水轮机组负荷调节时调节系统发卡原因分析与研究

常洪军，陈守峰，张恩博，刘春林

（东北电力科学研究院有限公司，辽宁 沈阳 110006）

1 问题的提出

某水电站4、5号机组调速器在60%～80%额定负荷区间向增负荷方向调节时导叶拒动，且频繁出现调速器故障信号，需要现地手动复归，此现象已存在多年，严重影响了机组的正常运行，且多次查找原因未果。其中4号机组在上游水位404.5 m以上 （水头超过113.5 m）、压油装置油压在3.8 MPa以下经常发生该故障信号；5号机组在上游水位413 m以上时经常发生。目前，该电站4号机组已退出一次调频。本文通过综合分析机组的调速系统、导水机构等多方面的因素，同时通过现场测试，彻底查找了该机组调速器发卡的原因，并给出了具体解决方案。

2 原因分析

通过对调速系统及导水机构结构的认真分析，结合机组的运行实际，总结导致机组负荷调节时调速器发卡的原因主要集中在以下几个方面：

（1）调速系统故障。包括调速器电气故障、调速器机械执行机构失灵、油压管路中存在气泡或其他杂质等。此类故障可通过现场检查逐一排除。

（2）导水机构存在较大的机械摩擦。机械摩擦力可根据试验方法计算得出，如机械结构存在较大的摩擦，可在机组检修中检查水轮机导叶、拐臂连杆及接力器活塞等机械结构，降低摩擦力。

（3）压油管路存在较大的油压损失。如管路油压损失过大，会造成机组操作力矩不足，可在接力器开启腔、关闭腔装设压力传感器，检测油压损失。

（4）操作油压不足。导水机构接力器应具有足够的操作力矩，以克服任何工况下导叶上的水力矩和摩擦力矩。水力矩和摩擦力矩较大均会造成导水机构操作力矩不足，因此需现场实测操作油压，对操作力矩进行校核，必要时提高压油装置最低整定值及额定油压。

3 测试数据分析

3.1 测试原理

现场测定导水机构力特性时在接力器受油器的开启腔和关闭腔装设压力传感器，匀速缓慢地手动调节变速机构，使接力器活塞缓慢移动 （自零点至全开，而后又由全开至全关），同时记录不同开度时两腔油压值。通过换算求出在导叶上作用的水力矩和摩擦力矩。

导叶水力矩产生的力Fr及导叶摩擦力矩产生的力FT计算公式如下

式中，S1、S2分别表示接力器开腔、闭腔油压有效作用面积，cm2；P2.1、P1.1分别表示接力器开启时活塞关腔和开腔油压值，MPa；P2.2、P1.2分别表示接力器关闭时活塞关腔和开腔油压值，MPa。

图1 导水机构力特性试验测量与计算方法示意

如图1所示，每只导叶上作用的水力矩Mr和摩擦力矩MT可按下式计算

式中，DY、De分别表示控制环大、小耳销分布圆半径，cm；LP为导叶臂名义长度，cm；Z0为导叶数。

根据接力器活塞运动时力的平衡方程式可得出不同开度下所需接力器操作油压计算公式

式中，Fg表示干摩擦在活塞上产生的阻力；S为操作油压有效工作面积；ΔP表示从压力油筒至回邮箱全部油路的总损失。

3.2 电站实测数据分析

实测数据时，机组首先按正常运行时的接力器压油装置油压整定值4.0 MP开机并网至空载，手动匀速操作导叶调节机构调整负荷，使机组从空载至额定负荷再至空载。当导叶开度达到56.4%、机组有功功率为184 MW时调速器发卡现象出现，至导叶开度71.5%、机组有功功率269 MW时调速器发卡现象消失 （见图2），期间导叶长时间拒动；然后，手动调节压油装置将额定油压提高0.3 MPa，重复第一步的试验过程，此过程中调速器未出现发卡现象 （见图3）。

图2 4.0 MPa时各测试参数波形

图3 4.3 MPa时各测试参数波形

压油装置将额定油压提高至4.3 MPa时，不同导叶开度下各测试参数数值、水力矩和摩擦力矩、操作油压计算结果见表1。

从表1中可以看出，实测导叶开度为60%时，接力器开启腔油压达到4.3 MPa，关闭腔油压为0.09 MPa，此时水力矩达到最大值，成为阻碍导叶向开方向动作的主要阻力矩，经计算，此工况下接力器所需操作油压为4.2 MPa。

表1 不同导叶开度下各测量参数值及计算结果

4 处理措施

经过综合分析及现场试验，笔者认为，该电站4号机组目前接力器额定油压及油压最低整定值偏低，从而导致机组在高水头运行时，某些负载工况时导叶拒动，调速器根据导叶反馈信号判断导叶开度未发生变化后，发出调速器故障信号。操作油压偏低是导致该现象频繁发生的主要因素，提出解决措施如下：

（1）从实测数据分析，该机组摩擦力矩较大，可见该机组导水机构的机械结构存在较大的摩擦。建议检修时检查水轮机导叶、拐臂连杆及接力器活塞等机械结构，降低干摩擦力；改造导叶轴套结构，减小摩擦系数，降低摩擦力矩。

（2）在4号机组导叶、拐臂连杆、压油装置及管路等强度允许的情况下，建议主接力器最低油压提高至 4.2 MPa，额定油压值提高至4.3 MPa。经提高接力器操作油压后，该机组调速器发卡现象消失，机组负荷调节正常，如图4所示。

5 结语

在水轮机引水部件内，绕导叶的水流对导叶产生一定的作用力，作用导叶上的水压力和水力矩与导叶的几何参数和位置有关。为了正确的选择导水机构接力器，计算导叶强度，设计导叶的传动机构，必须获得导叶在不同开度的水压力和水力矩即导水机构力特性。

在水电站机组运行实际中，通过现场试验等方法，合理分析导叶发卡的具体原因，正确地确定调速器的接力器容量，使其既不增加传动机构零件应力，又能满足运行要求，是一项对电厂安全、稳定运行至关重要的问题。

图4 提高操作油压后机组负荷调节过程

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