浅析非同步导叶动作时油罐油压下降快原因

李永红，张 鑫，高冠群，刘 肖

（河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北 石家庄 050300）

1 引言

张河湾抽水蓄能电站位于河北省石家庄市井陉县测鱼镇附近的甘陶河干流上，安装4台单机容量250 MW的单级混流可逆式水泵水轮机组。机组共有20个导叶，其中包含4个非同步导叶，非同步导叶有单独并列运行的2个操作压力油罐、接力器及油管附件等，压力油罐内部安装有一定压强的氮气气囊。当油泵向油罐打油时会压缩气囊使油压升高并达到额定油压，为开关非同步导叶提供动力。

2 4号机组非同步导叶操作压油罐油压变化介绍

张河湾机组在发电启动过程中需要开关非同步导叶一次，即在机组转速50 %时非同步导叶打开令发出，当负荷升至100 MW时非同步导叶关闭令发出。2019年2月7日，4号机组发电启动过程中在非同步导叶关闭阶段，操作压油罐油压下降时触发油压低报警（低于10 MPa时报警，低于9 MPa时跳机）。4台机组的非同步导叶开度设计均相同，即每台机组的3号、13号非同步导叶开度为5°，4号、14号非同步导叶开度为15°，所有不管是在开启还是在关闭过程中所用油量是相同的，假设4台机组非同步导叶压油罐的初始油压相等或接近，那么非同步导叶在开、关阶段的油压下降幅值应该接近。因为1号机组压油罐的油压初始值与4号机组的非常接近，所以对1、4号机组非同步导叶压油罐的油压-负荷曲线进行对比，如图1、图2：

图1 1号机组非同步导叶油罐油压-负荷曲线

图2 4号机组非同步导叶油罐油压-负荷曲线

通过对比1、4号机组在发电启动过程中非同步导叶压油罐的油压变化，发现4号机组不管是在非同步导叶打开还是在关闭阶段，压油罐的油压下降幅值均比1号机组大且在关闭阶段油压下降幅值最大，由于4号机组非同步导叶压油罐的油压值已经触发二级报警，所以找到压油罐油压下降快的原因并及时消除迫在眉睫。

3 压油罐油压下降快原因分析及试验结论

随后在现场开展相关的试验，将1、2、4号机组非同步导叶压油罐的初始油压均调整为13 MPa，启动一台打压泵打至16 MPa，用时为T，通过对比打压时间如下：

1号机组：T1=34 s

2号机组：T2=33 s

4号机组：T4=17 s

从打压时间可以看出4号机组的打压能力均比其他机组强，而造成该现象的可能原因有两个：一是1、2号机组在打压过程中可能某个部位存在内漏或者油泵打压能力下降，导致打压时间较长；二是4号机组压油罐只需补充极小的油量即可达到对应的油压值，这种情况出现的原因要么就是只有一个压油罐在运行，要么就是油罐的氮气体积减小。

3.1 对打压过程中可能存在内漏和油泵打压能力进行分析试验

3.1.1 对打压过程可能存在的内漏的分析

假设4号机组的打压是正常，1号机组存在内漏，则在导叶打开和关闭过程中1号机组的压降要大于4号机，但从图1、图2的对比分析中可以得出：1号机组开非同步导叶的压降为1.5 MPa，关非同步导叶的压降为2.3 MPa；4号机组开小导叶的压降为1.9 MPa，关小导叶的压降为 5.8 MPa。

所以可以排除1号机组小导叶打压过程中内漏的可能（2号机组的趋势和1号机组相同）。

3.1.2 对油泵打压能力的分析

目前每台机组的非同步导叶压油罐均配有一主一备2台油泵，通过现场对1、2、4号机组的6台油泵单独建压的能力看，1、2号机组的4台油泵建压能力相同，建压时间在33～36 s之间，4号机组的2台油泵建压能力相同，建压时间在17～19 s之间。

从以上的统计看1、2号机组的4台油泵不可能同时出现建压能力下降的情况，所以可以排除油泵打压能力下降的可能。

3.2 对只有一个压油罐在运行情况进行分析试验

对4号机组非同步导叶的2个压油罐进行打压试验，首先关闭1个压油罐的主油阀，对另一个压油罐进行打压试验，发现单个油罐从13 MPa到16 MPa的打压时间相同，约为10 s左右，则说明一台泵对2个压油罐从13 MPa到16 MPa所用的打压时间应该在20 s左右，该打压时间与之前的17 s比较接近，所以可以确定2个油罐均处于正常运行状态。

3.3 对压油罐的内气囊氮气减小的情况进行分析试验

通过现场试验，1号机组非同步导叶压油罐从油压为零建压到油压表发生明显变化用时约13 min，同样条件4号机组油压表发生明显变化用时约17 min，而1、4号机组油压罐的体积均相等。从该现象可以得出，4号机的油压罐内储油的体积比1号机组油压罐大，但是要想储油体积大只能是氮气气囊体积变小，即气囊内氮气量减少。为了更进一步验证是气囊氮气量减少，进行如下两方面分析：

首先通过理想气体状态方程：

式中：P--气囊压强，MPa；

V-- 气囊体积，m3；

n--氮气摩尔,mol；

R--氮气气体常数；

T--氮气温度,K。

假设压油罐初始压强P0=13 MPa，此时氮气气囊体积为V0；经油泵打压后压强P1=16 MPa，此时氮气气囊体积为V1，在此过程中可近似认为n、R、T不变，则气囊体积减小△V=3V0/16，说明需要补油体积约为3V0/16才可以使气罐油压达到16 MPa。

如果4号机组的压油罐内氮气气囊体积较正常气囊体积减少则相当于V0变小，油压罐需要的补油量3V0/16也减少，而泵的输出功率恒定（流量恒定），则对应的打压时间会缩短，这种现象和实际监测数据完全一致。

反之，当泄掉相同油量时，压油罐的压降△P也会增大，所以就会出现4号机组非同步导叶动作时压油罐的压降比其他机组大的现象。

3.4 结论

综上所述，可以肯定4号机组非同步导叶压油罐相比其它机组下降较快的原因是由于油罐内氮气气囊氮气含量降低，气囊体积变小导致的。通过对4号机组非同步导叶压油罐气囊进行补气后彻底解决油压下降较快的问题。

4 结语

目前在罐体内放置气囊提供能量的结构应用还比较广泛，往往由于是内置的所以很少会对其进行检查，而且发生内漏也不易被发现，这些隐患只有发展到一定阶段才会从某些方面反应出来甚至会造成一定的损失。此次问题的出现也给我们敲响了警钟，今后要加强对设备各部件的检查力度，尤其是对一些内置部件要进行定期检查，确保不发生重大的安全事件。