大型灯泡贯流机组调速系统运行异响及振动原因探讨

摘 要：本文针对当今亚洲第一，全球第二大的灯泡贯流式机组检修后调速系统调试时产生异响及振动现象进行分析，确定分段关闭阀动作投入后节流明显，同时回油管路较长是产生异响及振动的主要原因。

关键词：调速系统 异响 振动 分段关闭阀 回油管路

江西省峡江水利枢纽工程位于赣江中游峡江县巴邱镇上游约6km，是一座以防洪、发电、航运为主，兼有灌溉等综合利用功能的水利枢纽工程。该枢纽电站安装9台灯泡贯流式机组，单机容量40MW，为当今亚洲第一、全球第二大的灯泡贯流式机组，电站多年平均发电量11.42亿kWh。枢纽工程于2009年动工，2013年9月第一台机组发电，2015年4月9台机组全部投产发电。其中9#机组为阿尔斯通水电设备（中国）有限公司产品，其水轮机控制系统采用南瑞集团公司生产的SAFR2000H型微机调速系统。本机组于2013年9月投产发电，2017年进行A级检修工作，检修时需将重要部件拆卸进行检修，检修完毕后尚需重新调试。本文针对9#机组调试时调速系统管路出现异响及振动现象进行分折，确定分段关闭阀动作后节流明显，同时回油管路较长是产生异响及振动的主要原因。

1.问题的发现

此次9#水轮发电机组A级检修目的是消除运行中出现的受油器操作油管密封老化失效后的漏油现象、转轮室伸缩节密封磨损漏水现象，其它进行常规检修；调速系统进行了油压装置机械部分、事故配压阀、分段关闭阀解体体检查、更换密封件，检查未发现异常，按要求回装。同时压力油进行了净化处理，油质符合GB11120-2011《涡轮机油》规定要求。

2018年1月5日，9#水轮发电机组A级检修完成回装后进行重新系统调试。先进行调速系统充油建压，压力从5MPa、10MPa、20MPa、40MPa到额定压力，其间采用脉动操作向管路充油，操作导叶、桨叶作全开全关试验，同时进行管路充油排气。在调速系统在工作压力状态下，操作调速器检查调速静态特性曲线，当进行导叶全关闭试验时，管路产生较大异响（90db左右），并伴随强烈振动；由于机组在运行中紧急停机时，调速器是按照导叶全关闭进行操作，如果操作期间有异响及振动会对管路的安装支架产生冲击造成松动、管路的联接法兰密封磨损，造成法兰联接面渗油现象，不利安全运行。故电厂技术负责人员要求在调试中找出此异响及振动产生的原因，方可继续进行下一步试验，如能消除，则及时消除，如不能在此次检修期内消除，则为下一步改进指明方向。随后将此现象及时与厂家技术人员进行沟通，厂家技术人员认为此现象是由调速系统管路还存在有空气造成，压力油流动时带动气泡而产生异响及振动，需进一步加强操作，直至将系统管路中的空气排完。而根据以往我公司调试经验，正常状态下管路充油全行程动作8次后，管路中的空气基本排完，而前期充油建压操作中，调速系统已动作频繁，而同时在相同条件下进行导叶全开动作操作时，未发现异响，故不应是管路内因空气原因产生的异响及振动。

为此，调速系统继续按厂家建议进行反复操作导叶全开、全关试验；同时按排调试人员进行现场排查，尽快找出异响源，经过现场反复地操作观察，发现调速系统异响及振动均出现在全关闭导叶动作时的后段，根据原理，此时为分段关阀投入运行，故初步认为分段关闭阀组油流异常导致调速系统产生异响及振动。

2.设备原理

9#机组调速器机械液压系统图如图1所示，分段关闭阀为调速器机械液压系统的组成部分；分段关闭液压原理图如图2所示。

分段关闭液压原理如下：

（1）关机工况。快速关闭时电磁换向阀V1在弹簧的作用下处于右位，在控制压力油的作用下液控阀V2处于左位，接力器开腔直接进调速器开腔，缓慢关闭时电磁铁VD带电，换向阀V1处于左位，在控制压力油的作用下阀V2处于右位，接力器腔需经过节流阀进入调速器开腔，调节节流阀的开度可以调节关闭速度。

（2）开机工况。不管V2处于哪一位，调速器开腔能通过单向阀V3进接力器开腔，因此该装置不影响开机速度。

3.设备参数

南瑞集团公司生产的SAFR2000H型微机调速系统，其微机调节器部分采用了贝加莱公司的PCC2005控制器为核心，机械液压部分则选用了BOSCH公司的比例伺服阀作为电液转换单元，ZFL-100/S作为主配压阀，电源、控制模块、传感器、电液转换等全部采用了双冗余配置，且采用了第三方智能切换单元作为仲裁判断，軟件部分则采用了南瑞公司专有的改进型并联PID算法、双微分算法等。

3.1调速器

（1）设备概况：电：电气柜采用单套2005版PCC控制；机：机械柜采用标准ZFL/S系列自复中式主配压阀。

（2）测频方式：残压+齿盘。

（3）电源电压及供电方式：交流：220v；直流：220v。供电方式：交直流双重供电。

（4）人工转速死区范围：0-±10%。

（5）调节参数范围：Bp：0-10；Kp：0.5-20；Ki：0-20；Kd：0-20。

（6）协联方式：电气协联。

（7）电液转换器：型号：博士力士乐0811404036；工作行程或额定输出流量：6L/min。

（8）主配压阀直径：150 mm。

（9）额定油压Pr：6.3Mpa。

3.2导叶接力器：采用对称立式推拉杆结构布置

内径：420mm；

活塞杆直径：180mm；

行程：1406.8mm。

3.3分段关闭阀

阀芯内径：150mm。

3.4导叶全开到全关关闭时间：7s；

导叶全开到全关分段关闭时间：15s（第一段5s，第二段10s）；

导叶全开到全关分段拐点：30%。

3.5引用标准

《涡轮机油》（G B 1 1 1 2 0 -2011）

《水轮机调速器与油压装置技术条件》（GB/T9652.1-2008）

《水轮机调速器与油压装置试验验收规程》（GB/T9652.2-2008）

《水轮机电液调节系统及装置技术规程》（DL/T563-2001）

4.原因分析

通过导叶接力器运动的行程，计算出操作油的流量，通过运行时间，求得管路内的单位时间流量，计算出管内油平均的流速。

4.1分段关闭阀投入前平均流速

总流量：

经以上计算分析，分段关闭阀动作前后流速（1：27.47）及过流面积（137.33：1）变化均较大，分段关闭阀动作后节流明显。

分段关闭阀动作后已通过的油因惯性仍按原速度运动，单位时间流量为Q1（0.05m3/s），而动作后的分段关闭阀过油单位时间流量为Q2（0.01m3/s），两者相差较大，产生不平衡，分段关闭阀动作后产生负压涡流，形成水锤效应；同时回油管路较长（分段关闭阀安装高程为▽14.30m，回油箱安装高程为▽38.75m，高差21.45m），无法及时回油消除管路负压，由此产生异响及振动。

5.检验

通过以上计算分析，发现分段关闭阀投入前后流量变化较大，决定将分段关闭阀控制回路退出运行进行验证，在正常压力导叶全关闭行程操作。经过多次操作，调速系统管路均未在全关闭时发出异响及振动，由此证明分段关闭阀投入是异响及振动产生的原因，以上计算分析是正确，故需对此进行改进。

6.建议

由于9#机组分段关闭阀安装高程为▽14.30m，回油箱安装高程为▽38.75m，高差21.45m；中间通过管路相联，造成回油管路较长，无法及时回油消除分段关闭阀后段管路的负压，故导致调速系统在分段关闭时产生水锤效应，出现异响及振动。由于此次检修工期即将到期，电站机组要及时归调，在与电厂技术负责人协商，决定此次检修期内不作处理；如要彻底消除由分段关闭阀投入运行时产生的异响及振动现象，建议下次检修时缩短分段关闭阀与回油箱间的联接管路，可参考相同阀芯直径并已投运的湖南土谷塘航電枢纽工程的机组调速系统分段关阀安装位置，如图3所示。土谷塘航电枢纽工程机组调速系统分段关闭阀与回油箱高差不到3m，4台机组投运近4年，调速器运行平稳，均未发现异响及振动，故缩短分段关闭阀与回油箱间的联接管路合理可行。

参考文献：

[1]南瑞集团公司，调速器随机图.

[2]湖南省水利水电勘测设计研究总院.土谷塘航电枢纽工程技术设计图纸调整器管路布置图，2015年5月.

[3]钟象新.大型灯泡贯流机组定子空中翻身方案探讨.水能经济，2018年6月.