燈泡貫流機組動水重錘關機試驗設計與實施研究

姚建中

（中國電建集團海外投資有限公司，北京 100048）

1 概述

南歐江一級水電站位于老撾境內，為南歐江流域7個梯級水電站的最末一級，電站布置有4臺燈泡貫流式水輪發電機組，總裝機容量180MW，于2020年全部投產發電。根據運行需求，重錘作為燈泡貫流機組在調速器發生故障無法工作或者壓力油罐失壓時，通過重力關閉水輪機導葉的最后手段，水輪發電機組應進行動水重錘關機試驗，驗證重錘關機裝置能否安全、可靠的關閉導葉，從而使機組停機。

2 技術參數

機組主要參數如下。

機組型式：燈泡貫流式。

機組容量：45MW。

額定水頭：16m。

轉輪直徑：5850mm。

調速器工作油壓：6.3MPa。

重錘重量：約31t。

調保計算導葉關閉時間：第一段（100%～40%開度）關閉時長3.6s，第二段（40%～0開度）關閉時長7.2s。

空轉導葉開度：9%（H=17m）。

額定負荷導葉開度：約68%（H=17m）。

3 試驗方案設計

3.1 試驗原理

根據主機設備廠提供的《重錘關機原理》及《機組事故停機流程圖》，正常情況下，機組導葉通過調速器進行調節和關閉。本試驗通過相應的臨時措施，在重錘關機裝置投入關閉后，使導葉主配居中不動作，從而達到切斷導葉調節和關閉的油壓，導葉接力器開腔與調速器回油箱直接連通回油，導葉接力器關腔直接從調速器回油箱補油，導葉僅在重錘的重力作用下關閉，從而實現了在動水情況下，無油源關閉導葉即機組關機的測試。液壓原理圖如1。

機械過速保護裝置動作時，自機械過速保護裝置的壓力油控制重錘卸荷閥動作，插裝閥2開啟，插裝閥1關閉，卸除接力器開腔的油壓，接力器開腔與調速器集油箱直接相通。此時，接力器關腔即使失去調速器主配提供的油壓（如主配拒動），那么導葉也會在重錘的作用下關閉，關腔支管上的單向閥自動開啟，直接由調速器集油箱向接力器關腔補油，由重錘操作導葉關閉完成停機。重錘操作導葉動作的油流路徑如圖1中紅線所示。

圖1 操作油的正常路徑（藍色）與機械過速保護裝置動作時的路徑（紅色）

3.2 試驗設計

動水重錘關機的必要條件首先是機組在靜態情況下完成重錘關機裝置、機械過速保護裝置的調試，各項調試結果自動控制流程正常；機組完成甩負荷試驗，符合相關技術規范要求；另外，由于動水重錘關機試驗過程中僅由重錘作用關閉導葉，為了保證設備安全，調整機組事故停機程序，具有機組過速自動保護功能。

（1）根據機組甩50%、75%額定負荷試驗成果，轉速上升即達到125.7%和135.4%額定轉速，將轉速表上115%信號設定值調整為140%，避免調速器現地狀態下，由“轉速115%額定轉速+主配拒動”提前觸發“緊急事故停機令”，導致試驗失敗，同時具有過速保護功能。

（2）監控程序臨時屏蔽“重錘卸荷閥動作”引起監控程序“緊急事故停機”命令開出的“調速器緊急停機電磁閥動作”命令。

（3）臨時增加“電氣事故、機械事故、轉速140% Ne、轉速150%Ne 、轉速155%Ne”等信號，開出“調速器緊急停機電磁閥”信號。

動水重錘關機試驗首先進行靜水試驗，驗證重錘關閉導葉時間和調速器油壓關閉時間相近，確認試驗的可行性；然后依次進行空載狀態、小負荷試驗、大負荷試驗，逐步增加導葉開度試驗，以驗證試驗方案可靠性，并保證設備安全。

4 試驗步驟

4.1 靜水試驗

流道靜水時，在導葉不同開度情況下，測試重錘關閉導葉情況及時間測試。導葉開度給定分別設置為：9%（空載態開度）、47%（50%負荷開度）、70%（100%負荷）、100%（全開），啟動水輪機仿真測試儀錄波，試驗并記錄以下工況下導葉關閉規律如表1。

表1

經對試驗數據分析，純重錘關閉導葉時間和調速器液壓關閉導葉時間吻合，偏差較小，可以進行后續動水試驗。

4.2 機組空載態試驗

機組開機至空載態，運行穩定后調速器切入手動狀態，手動投入重錘卸荷閥，確認電氣控制程序正確（試驗過程中不投入關腔油壓）；監控LCU開出“緊急事故停機”命令，啟動停機流程，在調速器電氣柜上觀察導葉開度，當導葉開度無明顯下降時，手動投入調速器緊急停機電磁閥，確認導葉全部關閉，完成停機。試驗結果如表2。

表2

4.3 小負荷重錘關機試驗(4MW)

測試目的：試驗重錘關閉導葉。

機組正常開機帶負荷至4MW，運行狀態穩定后，調速器切入手動狀態，投入重錘卸荷閥，監控LCU開出“緊急事故停機”命令，跳開發電機出口斷路器、滅磁開關，啟動停機流程；在調速器電氣柜上觀察導葉開度，當導葉開度無明顯下降時，投入調速器緊急停機電磁閥，確認導葉全部關閉，完成停機。

圖2

表3

4.4 機組帶50%試驗(22.5MW)

機組正常開機至帶50%額定負荷，運行狀態穩定后，調速器切入手動狀態，投入重錘卸荷閥，監控LCU開出“緊急事故停機”命令，跳開發電機出口斷路器、滅磁開關，啟動停機流程，在調速器電氣柜上觀察導葉開度，當導葉開度無明顯下降時，投入調速器緊急停機電磁閥，確認導葉全部關閉，完成停機。

圖3

表4

鑒于老撾電網容量較小，調度中心未允許繼續增加負荷進行試驗，但所取得的試驗結果已可以驗證重錘可以在調速器失靈的情況下將導葉關閉，保證設備安全。試驗結束后，對機組進行詳細檢查，并將監控程序和定值設置恢復至正常狀態。

5 結語

（1）機組靜態調試和靜水純重錘關閉導葉的時間與機組實際運行狀態基本吻合，測試是動水試驗的必要過程和保證試驗安全的先決條件。

（2）試驗方案設計及臨時控制程序的設置既保證了試驗的有效性，確保了試驗過程中接力器關腔無油壓，實現了純重錘關機，同時考慮了多重自動、手動保護，保證機組可靠停機。

（3）重錘的重量是動水重錘關機的主要因素，在設備訂貨期間，應根據模式試驗結果，結合現場布置空間，詳細計算導葉關閉的水力矩和摩擦力矩，復核重錘的重量，并留有一定裕量，以保證燈泡貫流機組的運行安全。