純機械過速保護裝置觸發后事故配壓閥不能及時響應的原因分析及處理

楊應武，吳書林

（阿壩水電開發有限公司，四川省成都市 610041）

0 引言

某水電站為混流式機組，裝機容量為3×40MW，水輪機額定轉速187.5r/min，飛逸轉速375r/min，額定水頭58.5m。水輪機調速器液壓系統由油壓裝置、主配壓閥、事故配壓閥、機械過速保護裝置組成。其中，機械過速保護裝置由圖拉博提供。水輪機過速保護主要有電氣一級過速保護、電氣二級過速保護以及機械過速保護。其過速保護響應順序為電氣一級過速保護114%（且主配拒動）→電氣二級過速保護142%→機械過速保護150%。

水電站1號機組在進行靜態模擬調試時發現，當機械過速保護裝置（下文稱：圖拉博）動作后，其事故配壓閥未能及時響應關閉導葉。從此現象可以判斷，機械過速保護裝置未能及時控制事故配壓閥關閉導葉。在實際運行中的機組若發生此現象，將會因導葉滯后關閉引起機組轉速迅速上升，甚至可能發生機組飛逸的現象[1]。如果不能徹底解決此問題，將會對機組的安全運行帶來較大隱患，本文將通過因素排查法，利用理論計算，查找問題的根源，介紹其處理方法，為同行參考。

1 原因分析

1.1 事故配壓閥工作原理

如圖1所示，正常情況下事故配壓閥P腔通入壓力油，O腔排油。同時，壓力油罐常壓油經機械過速裝置及事故配壓閥電磁閥3→2腔，進入事故配壓閥下腔R腔推動活塞向上移動。此時事故配壓閥只是串接在調速器主配壓閥到導葉接力器的控制油路中，即D→C與B→A各自相通，確保油路暢通。

圖1 調速器液壓系統圖Figure 1 Hydraulic system diagram of governor

當機組甩負荷時，如果調速器發生故障，事故配壓閥電磁閥動作，此時事故配壓閥R腔泄油回路為1→4→5；當機械過速動作時，其事故配壓閥下腔泄油回路為1→2→3→6→7，此時R腔油路切斷同時排壓，事故配壓閥上腔油壓推動活塞向下移動，切斷主配壓閥控制導葉開關的油路。與此同時事故配壓閥壓力油腔P→接力器關腔C，事故配壓閥排油腔O→接力器開腔A，從而使壓力油進入導葉接力器關閉腔，使接力器迅速關閉，實現機組過速狀態下的緊急停機[2]。

1.2 原因分析

根據工作原理可知，機械過速保護動作后，事故配壓閥通過下腔與回油管接通，活塞下移切斷主配壓閥，連通接力器開關腔實現導葉關閉，確保機組得到保護。當出現響應時間滯后，造成不能及時關閉導葉的主要原因有如下幾點：

（1）活塞與活塞缸出現卡阻現象。當圖拉博動作后，在活塞上下油腔形成了油壓差，如果活塞有卡阻現象時，上腔油壓不能及時推動活塞下移，將會遲緩事故配壓閥的動作時間。

（2）壓力油油質差造成事故配壓閥內部油孔有堵塞。如果事故配壓閥內部油孔有堵塞現象，當圖拉博動作后，由于油路不暢通，供油或泄油不及時均會延緩事故配壓閥動作時間。

（3）圖拉博油路不暢。由于圖拉博控制油和回油油路均與事故配壓閥連接，因此，圖拉博動作后如果其油路不暢通仍然會延緩事故配壓閥動作時間。

（4）泄油管路設計偏小。如果泄油管路直徑偏小，將會造成泄油流量受限，致使泄油不暢，依然會影響事故配壓閥活塞動作時間。

1.3 原因排查

根據上述原因分析，技術人員按照因素排除法，逐一對可能產生的原因進行了檢查、試驗。

（1）檢查之前對3臺機組機械過速保護裝置進行測試，當圖拉博動作后，1、2、3號機組導葉關閉響應時間分別為5.68s、5.12s、6.2s?？梢钥闯觯?臺機組均有事故配壓閥不能及時響應的現象。

（2）直接手動將機組事故配壓閥事故停機電磁閥投入，事故配壓閥及接力器動作響應時間均小于1s，滿足廠家技術文件要求。經過電磁閥動作試驗，可以判斷，事故配壓閥本體活塞并無卡組現象，事故配壓閥內部油路暢通。

（3）對機械過速裝置的油路進行檢查。分別對常壓管路Q、控制油管路A和泄油管路O接入0.7MPa壓縮空氣進行吹掃檢查。檢查未發現油管路有任何堵塞及無雜渣現象，管路通氣正常。從感官上觀測，3支油管路出氣量基本一致。

（4）將圖拉博拆除返廠檢測。根據廠內動作試驗，圖拉博本體動作正常，反應及時，油路暢通。

（5）通過對電磁閥、管路及活塞檢查、試驗結果分析，電磁閥動作正常、連接油管路暢通、事故配壓閥活塞無卡組現象，圖拉博油路暢通，設備本體無異常。因此，需要對事故配壓閥與圖拉博相連的泄油管路進行核算。

2 泄油管路核算

從事故配壓閥運動結構看，如圖2所示，活塞行程為25mm，上下端面有效受力面積分別為S1=35.04cm2、S2=50.24cm2，壓力油油壓為P=4.0MPa，下腔R油管路為φ10×1mm銅管。筆者認為，通過變水頭孔口出流計算方法可以驗證管路設計是否合理。

圖2 活塞運動結構模型圖Figure 2 Model diagram of piston motion structure

2.1 計算泄油管嘴橫截面積S3

式中S3——泄油管嘴橫截面積，m2；

d——泄油管嘴直徑，m；

π——常量，一般取3.14。

2.2 計算活塞下移時間t

根據變水頭孔口出流計算式[3]：

式中t——活塞下移時間，s；

H——活塞下移行程，m；

S2——活塞下端面積，m2；

S3——泄油管嘴橫截面積，m2；

g——常數，重力加速度，取10m/s2；

μ——常數，圓柱形外管路的流量系數，取0.82。

根據計算結果看，與3臺機組實測值偏差均不大于1s，考慮測量誤差因素，基本符合事實。可以初步判斷，其泄油管路直徑設計偏小。

2.3 泄油管管徑核算

按照廠家技術文件要求，事故配壓閥響應時間不應大于1s。即tˊ≤1s，此時按照式（2）可計算出泄油管的直徑。

解得：

式中′——泄油管嘴核算橫截面積，m2；

H——活塞下移行程，m；

S2——活塞下端面積，m2；

t′——活塞下移時間，設1s；

g——常數，重力加速度，取10m/s2；

μ——常數，圓柱形外管路的流量系數，取0.82。

根據泄油管嘴核算橫截面積，計算核算后管路直徑d′：

解得：

式中d′——泄油管直徑，cm；

S3′——泄油管嘴核算橫截面積，m2；

π——常量，取3.14。

根據上述原因分析可知，機械過速裝置泄油管路管徑偏小造成了事故配壓閥泄流不暢通，不能及時向下移動活塞關閉導葉?，F場測量事故配壓閥及過速裝置控制油管接口尺寸均為G28管螺紋，因此可將所有控制油管改為?28×3不銹鋼管。經更換后，模擬試驗機械過速動作試驗，導葉關閉響應時間小于1s，滿足要求。

3 結束語

在機組調試過程中，靜態模擬試驗時，試驗人員關注的是機械過速保護裝置動作靈敏度及事故配壓閥關機時間。動態試驗時，一般機組轉速上升至試驗轉速時為了保證機組安全，試驗人員都會立即手動關閉導葉至全關，然后檢查機械過速裝置和事故配壓閥是否正確動作。因此，機械過保護裝置動作后事故配壓閥的響應速度經常被忽略。本文以某水電站1號機組為例，更多關注了保護動作后事故配壓閥的響應速度問題，簡要介紹了水輪機機械過速保護裝置動作后，事故配壓閥不能及時響應的原因和處理方法，為同行技術人員提供一些借鑒經驗。