纯机械过速保护装置触发后事故配压阀不能及时响应的原因分析及处理

杨应武，吴书林

（阿坝水电开发有限公司，四川省成都市 610041）

0 引言

某水电站为混流式机组，装机容量为3×40MW，水轮机额定转速187.5r/min，飞逸转速375r/min，额定水头58.5m。水轮机调速器液压系统由油压装置、主配压阀、事故配压阀、机械过速保护装置组成。其中，机械过速保护装置由图拉博提供。水轮机过速保护主要有电气一级过速保护、电气二级过速保护以及机械过速保护。其过速保护响应顺序为电气一级过速保护114%（且主配拒动）→电气二级过速保护142%→机械过速保护150%。

水电站1号机组在进行静态模拟调试时发现，当机械过速保护装置（下文称：图拉博）动作后，其事故配压阀未能及时响应关闭导叶。从此现象可以判断，机械过速保护装置未能及时控制事故配压阀关闭导叶。在实际运行中的机组若发生此现象，将会因导叶滞后关闭引起机组转速迅速上升，甚至可能发生机组飞逸的现象[1]。如果不能彻底解决此问题，将会对机组的安全运行带来较大隐患，本文将通过因素排查法，利用理论计算，查找问题的根源，介绍其处理方法，为同行参考。

1 原因分析

1.1 事故配压阀工作原理

如图1所示，正常情况下事故配压阀P腔通入压力油，O腔排油。同时，压力油罐常压油经机械过速装置及事故配压阀电磁阀3→2腔，进入事故配压阀下腔R腔推动活塞向上移动。此时事故配压阀只是串接在调速器主配压阀到导叶接力器的控制油路中，即D→C与B→A各自相通，确保油路畅通。

图1 调速器液压系统图Figure 1 Hydraulic system diagram of governor

当机组甩负荷时，如果调速器发生故障，事故配压阀电磁阀动作，此时事故配压阀R腔泄油回路为1→4→5；当机械过速动作时，其事故配压阀下腔泄油回路为1→2→3→6→7，此时R腔油路切断同时排压，事故配压阀上腔油压推动活塞向下移动，切断主配压阀控制导叶开关的油路。与此同时事故配压阀压力油腔P→接力器关腔C，事故配压阀排油腔O→接力器开腔A，从而使压力油进入导叶接力器关闭腔，使接力器迅速关闭，实现机组过速状态下的紧急停机[2]。

1.2 原因分析

根据工作原理可知，机械过速保护动作后，事故配压阀通过下腔与回油管接通，活塞下移切断主配压阀，连通接力器开关腔实现导叶关闭，确保机组得到保护。当出现响应时间滞后，造成不能及时关闭导叶的主要原因有如下几点：

（1）活塞与活塞缸出现卡阻现象。当图拉博动作后，在活塞上下油腔形成了油压差，如果活塞有卡阻现象时，上腔油压不能及时推动活塞下移，将会迟缓事故配压阀的动作时间。

（2）压力油油质差造成事故配压阀内部油孔有堵塞。如果事故配压阀内部油孔有堵塞现象，当图拉博动作后，由于油路不畅通，供油或泄油不及时均会延缓事故配压阀动作时间。

（3）图拉博油路不畅。由于图拉博控制油和回油油路均与事故配压阀连接，因此，图拉博动作后如果其油路不畅通仍然会延缓事故配压阀动作时间。

（4）泄油管路设计偏小。如果泄油管路直径偏小，将会造成泄油流量受限，致使泄油不畅，依然会影响事故配压阀活塞动作时间。

1.3 原因排查

根据上述原因分析，技术人员按照因素排除法，逐一对可能产生的原因进行了检查、试验。

（1）检查之前对3台机组机械过速保护装置进行测试，当图拉博动作后，1、2、3号机组导叶关闭响应时间分别为5.68s、5.12s、6.2s。可以看出，3台机组均有事故配压阀不能及时响应的现象。

（2）直接手动将机组事故配压阀事故停机电磁阀投入，事故配压阀及接力器动作响应时间均小于1s，满足厂家技术文件要求。经过电磁阀动作试验，可以判断，事故配压阀本体活塞并无卡组现象，事故配压阀内部油路畅通。

（3）对机械过速装置的油路进行检查。分别对常压管路Q、控制油管路A和泄油管路O接入0.7MPa压缩空气进行吹扫检查。检查未发现油管路有任何堵塞及无杂渣现象，管路通气正常。从感官上观测，3支油管路出气量基本一致。

（4）将图拉博拆除返厂检测。根据厂内动作试验，图拉博本体动作正常，反应及时，油路畅通。

（5）通过对电磁阀、管路及活塞检查、试验结果分析，电磁阀动作正常、连接油管路畅通、事故配压阀活塞无卡组现象，图拉博油路畅通，设备本体无异常。因此，需要对事故配压阀与图拉博相连的泄油管路进行核算。

2 泄油管路核算

从事故配压阀运动结构看，如图2所示，活塞行程为25mm，上下端面有效受力面积分别为S1=35.04cm2、S2=50.24cm2，压力油油压为P=4.0MPa，下腔R油管路为φ10×1mm铜管。笔者认为，通过变水头孔口出流计算方法可以验证管路设计是否合理。

图2 活塞运动结构模型图Figure 2 Model diagram of piston motion structure

2.1 计算泄油管嘴横截面积S3

式中S3——泄油管嘴横截面积，m2；

d——泄油管嘴直径，m；

π——常量，一般取3.14。

2.2 计算活塞下移时间t

根据变水头孔口出流计算式[3]：

式中t——活塞下移时间，s；

H——活塞下移行程，m；

S2——活塞下端面积，m2；

S3——泄油管嘴横截面积，m2；

g——常数，重力加速度，取10m/s2；

μ——常数，圆柱形外管路的流量系数，取0.82。

根据计算结果看，与3台机组实测值偏差均不大于1s，考虑测量误差因素，基本符合事实。可以初步判断，其泄油管路直径设计偏小。

2.3 泄油管管径核算

按照厂家技术文件要求，事故配压阀响应时间不应大于1s。即tˊ≤1s，此时按照式（2）可计算出泄油管的直径。

解得：

式中′——泄油管嘴核算横截面积，m2；

H——活塞下移行程，m；

S2——活塞下端面积，m2；

t′——活塞下移时间，设1s；

g——常数，重力加速度，取10m/s2；

μ——常数，圆柱形外管路的流量系数，取0.82。

根据泄油管嘴核算横截面积，计算核算后管路直径d′：

解得：

式中d′——泄油管直径，cm；

S3′——泄油管嘴核算横截面积，m2；

π——常量，取3.14。

根据上述原因分析可知，机械过速装置泄油管路管径偏小造成了事故配压阀泄流不畅通，不能及时向下移动活塞关闭导叶。现场测量事故配压阀及过速装置控制油管接口尺寸均为G28管螺纹，因此可将所有控制油管改为ϕ28×3不锈钢管。经更换后，模拟试验机械过速动作试验，导叶关闭响应时间小于1s，满足要求。

3 结束语

在机组调试过程中，静态模拟试验时，试验人员关注的是机械过速保护装置动作灵敏度及事故配压阀关机时间。动态试验时，一般机组转速上升至试验转速时为了保证机组安全，试验人员都会立即手动关闭导叶至全关，然后检查机械过速装置和事故配压阀是否正确动作。因此，机械过保护装置动作后事故配压阀的响应速度经常被忽略。本文以某水电站1号机组为例，更多关注了保护动作后事故配压阀的响应速度问题，简要介绍了水轮机机械过速保护装置动作后，事故配压阀不能及时响应的原因和处理方法，为同行技术人员提供一些借鉴经验。