燈泡貫流式機組重錘關機異常原因分析及處理

陳國仕，黃 波

（1.湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410023；2.湖南省水電智慧化工程技術研究中心，湖南 長沙 410004）

1 引言

電站防止飛逸或限制飛逸轉速值的措施，有在進水口安裝快速閘門的，也有在進水管道上安裝進水球閥或進水蝶閥的。但這些方式對于燈泡貫流式機組都不適用，不僅造價高，實施起來也非常困難。在事故（緊急）情況下，燈泡貫流式機組通常由事故配壓閥切斷導葉主配油路，再由導水機構控制環關閉側設置的重錘形成的關閉力矩和導葉的自關閉力，來實現導葉關閉操作，完成緊急停機。

重錘關機裝置可通過系統自動或人為手動控制事故配壓閥來實現事故（緊急）停機。重錘關機裝置是燈泡貫流式機組作為防止機組飛逸的最后一道防護措施，該裝置必須運行穩定、安全可靠。

某燈泡貫流式水輪發電機組自2012年投產以來，一直不能正常地按設計完成重錘關機流程，存在著重大的安全隱患。近10年來，雖然多次對該裝置進行了一些處理和改造，也取得了一定的成果，但一直未能徹底消除該重大隱患。

2 分析與處理

2.1 重錘關機裝置工作原理

2.1.1 燈泡貫流式水輪發電機組關機方式

燈泡貫流式水輪發電機組的導水機構一般有兩種關閉方式，均可單獨完成關機操作。一是通過調速器導葉主配壓閥來進行關機操作；二是通過事故配壓閥（重錘）來進行關機操作。

事故配壓閥有手動、電氣自動和機械自動三種運行方式。手動方式主要用于調試過程中或工作人員發現運行機組異常且機組沒有自動停機的緊急情況；電氣自動方式主要是在事故配壓閥收到調速器事故低油壓故障信號或機組出現過速且調速器主配拒動的情況下；機械自動方式則是在機組轉速超過電氣過速限制并達到機械過速保護裝置動作值時，過速飛擺撞開機械過速保護裝置液控閥，直接控制事故配壓閥來實現關機。

2.1.2 重錘關機過程中油路情況

重錘關機也叫事故配壓閥關機。重錘關機動作時，事故配壓閥切斷調速器接力器開腔的壓力油源，阻斷調速器導葉主配壓閥開啟導水機構的通路；同時連通導葉接力器開啟腔至調速器回油箱的排油通路，將開啟腔的油排至回油箱。在導水機構關閉運動過程中，導葉接力器關腔產生負壓，利用該負壓打開連接回油箱的補油單向閥，將調速器回油箱的油補充到關閉腔，從而減少或消除關機運動過程中導葉接力器活塞產生的阻力。

2.2 重錘關機過程中的受力情況

重錘關機裝置能不能正常工作，其中一個重要的條件就是：關閉動力矩大于阻力矩，且要達到一定的量級。通常設計、制造單位對此做了充分的考慮和計算，但在制造和安裝過程中，由于各種誤差和問題的累積，可能導致阻力矩過大，關機動力矩不足，引發裝置運行異常。

2.2.1 主要動力

重錘關機過程中，導水機構的關閉動力，來自安裝在導水機構控制環關閉側裝設的重錘自重和導葉在水壓作用下形成的自關閉力。

2.2.2 主要阻力

重錘關機過程中，系統的主要阻力有：①兩個導葉接力器在運動過程中，會在活塞處產生一定的油阻力，該阻力不僅隨著補油速度的減慢而增大，也隨著排油通道的擁堵而增大；②導水機構的導葉軸套、導葉拐臂連桿的軸承摩擦阻力，該阻力隨著各部軸承、軸套的老化磨損而增大；③控制環與外配水環的摩擦阻力，控制環的鋼珠因受力調整不當，可能導致現場實際摩擦方式由設計的滾動摩擦變成滑動摩擦，使其阻力成幾何倍增，嚴重阻礙重錘關機；④導葉端面間隙超出設計值，產生額外的摩擦或刮擦，形成較大阻力；⑤導葉拐臂端面抗磨板磨損嚴重或間隙異常，造成阻力增大；⑥導葉接力器安裝位置出現偏差，對控制環產生偏離旋轉方向的分力，形成阻力；⑦控制環與導水機構外配不同心，控制環在旋轉過程中，受導葉連桿拉力和控制環運行間隙的變化影響，造成阻力增大。

圖1所示產生阻力的部位：①導葉端面；②導葉軸套；③導葉拐臂端面抗磨板；④導葉連桿軸；⑤導葉接力器軸；⑥控制環與外配滾動鋼珠。

圖1 導水機構剖面圖

其他主要阻力：⑦接力器內阻力；⑧接力器傾斜引起的分力阻；⑨其他未知阻力。

2.2.3 導水機構的不同結構對受力的影響

如圖2所示，不同廠家生產的導水機構，其重錘布置位置存在一定的區別：本機組（A）重錘到機組中心的力臂相對較短，部分機組（B）所示的重錘距機組中心相對較長，要形成相同的旋轉力矩本機組的劣勢非常明顯，要使重錘轉矩達到計算要求，并留有充足的裕量的話，本機組中的重錘質量就要做得更大一些。

圖2 兩種不同布置方式的導水機構

2.2.4 力系分析

重錘關機裝置要使導水機構轉起來的最基本的力學條件，就是動力轉矩大于阻力轉矩，即

說明：力系符號對應的力和等級詳見表1；力臂符號對應的力臂和力詳見表2。

表1 力系構成清單

表2 力臂清單

因該力系中很多力在運轉過程中不斷地發生變化，且空間變化很大，力系非常復雜。為便于在現場進行簡要力學估算，現將這些力簡化到以控制環為平面的平面力系中，對該力系中可調的關鍵受力進行分析：

動力分析：Fz（重錘）質量最大（約10 t）、力臂長，轉矩大，可通過增減鋼板的方式進行調整，需重點考慮；Fd（導葉自閉力）由機組自身性能決定，現場無法進行調整以及量化，本次受力分析忽略不計；

阻力分析：f①、f②、f③、f④因其阻力相對很小，且當f①、f②、f③出現問題時，導葉剪斷銷會被剪斷，正常情況下不會對機組導葉關閉造成影響，受力分析過程中可忽略；f⑤雖然力臂長，但力很小，轉矩小，可進行忽略；f⑨因其不明顯，對力系影響小，可忽略不計；f⑥（控制環約4 t）質量較大，力臂較大，正常滾動摩擦時轉矩就較大，當系統出現異常時，轉矩將成幾何倍增，該力大小直接受安裝調整質量影響，在受力分析中應重點考慮；f⑦接力器內阻力可大可小，力臂最大，f⑦受液壓油系統各閥組管路影響很大，當液壓油系統出現問題時，可完全控制導水機構的運動，應重點考慮；f⑧為接力器外阻力，隨著接力器的偏心值變大而增大，可通過調整進行處理，作為次要考慮對象。

由于重錘關機裝置不僅要滿足關機功能，還要滿足在規定時間內能順利完成關機。因此，我們在研究關鍵受力時，還需知曉合力矩M應有足夠的裕量。

根據：M/J=α

M：合力矩；J：轉動慣量；α：角加速度

可知：合力矩越大，角速度越快；轉動慣量越小角速度越快。

基于系統中轉動慣量不變，故要提高角速度，就得增大合力矩，即增大動力矩或減小阻力矩，或兩項同時進行。也就說，為滿足重錘關機的各項指標，關機動力應足夠大，而關機阻力則應盡可能的小。基于關機速度過快時，可通過事故配壓閥插裝閥①的調整螺桿進行調整，所以在力系分析和處理過程中，要在一定范圍內盡可能地提高合力矩M。

2.3 影響重錘正常關機的主要因素

通常動力和阻力在設計階段均已進行核算。當設備出現故障時，大概率是阻力部分出現問題。故在缺陷處理過程中，應優先對阻力部分進行處理。

當設備的阻力調整、處理到最優狀態時，會接近為一個常數，此時決定導水機構關機時間的力學因素就只有動力的大小了。若問題還存在的話，再對動力部分進行調整。由于導葉自閉力接近常數、不可調整，故當阻力問題解決后，可通過增加重錘的重量來改變導水機構的關機能力和關機速度。

通過對相關力系的分析發現，既可調整變化，又對力系影響很大的關鍵作用力有Fz、f⑥、f⑦、f⑧，其對應的設備為重錘、控制環（含鋼珠）、接力器及其液壓油系統（閥組、管路）。

根據分析結果，應先對控制環的同心度和鋼珠受力進行檢查調整，即對控制環壓板進行調整，使其與導水機構外配水環同心，且受力均勻；再對接力器及其液壓油系統（閥組、管路）進行處理，消除設備安裝制造過程中的問題；最后對重錘進行增加配重試驗。同時，由于復核和計算工作不影響現場的具體施工，成本較低，我們可以優先開展重錘質量的復核計算以及對調速器液壓系統的設計原理進行復核，查看是否存在計算和設計上的失誤。

2.4 處理方法和過程

2.4.1 重錘調整

經廠家設計人員多次復核計算，認為重錘重量符合要求。但為了證實阻力過大，2014年，對重錘進行了增加配重試驗，在增加到原重錘質量約1.6倍后，重錘關機正常，符合設計要求。

試驗證明，設備阻力過大，需進一步查明阻力過大的部位。

2.4.2 接力器及其液壓油系統檢查處理

從接力器的布置方向可以看出，關機過程中，接力器活塞排油側面積S1遠遠大于補油側面積S2，接力器運動過程中會形成較大阻力。

為解決這個問題，先將事故配壓閥中插裝閥①的閥芯壓緊彈簧縮短約15 mm，以減小回流油沖開閥芯的壓力，從而間接減小導水機構的關機阻力。試驗發現有一定的效果，但不明顯。

為進一步排除插裝閥①對排油速度的影響，經與廠家人員進行討論后，取消插裝閥①的彈簧，再次試驗。試驗結果：在導水機構全開位置時，重錘關機基本不能動作；在開度為85%的時候，導水機構在重錘作用下開始動作，但關機速度過慢，不能滿足事故停機要求；在導葉開度80%時，重錘關機各項指標滿足要求。

考慮到機組正常運行時，導葉開度極少超過80%，重錘關機裝置基本能保證設備運行。但是在正常運行時，事故配壓閥插裝閥①閥芯要保持關閉，取消彈簧后該閥只能保持全開。為確保插裝閥閥芯既能在正常運行時保持全關，又能在重錘關機時全開，廠家對事故配壓閥進行了改造，加裝了一個液控單向閥②，如圖3所示。

圖3 事故關機液壓系統圖（改造后）

在進行上述試驗時，還同步對接力器的安裝中心進行了測量調整（主接力器的調整量為15 mm，副接力器的調整量為4 mm）；并對控制環進行了檢查處理，更換了銹蝕和損壞的鋼珠。

至此，由于時間等因素影響，重錘關機異常問題的處理工作暫時告一段落。取得的最終成果為：導葉開度80%時，重錘關機運行正常，滿足要求。

2.4.3 控制環檢查調整

2022年5月，在該機組A修期間，檢修人員對控制環與外配水環的配合間隙進行了測量，其間隙情況詳見圖4，上下總間隙高達5.75 mm。數據顯示控制環與外配水環的間隙極不均勻，且控制環底部有下垂現象，存在嚴重變形。

圖4 控制環與外配水環間隙

根據測量檢查情況，檢修人員對控制環壓板螺栓的受力進行調整，以改變控制環相對外配水環的位置，使其間隙趨于均勻。調整完成后，順利完成了重錘關機試驗。在100%導葉開度下，重錘關機各項性能指標符合設計和國標要求。本次處理后，重錘關機異常的問題得到了徹底解決。

3 總結

基于該缺陷未出現在本電站的其他機組中，并結合整個缺陷處理過程得出以下結論：

造成本缺陷的原因是阻力過大，而造成阻力過大的根本原因是控制環與外配水環的同心度與受力調整不當。由于施工人員在安裝、調整時，未充分考慮控制環自重變形對現場安裝的影響，導致控制環一直處于橢圓的變形運行工況，其阻力相對于設計的滾動摩擦力大幅增加，阻力矩增大，合力矩M變小，最終造成重錘關機異常。