大型轴流转桨式水轮发电机组导叶开闭曲线多拐点问题处理过程分析

梁明华，白学斌

(中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450001)

1 概 述

PatucaⅢ水电站位于洪都拉斯，装有2台单机容量为52 MW的轴流转桨式水轮机发电机组，每台机组配置1套可调式液压调速器。在安装工作结束后即开始调速器静态无水调试工作，调试过程中有一个极为重要的环节，就是需要根据主机厂提供的机组调保计算书并通过调速器控制阀组来调整水轮机导叶的开闭速率，以保证机组后期运行的安全性和稳定性。从导叶的关闭理论曲线可以看出(见图1)，导叶关闭分为两段速率(即设计规律只存在1个拐点)；这是为了平衡导叶关闭过程中流道内压力上升和机组转速上升速率之间的关系，以保证机组的安全。但在实际调试过程中却发现，导叶的关闭曲线变成了3段(见图2)；也就是说导叶实际关闭速率与调保计算书中的理论曲线不符，这就存在极大的安全隐患；更改调速器PID参数或调整节流阀的开度后，也出现同样的情况；因此就考虑是机械硬件部分存在问题。

图1 导叶关闭理论曲线

图2 导叶关闭实际曲线

2 原因分析

水轮机调速器机械部分主要由主配阀组、比例阀、事故紧停阀、过速保护阀、两段关闭阀、其他检修阀组、液压管路、回油箱、压力油罐等组成。

液压油路分为两路：一路是主操作油路，另一路是控制油路；当然油源均来自压力油罐。主操作油路由压力油罐出来经过主配压法、比例阀、事故配压阀、进入接力器。控制油路由压力油罐出来再分为两路：一路经过过速保护阀进入事故配压阀作为其控制油；另一路经过事故配压阀，再分两路出去分别进入两段关闭阀和接力器液压锁定阀(见图3)。其中，主操作油管径为DN80，控制油管径为DN15(中间无变径)。

图3 原液压油路示意(灰色线条为控制油管路)

理论上的导叶关闭曲线拐点是由两段关闭阀组进行调整的，则首先对两段关闭阀组进行研究。分析两段关闭结构时发现，两段关闭阀的阀芯动作时，进出油腔体较大且阀芯行程较长(约为35 mm)；这也就意味着两段阀动作时短时间内需要消耗大量的控制油。由于控制油管路直径为DN15，因此初步判定两段阀动作时，控制油管路内的油量在两段阀阀芯动作时消耗较大且得不到及时补充；这直接导致控制油管路内的压力会在两段阀动作时短时间失压(或者说欠压)。

再分析事故配压阀。由于事故配压阀的控制油与两段关闭阀的控制油管路共用，那么在两段阀动作导致的控制油管路失压时，事故配压阀势必会受到影响。这里用到的事故配压阀属于插装阀(共4个单独的阀芯分别控制主操作油的进出)，其中4个主阀芯两两配对，并分别由控制油控制其上下动作(即阀芯开启或关闭)；那么在事故配压阀的控制油失压时，其主阀芯会在弹簧力的作用下弹开(即阀芯打开)；此时接力器的事故油路也接通，这也就意味着正常回路在向接力器供压力油的同时，又在两段关闭阀动作时给接力器增加了一个操作油供油回路。分析其结果是：在两段阀动作时，接力器会由于增加了一个供油回路，所以增加了供油流量和供油压力，导致接力器加速关闭(即此时的导叶关闭速率比两段关闭阀动作之前的要快，也就是图2中的第二段折线)。

当两段关闭阀动作完成后，控制油管路压力恢复，此时事故配压阀回复其正常状态；同时两段关闭阀投入工作，限制主操作油流量，接力器按照预调整的速度接着完成剩余行程的关闭(即图2中第三段折线)。

综合上述分析得到的结论是：控制油管路管径过小，满足不了两段阀动作时所需要的油量。初步考虑以增大管径的方式来进行补偿，但为了保险起见(即防止返工)，又考虑将事故配压阀和两段关闭阀的控制油管路分开设置，彻底避免上述情况的出现；因此，处理此问题的方式就是改造原有管路。

3 管路改造方案的确定

根据前面的分析，决定将控制油管路更换成同材质的DN25管材，并且将事故配压阀和两段关闭阀的控制油管路分开配置。根据现场情况，应最大限度减小对已有管路的更改，决定将原有控制油管路进入到两段关闭阀的三通换为直管(即将两段关闭阀隔开)；同时在主操作油供油管上增加变径三通，由三通处重新配管直接接引至两段关闭阀控制油口(见图4)。

图4 改造后的油路示意(灰色线条为变更部分)

现场实施步骤如下。

(1)系统泄压并排油，施工区域设置安全警示标识，设备上悬挂禁止操作的警示标牌及设置锁定装置。

(2)搭设脚手架，拆除需变更部分的管路。

(3)根据现场情况及变更方案重新配管。管路焊接、压力试验、冲洗及回装(注：由于调速器系统管路为中压管路，焊接时建议采用氩弧焊的方式；且在焊接时向待焊管道内通入氩气以保证其焊缝内部成型质量)。

(4)移出现场施工材料、工器具、脚手架、施工区域清洁。

(5)系统充油、上压观察接头处有无泄漏。

(6)按照原调试方案进行系统调试，观察导叶关闭曲线是否与理论设计曲线吻合。

(7)若实验结果符合预期，则此次处理过程结束。

(8)需要准备的设备及工器具主要有：等离子切割机、氩弧焊接、便携式脚手架、角向磨光机、试压泵、过滤循环冲洗泵、常规的工具包、力矩扳手、草酸、透平油、棉纱团、其他需要使用的材料等。

4 处理结果验证

按照上述过程对现场管路进行改造并再次试验后，得出的关闭曲线如下所示(见图5)。从曲线上看，多出的拐点已不再出现，这也就证明问题处理的思路及方法是对的，后面仅需根据机组调保计算书中的导叶关闭曲线对实际导叶关闭曲线进行精调即可。

图5 改造后的导叶关闭曲线

5 结 语

水轮发电机组的安全稳定运行既要依靠机组本体可靠的制造、安装质量，又要依靠合理的调速器控制方式；其中调速器系统涉及主机设备厂商及调速器供货商(甚至部分阀组的外协件供应商)等多

个方面，在前期设计要协调好这几个方面的技术工作；如控制方式、系统设计、主要部件的结构及工作方式等。只有结合好这些方面，才能够避免现场返工并一次性达到设计的机组运行状态。