機組調速器壓油槽建壓方式優化研究及應用

唐順波

（重慶大唐國際武隆水電開發有限公司，重慶408506）

1 引言

通常水電廠壓力油罐氣壓主要由透平油和空氣以1：2的比例混合實現，機組檢修時需要將其中壓力排盡，而到了機組恢復措施時又需要對壓油罐打壓，由于壓油罐壓力比較大，建壓所需時間比較長，一般采用的方式是壓力油罐、事故油罐同時建壓，建壓前通常先給油罐注入一定的初始油位，避免建壓過程中管路進氣，在建壓到一定壓力時，將油位調整至標準油位即可。但是這樣的建壓方式存在很多不足，比如說一般的中壓空壓機不能長時間保持運行狀態，這樣會導致補氣中斷，大大加長壓油罐建壓時間。另外在什么壓力下開始補油至標準油位與最終的建壓時間有著密切的關系，通常的初始補氣油位都是隨意選擇，這很大程度上延長了壓油罐的建壓時間，而本課題通過數學建模研究得出機組調速器壓油槽建壓過程中最快速有效的方式，依靠這個模型結合實際提供了一種能夠準確計算初始補氣油位的算法，通過此算法獲得的初始補氣油位能夠一定程度上減少建壓所需要的時間，同時也能夠減少中壓空壓機因長時間運行可能造成故障的幾率。

2 關鍵技術問題

本課題所要解決的一個核心技術問題是根據實際情況建立一個數學模型，通過這個數學模型研究得出機組調速器壓油槽建壓過程中最快速有效的方式，根據建模后的理論分析，得出在什么樣的初始油位下建壓到什么樣的壓力時開始補油至標準油位。然后根據實際工作的需要，在保證不改變建壓過程中原有安全措施的情況下，通過對此曲線的理論分析從而得出最合適的建壓方式，本課題的重點在于通過理論分析確定在某個初始油位L初下需要補氣至某個壓強P1，最終在P1這個壓強下通過將壓油罐油位補至標準油位，使得此時壓油罐的壓強剛好達到額定壓強P。從而使得調速器壓油槽建壓時間降至最低，提高運行人員在機組檢修過程的工作效率。

3 參數獲取

通過查閱某水電站調速系統壓力油罐詳細的技術參數油罐圓柱體的實際長度L的計算方法。首先壓力油罐的簡易示意圖如圖1所示，由2個圓弧形的封頭和1個圓柱筒組成，想要計算出不同油位下氣體的體積需要知道中間圓柱體的實際長度，計算筒體長度L的過程中省去了安全閥凸出部分的體積、進人門凸出的體積。設中間筒體的長度為L、封頭的體積為V封、圓柱體直徑為D、圓柱體體積為V圓、壓力油罐總體積為V。

所以V=2V封+V圓

通過查閱壓力油罐設計參數知道壓力油罐體積V為12.5m3、封頭的體積V封為1.1257m3、圓柱體直徑為2m，所以得出L為3.26m。

圖1 壓力油罐示意圖

4 建立數學模型

調速器壓油槽建壓的過程中實際是空氣由一個狀態變為另一個狀態的平衡，對于理想氣體來說，是忽略分子間的相互作用力的，它符合克拉伯龍提出的理想氣體狀態方程：

這個方程有4個變量：P是指理想氣體的壓強，V為理想氣體的體積，n表示氣體物質的量，而T則表示理想氣體的熱力學溫度；還有一個常量：R為理想氣體常數。而實際上理想氣體并不可能存在，許多實際氣體，特別是那些不容易液化、凝華的氣體（如氧氣、氮氣等），在常溫下的性質已經十分接近于理想氣體。但是在實際建壓過程中由于壓強相對于大氣壓來說偏大，空氣的氣體常數是變化的，對于實際氣體，R與壓力、溫度、氣體種類有關。

在壓力不太高、溫度較高、密度較小的參數范圍內，按理想氣體計算能滿足一般工程計算精度的需要，使用理想氣體狀態方程就可以了，此時壓縮系數等于1。但是在較高壓力、較低溫度或者要求高準確度計算時，需要使用實際氣體狀態方程，在計量氣體流量時由于要求計算準確度較高，通常需要考慮壓縮系數。獲取氣體的壓縮系數主要有三種方法：查表法、計算法、實驗法，此處由于計算精度要求不高，采用查表法。表1是對于不同條件下空氣的壓縮系數：

表1 空氣壓縮系數表

取當時的建壓溫度為26.8℃，即300K，標準大氣壓（0.1MPa）下空氣的壓縮系數為0.9999，建壓到額定壓力6.3MPa時對應的壓縮系數為0.9903，由于是初略計算，我們可以看成建壓前后空氣的氣體常數沒有變化。實際的建壓過程是這樣一個過程：根據工作需要先給壓油罐一個初始油位，在該初始油位下給壓油罐補氣，補到一定壓力P1時（設此時氣體體積為V1），給壓油罐補油至標準液位1600（此時壓強剛好為額定壓力P=6.3MPa、氣體體積為V），由于n、R均為常數，此時氣體由一個狀態過渡到另一個狀態滿足：

由于建壓前后室溫變化不大，于是有：

額定壓力下壓油罐空氣的體積主要有壓力氣罐和油罐中除了油以外的體積，其中壓力油罐和氣罐的設計體積均為12.5m3，標準液位L額為1600（換算成高度為1.6m），而壓油罐實際的磁翻板安裝的最低處距離圓柱體底面0.7m，故此處的L額取2300，同樣的對應的初始液位的取值要在原來的基礎上加上700的修正值，即初始液位取0時，此時對應的L初取值應該為0.7，而壓力油罐機械表距磁翻板0刻度線的高度同樣為0.7m，實際的示意圖如圖2所示。

圖2 壓力油罐

所以可求得V：

得出V=16.64m3、P=6.3MPa。

設初始油位為L初，補油前的最終壓強為P1，則

可求出補油前氣體的體積V1：

由P1V1=PV可得：

5 驗證計算

通過MATLAB將上述公式轉換為曲線，曲線圖如圖3所示。由圖3可知，初始液位在0到1600這個區間內，初始液位越低，補油前建壓所需的壓力越低，因此，我們可以得出大概建壓指導，在盡可能低的初始液位下建壓到一定壓力后直接補油可以縮短建壓時間，具體的對應數值如表2所示，初始壓力為0時，只需要建壓到4.84MPa，即可開始補油到1600的液位，而如果初始液位為1600，則需要直接建壓到6.29MPa。因此如果沒有相應的工作要求，初始液位越低越好，但是考慮到實際工作，初始液位不能隨意取值，比如說，檢修工作中如果涉及到壓力油罐機械表校驗，需要在建壓時判斷是否存在漏氣，此時的初始液位應該在700以上，如果說沒有實際工作要求，可以將初始液位設為0，由圖2可知，磁翻板的最低液位都在壓力油罐出口閥之上，在這個液位下同樣可以保證管路在建壓過程中不會進氣。

圖3 初始液位與壓力關系圖

通過在實際建壓過程中的對比，采用上述建壓方式來建壓，很大程度的減少了機組壓油槽建壓所需要的時間，也從正面說明了該課題的研究是存在實際應用意義的。

表2 初始液位與壓力關系表

6 結論

通過以上論證，日常建壓時可以根據表2，選取合適的初始液位，在建壓到相對應的壓力后直接補油到標準液位1600，即可達到額定壓力，初始液位越低，所需要的建壓時間越少，考慮到建壓過程中會導致低壓空壓機頻繁啟動，而中壓空壓機啟動的時候需要停止建壓，因此，建壓過程中可以采用先只給壓力油罐建壓，在建壓到相應壓力需要動導、槳葉的時候給管路排氣，停止對壓力油罐建壓，開始對事故油罐建壓，由于事故油罐體積較小，同樣可以一定程度上降低建壓時間和中壓空壓機啟停次數。

該方法理論上適合所有水電廠壓油槽建壓，在不同電廠的實際應用中只需要知道調速器壓油槽相關的具體參數，套入模型中就可以有效減少建壓過程所需要的時間，為機組檢修流程中的其他項目騰出寶貴的時間，同時提高機組檢修期間運行人員的工作效率，推廣應用簡單可行。