo)葉關(guān)閉過程中流道內(nèi)壓力上升和機(jī)組轉(zhuǎn)速上升速率之間的關(guān)系，以保證機(jī)組的安全。但在實際調(diào)試過程中卻發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)葉的關(guān)閉曲線變成了3段(見圖2)；也就是說導(dǎo)葉實際關(guān)閉速率與調(diào)保計算書中的理論曲線不符，這就存在極大的安全隱患；更改調(diào)速器PID參數(shù)或調(diào)整節(jié)流閥的開度后，也出現(xiàn)同樣的情況；因此就考慮是機(jī)械硬件部分存在問題。

圖1 導(dǎo)葉關(guān)閉理論曲線

圖2 導(dǎo)葉關(guān)閉實際曲線

2 原因分析

水輪機(jī)調(diào)速器機(jī)械部分主要由主配閥組、比例閥、事故緊停閥、過速保護(hù)閥、兩段關(guān)閉閥、其他檢修閥組、液壓管路、回油箱、壓力油罐等組成。

液壓油路分為兩路：一路是主操作油路，另一路是控制油路；當(dāng)然油源均來自壓力油罐。主操作油路由壓力油罐出來經(jīng)過主配壓法、比例閥、事故配壓閥、進(jìn)入接力器。控制油路由壓力油罐出來再分為兩路：一路經(jīng)過過速保護(hù)閥進(jìn)入事故配壓閥作為其控制油；另一路經(jīng)過事故配壓閥，再分兩路出去分別進(jìn)入兩段關(guān)閉閥和接力器液壓鎖定閥(見圖3)。其中，主操作油管徑為DN80，控制油管徑為DN15(中間無變徑)。

圖3 原液壓油路示意(灰色線條為控制油管路)

理論上的導(dǎo)葉關(guān)閉曲線拐點是由兩段關(guān)閉閥組進(jìn)行調(diào)整的，則首先對兩段關(guān)閉閥組進(jìn)行研究。分析兩段關(guān)閉結(jié)構(gòu)時發(fā)現(xiàn)，兩段關(guān)閉閥的閥芯動作時，進(jìn)出油腔體較大且閥芯行程較長(約為35 mm)；這也就意味著兩段閥動作時短時間內(nèi)需要消耗大量的控制油。由于控制油管路直徑為DN15，因此初步判定兩段閥動作時，控制油管路內(nèi)的油量在兩段閥閥芯動作時消耗較大且得不到及時補(bǔ)充；這直接導(dǎo)致控制油管路內(nèi)的壓力會在兩段閥動作時短時間失壓(或者說欠壓)。

再分析事故配壓閥。由于事故配壓閥的控制油與兩段關(guān)閉閥的控制油管路共用，那么在兩段閥動作導(dǎo)致的控制油管路失壓時，事故配壓閥勢必會受到影響。這里用到的事故配壓閥屬于插裝閥(共4個單獨的閥芯分別控制主操作油的進(jìn)出)，其中4個主閥芯兩兩配對，并分別由控制油控制其上下動作(即閥芯開啟或關(guān)閉)；那么在事故配壓閥的控制油失壓時，其主閥芯會在彈簧力的作用下彈開(即閥芯打開)；此時接力器的事故油路也接通，這也就意味著正常回路在向接力器供壓力油的同時，又在兩段關(guān)閉閥動作時給接力器增加了一個操作油供油回路。分析其結(jié)果是：在兩段閥動作時，接力器會由于增加了一個供油回路，所以增加了供油流量和供油壓力，導(dǎo)致接力器加速關(guān)閉(即此時的導(dǎo)葉關(guān)閉速率比兩段關(guān)閉閥動作之前的要快，也就是圖2中的第二段折線)。

當(dāng)兩段關(guān)閉閥動作完成后，控制油管路壓力恢復(fù)，此時事故配壓閥回復(fù)其正常狀態(tài)；同時兩段關(guān)閉閥投入工作，限制主操作油流量，接力器按照預(yù)調(diào)整的速度接著完成剩余行程的關(guān)閉(即圖2中第三段折線)。

綜合上述分析得到的結(jié)論是：控制油管路管徑過小，滿足不了兩段閥動作時所需要的油量。初步考慮以增大管徑的方式來進(jìn)行補(bǔ)償，但為了保險起見(即防止返工)，又考慮將事故配壓閥和兩段關(guān)閉閥的控制油管路分開設(shè)置，徹底避免上述情況的出現(xiàn)；因此，處理此問題的方式就是改造原有管路。

3 管路改造方案的確定

根據(jù)前面的分析，決定將控制油管路更換成同材質(zhì)的DN25管材，并且將事故配壓閥和兩段關(guān)閉閥的控制油管路分開配置。根據(jù)現(xiàn)場情況，應(yīng)最大限度減小對已有管路的更改，決定將原有控制油管路進(jìn)入到兩段關(guān)閉閥的三通換為直管(即將兩段關(guān)閉閥隔開)；同時在主操作油供油管上增加變徑三通，由三通處重新配管直接接引至兩段關(guān)閉閥控制油口(見圖4)。

圖4 改造后的油路示意(灰色線條為變更部分)

現(xiàn)場實施步驟如下。

(1)系統(tǒng)泄壓并排油，施工區(qū)域設(shè)置安全警示標(biāo)識，設(shè)備上懸掛禁止操作的警示標(biāo)牌及設(shè)置鎖定裝置。

(2)搭設(shè)腳手架，拆除需變更部分的管路。

(3)根據(jù)現(xiàn)場情況及變更方案重新配管。管路焊接、壓力試驗、沖洗及回裝(注：由于調(diào)速器系統(tǒng)管路為中壓管路，焊接時建議采用氬弧焊的方式；且在焊接時向待焊管道內(nèi)通入氬氣以保證其焊縫內(nèi)部成型質(zhì)量)。

(4)移出現(xiàn)場施工材料、工器具、腳手架、施工區(qū)域清潔。

(5)系統(tǒng)充油、上壓觀察接頭處有無泄漏。

(6)按照原調(diào)試方案進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試，觀察導(dǎo)葉關(guān)閉曲線是否與理論設(shè)計曲線吻合。

(7)若實驗結(jié)果符合預(yù)期，則此次處理過程結(jié)束。

(8)需要準(zhǔn)備的設(shè)備及工器具主要有：等離子切割機(jī)、氬弧焊接、便攜式腳手架、角向磨光機(jī)、試壓泵、過濾循環(huán)沖洗泵、常規(guī)的工具包、力矩扳手、草酸、透平油、棉紗團(tuán)、其他需要使用的材料等。

4 處理結(jié)果驗證

按照上述過程對現(xiàn)場管路進(jìn)行改造并再次試驗后，得出的關(guān)閉曲線如下所示(見圖5)。從曲線上看，多出的拐點已不再出現(xiàn)，這也就證明問題處理的思路及方法是對的，后面僅需根據(jù)機(jī)組調(diào)保計算書中的導(dǎo)葉關(guān)閉曲線對實際導(dǎo)葉關(guān)閉曲線進(jìn)行精調(diào)即可。

圖5 改造后的導(dǎo)葉關(guān)閉曲線

5 結(jié) 語

水輪發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行既要依靠機(jī)組本體可靠的制造、安裝質(zhì)量，又要依靠合理的調(diào)速器控制方式；其中調(diào)速器系統(tǒng)涉及主機(jī)設(shè)備廠商及調(diào)速器供貨商(甚至部分閥組的外協(xié)件供應(yīng)商)等多

個方面，在前期設(shè)計要協(xié)調(diào)好這幾個方面的技術(shù)工作；如控制方式、系統(tǒng)設(shè)計、主要部件的結(jié)構(gòu)及工作方式等。只有結(jié)合好這些方面，才能夠避免現(xiàn)場返工并一次性達(dá)到設(shè)計的機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。