灯泡贯流机组动水重锤关机试验设计与实施研究

姚建中

（中国电建集团海外投资有限公司，北京 100048）

1 概述

南欧江一级水电站位于老挝境内，为南欧江流域7个梯级水电站的最末一级，电站布置有4台灯泡贯流式水轮发电机组，总装机容量180MW，于2020年全部投产发电。根据运行需求，重锤作为灯泡贯流机组在调速器发生故障无法工作或者压力油罐失压时，通过重力关闭水轮机导叶的最后手段，水轮发电机组应进行动水重锤关机试验，验证重锤关机装置能否安全、可靠的关闭导叶，从而使机组停机。

2 技术参数

机组主要参数如下。

机组型式：灯泡贯流式。

机组容量：45MW。

额定水头：16m。

转轮直径：5850mm。

调速器工作油压：6.3MPa。

重锤重量：约31t。

调保计算导叶关闭时间：第一段（100%～40%开度）关闭时长3.6s，第二段（40%～0开度）关闭时长7.2s。

空转导叶开度：9%（H=17m）。

额定负荷导叶开度：约68%（H=17m）。

3 试验方案设计

3.1 试验原理

根据主机设备厂提供的《重锤关机原理》及《机组事故停机流程图》，正常情况下，机组导叶通过调速器进行调节和关闭。本试验通过相应的临时措施，在重锤关机装置投入关闭后，使导叶主配居中不动作，从而达到切断导叶调节和关闭的油压，导叶接力器开腔与调速器回油箱直接连通回油，导叶接力器关腔直接从调速器回油箱补油，导叶仅在重锤的重力作用下关闭，从而实现了在动水情况下，无油源关闭导叶即机组关机的测试。液压原理图如1。

机械过速保护装置动作时，自机械过速保护装置的压力油控制重锤卸荷阀动作，插装阀2开启，插装阀1关闭，卸除接力器开腔的油压，接力器开腔与调速器集油箱直接相通。此时，接力器关腔即使失去调速器主配提供的油压（如主配拒动），那么导叶也会在重锤的作用下关闭，关腔支管上的单向阀自动开启，直接由调速器集油箱向接力器关腔补油，由重锤操作导叶关闭完成停机。重锤操作导叶动作的油流路径如图1中红线所示。

图1 操作油的正常路径（蓝色）与机械过速保护装置动作时的路径（红色）

3.2 试验设计

动水重锤关机的必要条件首先是机组在静态情况下完成重锤关机装置、机械过速保护装置的调试，各项调试结果自动控制流程正常；机组完成甩负荷试验，符合相关技术规范要求；另外，由于动水重锤关机试验过程中仅由重锤作用关闭导叶，为了保证设备安全，调整机组事故停机程序，具有机组过速自动保护功能。

（1）根据机组甩50%、75%额定负荷试验成果，转速上升即达到125.7%和135.4%额定转速，将转速表上115%信号设定值调整为140%，避免调速器现地状态下，由“转速115%额定转速+主配拒动”提前触发“紧急事故停机令”，导致试验失败，同时具有过速保护功能。

（2）监控程序临时屏蔽“重锤卸荷阀动作”引起监控程序“紧急事故停机”命令开出的“调速器紧急停机电磁阀动作”命令。

（3）临时增加“电气事故、机械事故、转速140% Ne、转速150%Ne 、转速155%Ne”等信号，开出“调速器紧急停机电磁阀”信号。

动水重锤关机试验首先进行静水试验，验证重锤关闭导叶时间和调速器油压关闭时间相近，确认试验的可行性；然后依次进行空载状态、小负荷试验、大负荷试验，逐步增加导叶开度试验，以验证试验方案可靠性，并保证设备安全。

4 试验步骤

4.1 静水试验

流道静水时，在导叶不同开度情况下，测试重锤关闭导叶情况及时间测试。导叶开度给定分别设置为：9%（空载态开度）、47%（50%负荷开度）、70%（100%负荷）、100%（全开），启动水轮机仿真测试仪录波，试验并记录以下工况下导叶关闭规律如表1。

表1

经对试验数据分析，纯重锤关闭导叶时间和调速器液压关闭导叶时间吻合，偏差较小，可以进行后续动水试验。

4.2 机组空载态试验

机组开机至空载态，运行稳定后调速器切入手动状态，手动投入重锤卸荷阀，确认电气控制程序正确（试验过程中不投入关腔油压）；监控LCU开出“紧急事故停机”命令，启动停机流程，在调速器电气柜上观察导叶开度，当导叶开度无明显下降时，手动投入调速器紧急停机电磁阀，确认导叶全部关闭，完成停机。试验结果如表2。

表2

4.3 小负荷重锤关机试验(4MW)

测试目的：试验重锤关闭导叶。

机组正常开机带负荷至4MW，运行状态稳定后，调速器切入手动状态，投入重锤卸荷阀，监控LCU开出“紧急事故停机”命令，跳开发电机出口断路器、灭磁开关，启动停机流程；在调速器电气柜上观察导叶开度，当导叶开度无明显下降时，投入调速器紧急停机电磁阀，确认导叶全部关闭，完成停机。

图2

表3

4.4 机组带50%试验(22.5MW)

机组正常开机至带50%额定负荷，运行状态稳定后，调速器切入手动状态，投入重锤卸荷阀，监控LCU开出“紧急事故停机”命令，跳开发电机出口断路器、灭磁开关，启动停机流程，在调速器电气柜上观察导叶开度，当导叶开度无明显下降时，投入调速器紧急停机电磁阀，确认导叶全部关闭，完成停机。

图3

表4

鉴于老挝电网容量较小，调度中心未允许继续增加负荷进行试验，但所取得的试验结果已可以验证重锤可以在调速器失灵的情况下将导叶关闭，保证设备安全。试验结束后，对机组进行详细检查，并将监控程序和定值设置恢复至正常状态。

5 结语

（1）机组静态调试和静水纯重锤关闭导叶的时间与机组实际运行状态基本吻合，测试是动水试验的必要过程和保证试验安全的先决条件。

（2）试验方案设计及临时控制程序的设置既保证了试验的有效性，确保了试验过程中接力器关腔无油压，实现了纯重锤关机，同时考虑了多重自动、手动保护，保证机组可靠停机。

（3）重锤的重量是动水重锤关机的主要因素，在设备订货期间，应根据模式试验结果，结合现场布置空间，详细计算导叶关闭的水力矩和摩擦力矩，复核重锤的重量，并留有一定裕量，以保证灯泡贯流机组的运行安全。