淺析水輪機調速器壓力油罐改造的主要參數計算

王紅凱，唐林鈞，呂傳寶，周 杰

（1.貴州烏江水電開發有限責任公司東風發電廠，貴州 清鎮 551400；2.中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081）

1 概述

1.1 工程概況

東風發電廠隸屬貴州烏江水電開發有限責任公司，為烏江流域梯級開發的第二級，地處貴州省清鎮市與黔西縣交界的鴨池河段上，距省會城市貴陽88 km。電廠原裝機容量3×170 MW，首臺機于1994年投產發電；2003年11月~2005年5月經增容改造裝機容量增至3×190 MW，布置在老廠房；2004年3月~2005年12月又增擴1臺單機容量為125 MW水輪發電機，布置在新廠房。目前，電廠總裝機為695 MW，為烏江水電開發注入動力，也促進了貴州經濟和水電行業的發展。

調速器壓力油罐是調速系統的重要組成部分。在改造過程中，為保障水輪機調速器的可靠動作，有必要計算壓力油罐的容積和壓力等級等相關技術參數[1]。

1.2 電廠調速系統壓力油罐現狀

東風發電廠老廠1號、2號、3號機調速器壓力油罐型號均為YZ-4.0-4.0。設計壓力4.0 MPa，容積為4.0 m3。為機組調速系統提供操作壓力油，以實現機組功率及頻率調節，于1994年7月投運。

1.3 調速器壓力油罐存在的問題

調速器壓力油罐投運時間近30年，已超出壓力容器設計使用年限，存在一定的安全風險。根據規定，目前每年需進行相關檢測，檢測手續復雜。

圖1 1號機壓力油罐設備現場面貌

1.4 電廠調速器壓力油罐改造的必要性

1.4.1 壓力油罐改造是滿足相關規程的需要

壓力油罐為特種設備，接受國家相關部門的監督。根據國家TSG 21——2016《固定式壓力容器安全技術監察規程》規定，壓力容器未規定設計使用年限，但是使用超過20年的壓力容器視為達到設計使用年限[2]。而老廠房壓力油罐運行近30年，按規定應進行更換。

1.4.2 壓力油罐改造是設備本身的需要

調速器壓力油罐投運時間近30年，已超出壓力容器設計使用年限。根據規程壓力油罐每年按期進行一次安全檢測，且部分壓力油罐安全評級為4級，每年需委托有安全資質機構進行檢測，并到設備原注冊登記機關辦理相關手續，方能繼續使用，且在檢測過程中須泄壓并排空壓力油罐的內部介質，耗費較多人力和物力[3]。

結合電廠實際和原壓力油罐制造廠家實際情況，壓力油罐投運30多年，原制造廠已不能提供為保障壓力油罐正常運行所需的備品備件及相關附件。綜上所述，為消除安全隱患，電廠1號~3號壓力油罐改造是必要的。

1.5 電廠調速器壓力油罐改造的可行性

（1）壓力油罐為特種設備，由有相關資質的設備廠家生產制造，確保設備制造質量及檢驗。

（2）調速系統壓力油罐布置于發電機層，該層安裝空間大，主廠房內設有起重設備，壓力油罐的拆除、安裝不存在制約因素。

2 電廠機組壓力油罐主要參數

2.1 基本設計參數

調速器壓力油罐復核內容主要包括壓力油罐的容積及壓力等級，根據調速器及接力器的主要技術參數進行壓力油罐選型計算。1號~3號機組參數一致，則以其中1臺機組計算為例，電廠調速器壓力油罐及接力器實際運行技術參數如下：

壓力油罐的工作油壓的上限Pomax：4.0 MPa；

壓力油罐的工作油壓的下限Pomin：3.7 MPa；

接力器最低操作油壓PR：2.9 MPa；

接力器參數見表1。

表1 接力器參數

則導葉接力器總容積Vs=0.218 m3。

2.2 壓力油罐的容積計算準則

根據GB/T 9652.1——2019《水輪機調速系統技術條件》4.4.2項規定：在正常工作油壓下限至最低操作壓力PR之前，壓力油罐可用油體積至少應滿足如下要求[4]：

（1）單調整反擊式機組調節系統為導葉接力器總容積的3倍；

（2）雙調整反擊式機組調節系統為導葉接力器總容積的3倍再加輪葉接力器容積的2倍；

（3）雙調整沖擊式機組調節系統為折向器接力器總容積的3倍再加噴針接力器容積的2倍；

（4）對于帶調壓閥控制的雙調整調節系統為導葉接力器總容積的3倍再加調壓閥接力器容積的4倍；

（5）在用于孤網運行的情況下，應適當加大可用油體積，具體數值由供需雙方商定。

壓力油罐中的壓力降到最低操作油壓值時，壓力油罐的可用油容積Vu應滿足要求：對于混流式水輪機調速器，有Vu≥3Vs。式中Vs為所有導葉接力器總容積。

2.3 壓力油罐容積計算

根據《水電站機電設計手冊－水力機械》中的絕熱過程方程，PVk=C（常數）[5]。調速器油壓裝置在運行過程中，壓力油罐內的壓縮空氣既不是按等溫規律變化，也不是按絕熱規律變化，而是介于兩者之間的中間狀態變化。根據國內電站的統計規律，取多方指數k=1.3，即PV1.3=C。推得公式：

式中：

Pomin—壓力油罐的工作油壓的下限；

Vair—壓力油罐內的壓縮空氣容積；

PR—接力器最低操作油壓；

Vu—壓力油罐的可用油容積。

2.3.1 壓力油罐的可用油體積

即：Vu≥3Vs=0.66 m3

2.3.2 工作油壓上、下限時的空氣容積

計算工作油壓下限POmin時的空氣容積Vair-min和工作油壓上限POmax時的空氣容積Vair。由公式：

2.3.3 壓力油罐容積計算

根據DL/T 1548——2016《水輪機調節系統設計與應用導則》，壓力油罐容積V0可按下式計算[6]：

式中：剩余油量容積（VRES）按下述方法確定：事故低油壓機組緊急停機后壓力罐內剩余油的油面應比出油管管口高2倍的出油管管徑，防止壓力罐內空氣進入壓力管道；如壓力罐裝在回油箱上，其油面的高低還應能便于油面顯示，通常取VRES=（0.1~0.2）Vu，本次取VRES=0.066。

按JB/T 7072——2004《水輪機調速器及油壓裝置系列型譜》選擇系列標準及考慮一定裕量來選擇壓力油罐[7]，并結合電廠相關要求，容積取為4 m3。

事故停機后油壓：

經計算，事故停機后油壓滿足不低于最低操作油壓的要求。

2.4 壓力油罐額定壓力計算

根據電廠現有的接力器及調速器設備、管路的設計壓力及電廠實際情況，壓力油罐工作壓力取為4.0 MPa，設計壓力為6.5 MPa。

2.5 壓力油罐圓筒高度及罐體總高度計算

結合現場空壓機室高度及空間實際情況，為便于壓力油罐安全閥的運行檢修，壓力油罐內徑按1 200 mm設計，采用EHA橢圓形封頭。根據上述計算結果，壓力油罐的容積為4 m3。可知：

式中：

V—壓力油罐總容積，4 m3；

R—半徑，600 mm；

H—圓筒高度，mm；

V1—壓力油罐封頭容積。

根據規范GB/T 25198——2010《壓力容器用封頭》[8]查得V1=0.254 5 m3。可求得H=3 088 mm，取圓筒高度為3 100 mm。考慮壓力油罐支撐等，總高度為3 860 mm。結合空壓機室布置，滿足現場運行和檢修要求。

2.6 壓力油罐厚度、強度、應力計算

根據GB/T 150.3——2011《壓力容器 第3部分：設計》[9]可知，厚度計算按下式：

式中：

Pc—設計壓力，6.5 MPa；

Di—內徑，1 200 mm；

[σ]t—設計溫度許用應力，185 MPa；

Φ—焊接接頭系數，1.00。

根據上式可求δ=21.46 mm，結合現場實際需求及腐蝕裕量1.5 mm，取壓力油罐名義厚度δn為24 mm。

有效厚度為δe=名義厚度-腐蝕裕量-鋼板厚度負偏差=24-1.5-0.3=22.2 mm＞δ，滿足設計要求。

在滿足60℃的條件下，最大允許工作壓力按下式計算：

式中：

δe—有效厚度，22.2 mm

[σ]t—設計溫度許用應力，185 MPa

Di—內徑，1 200 mm

計算得：[PW]=6.72 MPa＞6.5 MPa。滿足要求。

在滿足60℃的條件下，計算應力按下式計算：

由上式計算得，σt=178.9 MPa＜185 MPa，滿足設計要求。

2.7 壓力油罐主要參數計算結果

根據上述計算結果，1號、2號、3號機調速器壓力油罐容積為4 m3，額定壓力為4.0 MPa，壓力油罐容積及額定壓力復核結果與東風發電廠改造前一致。主要參數如表1。

為適應現有的管路及設備布置，為利用原壓力油罐基礎，進行現場復測，結合現場管路布置，確定壓力油罐本體布置及管路的接口方位和尺寸。

表1 壓力油罐主要技術參數表

3 結語

調速器壓力油罐是調速系統的重要組成部分，為調速系統的動作提供壓力油源，歸屬于特種設備，尤其是對于超期服役的壓力油罐，存在較大的安全隱患，應高度重視運行期間的安全性，保障運行人員的人身安全。本電廠依據相關規程進行壓力油罐改造，不僅提升了油源的可靠性，也提高了壓力油罐運行的安全性，節約了運行和檢測成本。