淺析非同步導葉動作時油罐油壓下降快原因

李永紅，張 鑫，高冠群，劉 肖

（河北張河灣蓄能發電有限責任公司，河北 石家莊 050300）

1 引言

張河灣抽水蓄能電站位于河北省石家莊市井陘縣測魚鎮附近的甘陶河干流上，安裝4臺單機容量250 MW的單級混流可逆式水泵水輪機組。機組共有20個導葉，其中包含4個非同步導葉，非同步導葉有單獨并列運行的2個操作壓力油罐、接力器及油管附件等，壓力油罐內部安裝有一定壓強的氮氣氣囊。當油泵向油罐打油時會壓縮氣囊使油壓升高并達到額定油壓，為開關非同步導葉提供動力。

2 4號機組非同步導葉操作壓油罐油壓變化介紹

張河灣機組在發電啟動過程中需要開關非同步導葉一次，即在機組轉速50 %時非同步導葉打開令發出，當負荷升至100 MW時非同步導葉關閉令發出。2019年2月7日，4號機組發電啟動過程中在非同步導葉關閉階段，操作壓油罐油壓下降時觸發油壓低報警（低于10 MPa時報警，低于9 MPa時跳機）。4臺機組的非同步導葉開度設計均相同，即每臺機組的3號、13號非同步導葉開度為5°，4號、14號非同步導葉開度為15°，所有不管是在開啟還是在關閉過程中所用油量是相同的，假設4臺機組非同步導葉壓油罐的初始油壓相等或接近，那么非同步導葉在開、關階段的油壓下降幅值應該接近。因為1號機組壓油罐的油壓初始值與4號機組的非常接近，所以對1、4號機組非同步導葉壓油罐的油壓-負荷曲線進行對比，如圖1、圖2：

圖1 1號機組非同步導葉油罐油壓-負荷曲線

圖2 4號機組非同步導葉油罐油壓-負荷曲線

通過對比1、4號機組在發電啟動過程中非同步導葉壓油罐的油壓變化，發現4號機組不管是在非同步導葉打開還是在關閉階段，壓油罐的油壓下降幅值均比1號機組大且在關閉階段油壓下降幅值最大，由于4號機組非同步導葉壓油罐的油壓值已經觸發二級報警，所以找到壓油罐油壓下降快的原因并及時消除迫在眉睫。

3 壓油罐油壓下降快原因分析及試驗結論

隨后在現場開展相關的試驗，將1、2、4號機組非同步導葉壓油罐的初始油壓均調整為13 MPa，啟動一臺打壓泵打至16 MPa，用時為T，通過對比打壓時間如下：

1號機組：T1=34 s

2號機組：T2=33 s

4號機組：T4=17 s

從打壓時間可以看出4號機組的打壓能力均比其他機組強，而造成該現象的可能原因有兩個：一是1、2號機組在打壓過程中可能某個部位存在內漏或者油泵打壓能力下降，導致打壓時間較長；二是4號機組壓油罐只需補充極小的油量即可達到對應的油壓值，這種情況出現的原因要么就是只有一個壓油罐在運行，要么就是油罐的氮氣體積減小。

3.1 對打壓過程中可能存在內漏和油泵打壓能力進行分析試驗

3.1.1 對打壓過程可能存在的內漏的分析

假設4號機組的打壓是正常，1號機組存在內漏，則在導葉打開和關閉過程中1號機組的壓降要大于4號機，但從圖1、圖2的對比分析中可以得出：1號機組開非同步導葉的壓降為1.5 MPa，關非同步導葉的壓降為2.3 MPa；4號機組開小導葉的壓降為1.9 MPa，關小導葉的壓降為 5.8 MPa。

所以可以排除1號機組小導葉打壓過程中內漏的可能（2號機組的趨勢和1號機組相同）。

3.1.2 對油泵打壓能力的分析

目前每臺機組的非同步導葉壓油罐均配有一主一備2臺油泵，通過現場對1、2、4號機組的6臺油泵單獨建壓的能力看，1、2號機組的4臺油泵建壓能力相同，建壓時間在33～36 s之間，4號機組的2臺油泵建壓能力相同，建壓時間在17～19 s之間。

從以上的統計看1、2號機組的4臺油泵不可能同時出現建壓能力下降的情況，所以可以排除油泵打壓能力下降的可能。

3.2 對只有一個壓油罐在運行情況進行分析試驗

對4號機組非同步導葉的2個壓油罐進行打壓試驗，首先關閉1個壓油罐的主油閥，對另一個壓油罐進行打壓試驗，發現單個油罐從13 MPa到16 MPa的打壓時間相同，約為10 s左右，則說明一臺泵對2個壓油罐從13 MPa到16 MPa所用的打壓時間應該在20 s左右，該打壓時間與之前的17 s比較接近，所以可以確定2個油罐均處于正常運行狀態。

3.3 對壓油罐的內氣囊氮氣減小的情況進行分析試驗

通過現場試驗，1號機組非同步導葉壓油罐從油壓為零建壓到油壓表發生明顯變化用時約13 min，同樣條件4號機組油壓表發生明顯變化用時約17 min，而1、4號機組油壓罐的體積均相等。從該現象可以得出，4號機的油壓罐內儲油的體積比1號機組油壓罐大，但是要想儲油體積大只能是氮氣氣囊體積變小，即氣囊內氮氣量減少。為了更進一步驗證是氣囊氮氣量減少，進行如下兩方面分析：

首先通過理想氣體狀態方程：

式中：P--氣囊壓強，MPa；

V-- 氣囊體積，m3；

n--氮氣摩爾,mol；

R--氮氣氣體常數；

T--氮氣溫度,K。

假設壓油罐初始壓強P0=13 MPa，此時氮氣氣囊體積為V0；經油泵打壓后壓強P1=16 MPa，此時氮氣氣囊體積為V1，在此過程中可近似認為n、R、T不變，則氣囊體積減小△V=3V0/16，說明需要補油體積約為3V0/16才可以使氣罐油壓達到16 MPa。

如果4號機組的壓油罐內氮氣氣囊體積較正常氣囊體積減少則相當于V0變小，油壓罐需要的補油量3V0/16也減少，而泵的輸出功率恒定（流量恒定），則對應的打壓時間會縮短，這種現象和實際監測數據完全一致。

反之，當泄掉相同油量時，壓油罐的壓降△P也會增大，所以就會出現4號機組非同步導葉動作時壓油罐的壓降比其他機組大的現象。

3.4 結論

綜上所述，可以肯定4號機組非同步導葉壓油罐相比其它機組下降較快的原因是由于油罐內氮氣氣囊氮氣含量降低，氣囊體積變小導致的。通過對4號機組非同步導葉壓油罐氣囊進行補氣后徹底解決油壓下降較快的問題。

4 結語

目前在罐體內放置氣囊提供能量的結構應用還比較廣泛，往往由于是內置的所以很少會對其進行檢查，而且發生內漏也不易被發現，這些隱患只有發展到一定階段才會從某些方面反應出來甚至會造成一定的損失。此次問題的出現也給我們敲響了警鐘，今后要加強對設備各部件的檢查力度，尤其是對一些內置部件要進行定期檢查，確保不發生重大的安全事件。