水輪機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)時調(diào)節(jié)系統(tǒng)發(fā)卡原因分析與研究

常洪軍，陳守峰，張恩博，劉春林

（東北電力科學(xué)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110006）

1 問題的提出

某水電站4、5號機(jī)組調(diào)速器在60%～80%額定負(fù)荷區(qū)間向增負(fù)荷方向調(diào)節(jié)時導(dǎo)葉拒動，且頻繁出現(xiàn)調(diào)速器故障信號，需要現(xiàn)地手動復(fù)歸，此現(xiàn)象已存在多年，嚴(yán)重影響了機(jī)組的正常運(yùn)行，且多次查找原因未果。其中4號機(jī)組在上游水位404.5 m以上 （水頭超過113.5 m）、壓油裝置油壓在3.8 MPa以下經(jīng)常發(fā)生該故障信號；5號機(jī)組在上游水位413 m以上時經(jīng)常發(fā)生。目前，該電站4號機(jī)組已退出一次調(diào)頻。本文通過綜合分析機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)等多方面的因素，同時通過現(xiàn)場測試，徹底查找了該機(jī)組調(diào)速器發(fā)卡的原因，并給出了具體解決方案。

2 原因分析

通過對調(diào)速系統(tǒng)及導(dǎo)水機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的認(rèn)真分析，結(jié)合機(jī)組的運(yùn)行實(shí)際，總結(jié)導(dǎo)致機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)時調(diào)速器發(fā)卡的原因主要集中在以下幾個方面：

（1）調(diào)速系統(tǒng)故障。包括調(diào)速器電氣故障、調(diào)速器機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)失靈、油壓管路中存在氣泡或其他雜質(zhì)等。此類故障可通過現(xiàn)場檢查逐一排除。

（2）導(dǎo)水機(jī)構(gòu)存在較大的機(jī)械摩擦。機(jī)械摩擦力可根據(jù)試驗(yàn)方法計(jì)算得出，如機(jī)械結(jié)構(gòu)存在較大的摩擦，可在機(jī)組檢修中檢查水輪機(jī)導(dǎo)葉、拐臂連桿及接力器活塞等機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低摩擦力。

（3）壓油管路存在較大的油壓損失。如管路油壓損失過大，會造成機(jī)組操作力矩不足，可在接力器開啟腔、關(guān)閉腔裝設(shè)壓力傳感器，檢測油壓損失。

（4）操作油壓不足。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)接力器應(yīng)具有足夠的操作力矩，以克服任何工況下導(dǎo)葉上的水力矩和摩擦力矩。水力矩和摩擦力矩較大均會造成導(dǎo)水機(jī)構(gòu)操作力矩不足，因此需現(xiàn)場實(shí)測操作油壓，對操作力矩進(jìn)行校核，必要時提高壓油裝置最低整定值及額定油壓。

3 測試數(shù)據(jù)分析

3.1 測試原理

現(xiàn)場測定導(dǎo)水機(jī)構(gòu)力特性時在接力器受油器的開啟腔和關(guān)閉腔裝設(shè)壓力傳感器，勻速緩慢地手動調(diào)節(jié)變速機(jī)構(gòu)，使接力器活塞緩慢移動 （自零點(diǎn)至全開，而后又由全開至全關(guān)），同時記錄不同開度時兩腔油壓值。通過換算求出在導(dǎo)葉上作用的水力矩和摩擦力矩。

導(dǎo)葉水力矩產(chǎn)生的力Fr及導(dǎo)葉摩擦力矩產(chǎn)生的力FT計(jì)算公式如下

式中，S1、S2分別表示接力器開腔、閉腔油壓有效作用面積，cm2；P2.1、P1.1分別表示接力器開啟時活塞關(guān)腔和開腔油壓值，MPa；P2.2、P1.2分別表示接力器關(guān)閉時活塞關(guān)腔和開腔油壓值，MPa。

圖1 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)力特性試驗(yàn)測量與計(jì)算方法示意

如圖1所示，每只導(dǎo)葉上作用的水力矩Mr和摩擦力矩MT可按下式計(jì)算

式中，DY、De分別表示控制環(huán)大、小耳銷分布圓半徑，cm；LP為導(dǎo)葉臂名義長度，cm；Z0為導(dǎo)葉數(shù)。

根據(jù)接力器活塞運(yùn)動時力的平衡方程式可得出不同開度下所需接力器操作油壓計(jì)算公式

式中，F(xiàn)g表示干摩擦在活塞上產(chǎn)生的阻力；S為操作油壓有效工作面積；ΔP表示從壓力油筒至回郵箱全部油路的總損失。

3.2 電站實(shí)測數(shù)據(jù)分析

實(shí)測數(shù)據(jù)時，機(jī)組首先按正常運(yùn)行時的接力器壓油裝置油壓整定值4.0 MP開機(jī)并網(wǎng)至空載，手動勻速操作導(dǎo)葉調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)整負(fù)荷，使機(jī)組從空載至額定負(fù)荷再至空載。當(dāng)導(dǎo)葉開度達(dá)到56.4%、機(jī)組有功功率為184 MW時調(diào)速器發(fā)卡現(xiàn)象出現(xiàn)，至導(dǎo)葉開度71.5%、機(jī)組有功功率269 MW時調(diào)速器發(fā)卡現(xiàn)象消失 （見圖2），期間導(dǎo)葉長時間拒動；然后，手動調(diào)節(jié)壓油裝置將額定油壓提高0.3 MPa，重復(fù)第一步的試驗(yàn)過程，此過程中調(diào)速器未出現(xiàn)發(fā)卡現(xiàn)象 （見圖3）。

圖2 4.0 MPa時各測試參數(shù)波形

圖3 4.3 MPa時各測試參數(shù)波形

壓油裝置將額定油壓提高至4.3 MPa時，不同導(dǎo)葉開度下各測試參數(shù)數(shù)值、水力矩和摩擦力矩、操作油壓計(jì)算結(jié)果見表1。

從表1中可以看出，實(shí)測導(dǎo)葉開度為60%時，接力器開啟腔油壓達(dá)到4.3 MPa，關(guān)閉腔油壓為0.09 MPa，此時水力矩達(dá)到最大值，成為阻礙導(dǎo)葉向開方向動作的主要阻力矩，經(jīng)計(jì)算，此工況下接力器所需操作油壓為4.2 MPa。

表1 不同導(dǎo)葉開度下各測量參數(shù)值及計(jì)算結(jié)果

4 處理措施

經(jīng)過綜合分析及現(xiàn)場試驗(yàn)，筆者認(rèn)為，該電站4號機(jī)組目前接力器額定油壓及油壓最低整定值偏低，從而導(dǎo)致機(jī)組在高水頭運(yùn)行時，某些負(fù)載工況時導(dǎo)葉拒動，調(diào)速器根據(jù)導(dǎo)葉反饋信號判斷導(dǎo)葉開度未發(fā)生變化后，發(fā)出調(diào)速器故障信號。操作油壓偏低是導(dǎo)致該現(xiàn)象頻繁發(fā)生的主要因素，提出解決措施如下：

（1）從實(shí)測數(shù)據(jù)分析，該機(jī)組摩擦力矩較大，可見該機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)存在較大的摩擦。建議檢修時檢查水輪機(jī)導(dǎo)葉、拐臂連桿及接力器活塞等機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低干摩擦力；改造導(dǎo)葉軸套結(jié)構(gòu)，減小摩擦系數(shù)，降低摩擦力矩。

（2）在4號機(jī)組導(dǎo)葉、拐臂連桿、壓油裝置及管路等強(qiáng)度允許的情況下，建議主接力器最低油壓提高至 4.2 MPa，額定油壓值提高至4.3 MPa。經(jīng)提高接力器操作油壓后，該機(jī)組調(diào)速器發(fā)卡現(xiàn)象消失，機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)正常，如圖4所示。

5 結(jié)語

在水輪機(jī)引水部件內(nèi)，繞導(dǎo)葉的水流對導(dǎo)葉產(chǎn)生一定的作用力，作用導(dǎo)葉上的水壓力和水力矩與導(dǎo)葉的幾何參數(shù)和位置有關(guān)。為了正確的選擇導(dǎo)水機(jī)構(gòu)接力器，計(jì)算導(dǎo)葉強(qiáng)度，設(shè)計(jì)導(dǎo)葉的傳動機(jī)構(gòu)，必須獲得導(dǎo)葉在不同開度的水壓力和水力矩即導(dǎo)水機(jī)構(gòu)力特性。

在水電站機(jī)組運(yùn)行實(shí)際中，通過現(xiàn)場試驗(yàn)等方法，合理分析導(dǎo)葉發(fā)卡的具體原因，正確地確定調(diào)速器的接力器容量，使其既不增加傳動機(jī)構(gòu)零件應(yīng)力，又能滿足運(yùn)行要求，是一項(xiàng)對電廠安全、穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要的問題。

圖4 提高操作油壓后機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)過程

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