大型軸流轉槳式水輪發電機組導葉開閉曲線多拐點問題處理過程分析

梁明華，白學斌

(中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州 450001)

1 概 述

PatucaⅢ水電站位于洪都拉斯，裝有2臺單機容量為52 MW的軸流轉槳式水輪機發電機組，每臺機組配置1套可調式液壓調速器。在安裝工作結束后即開始調速器靜態無水調試工作，調試過程中有一個極為重要的環節，就是需要根據主機廠提供的機組調保計算書并通過調速器控制閥組來調整水輪機導葉的開閉速率，以保證機組后期運行的安全性和穩定性。從導葉的關閉理論曲線可以看出(見圖1)，導葉關閉分為兩段速率(即設計規律只存在1個拐點)；這是為了平衡導葉關閉過程中流道內壓力上升和機組轉速上升速率之間的關系，以保證機組的安全。但在實際調試過程中卻發現，導葉的關閉曲線變成了3段(見圖2)；也就是說導葉實際關閉速率與調保計算書中的理論曲線不符，這就存在極大的安全隱患；更改調速器PID參數或調整節流閥的開度后，也出現同樣的情況；因此就考慮是機械硬件部分存在問題。

圖1 導葉關閉理論曲線

圖2 導葉關閉實際曲線

2 原因分析

水輪機調速器機械部分主要由主配閥組、比例閥、事故緊停閥、過速保護閥、兩段關閉閥、其他檢修閥組、液壓管路、回油箱、壓力油罐等組成。

液壓油路分為兩路：一路是主操作油路，另一路是控制油路；當然油源均來自壓力油罐。主操作油路由壓力油罐出來經過主配壓法、比例閥、事故配壓閥、進入接力器。控制油路由壓力油罐出來再分為兩路：一路經過過速保護閥進入事故配壓閥作為其控制油；另一路經過事故配壓閥，再分兩路出去分別進入兩段關閉閥和接力器液壓鎖定閥(見圖3)。其中，主操作油管徑為DN80，控制油管徑為DN15(中間無變徑)。

圖3 原液壓油路示意(灰色線條為控制油管路)

理論上的導葉關閉曲線拐點是由兩段關閉閥組進行調整的，則首先對兩段關閉閥組進行研究。分析兩段關閉結構時發現，兩段關閉閥的閥芯動作時，進出油腔體較大且閥芯行程較長(約為35 mm)；這也就意味著兩段閥動作時短時間內需要消耗大量的控制油。由于控制油管路直徑為DN15，因此初步判定兩段閥動作時，控制油管路內的油量在兩段閥閥芯動作時消耗較大且得不到及時補充；這直接導致控制油管路內的壓力會在兩段閥動作時短時間失壓(或者說欠壓)。

再分析事故配壓閥。由于事故配壓閥的控制油與兩段關閉閥的控制油管路共用，那么在兩段閥動作導致的控制油管路失壓時，事故配壓閥勢必會受到影響。這里用到的事故配壓閥屬于插裝閥(共4個單獨的閥芯分別控制主操作油的進出)，其中4個主閥芯兩兩配對，并分別由控制油控制其上下動作(即閥芯開啟或關閉)；那么在事故配壓閥的控制油失壓時，其主閥芯會在彈簧力的作用下彈開(即閥芯打開)；此時接力器的事故油路也接通，這也就意味著正常回路在向接力器供壓力油的同時，又在兩段關閉閥動作時給接力器增加了一個操作油供油回路。分析其結果是：在兩段閥動作時，接力器會由于增加了一個供油回路，所以增加了供油流量和供油壓力，導致接力器加速關閉(即此時的導葉關閉速率比兩段關閉閥動作之前的要快，也就是圖2中的第二段折線)。

當兩段關閉閥動作完成后，控制油管路壓力恢復，此時事故配壓閥回復其正常狀態；同時兩段關閉閥投入工作，限制主操作油流量，接力器按照預調整的速度接著完成剩余行程的關閉(即圖2中第三段折線)。

綜合上述分析得到的結論是：控制油管路管徑過小，滿足不了兩段閥動作時所需要的油量。初步考慮以增大管徑的方式來進行補償，但為了保險起見(即防止返工)，又考慮將事故配壓閥和兩段關閉閥的控制油管路分開設置，徹底避免上述情況的出現；因此，處理此問題的方式就是改造原有管路。

3 管路改造方案的確定

根據前面的分析，決定將控制油管路更換成同材質的DN25管材，并且將事故配壓閥和兩段關閉閥的控制油管路分開配置。根據現場情況，應最大限度減小對已有管路的更改，決定將原有控制油管路進入到兩段關閉閥的三通換為直管(即將兩段關閉閥隔開)；同時在主操作油供油管上增加變徑三通，由三通處重新配管直接接引至兩段關閉閥控制油口(見圖4)。

圖4 改造后的油路示意(灰色線條為變更部分)

現場實施步驟如下。

(1)系統泄壓并排油，施工區域設置安全警示標識，設備上懸掛禁止操作的警示標牌及設置鎖定裝置。

(2)搭設腳手架，拆除需變更部分的管路。

(3)根據現場情況及變更方案重新配管。管路焊接、壓力試驗、沖洗及回裝(注：由于調速器系統管路為中壓管路，焊接時建議采用氬弧焊的方式；且在焊接時向待焊管道內通入氬氣以保證其焊縫內部成型質量)。

(4)移出現場施工材料、工器具、腳手架、施工區域清潔。

(5)系統充油、上壓觀察接頭處有無泄漏。

(6)按照原調試方案進行系統調試，觀察導葉關閉曲線是否與理論設計曲線吻合。

(7)若實驗結果符合預期，則此次處理過程結束。

(8)需要準備的設備及工器具主要有：等離子切割機、氬弧焊接、便攜式腳手架、角向磨光機、試壓泵、過濾循環沖洗泵、常規的工具包、力矩扳手、草酸、透平油、棉紗團、其他需要使用的材料等。

4 處理結果驗證

按照上述過程對現場管路進行改造并再次試驗后，得出的關閉曲線如下所示(見圖5)。從曲線上看，多出的拐點已不再出現，這也就證明問題處理的思路及方法是對的，后面僅需根據機組調保計算書中的導葉關閉曲線對實際導葉關閉曲線進行精調即可。

圖5 改造后的導葉關閉曲線

5 結 語

水輪發電機組的安全穩定運行既要依靠機組本體可靠的制造、安裝質量，又要依靠合理的調速器控制方式；其中調速器系統涉及主機設備廠商及調速器供貨商(甚至部分閥組的外協件供應商)等多

個方面，在前期設計要協調好這幾個方面的技術工作；如控制方式、系統設計、主要部件的結構及工作方式等。只有結合好這些方面，才能夠避免現場返工并一次性達到設計的機組運行狀態。