浅析水轮机调速器压力油罐改造的主要参数计算

王红凯，唐林钧，吕传宝，周 杰

（1.贵州乌江水电开发有限责任公司东风发电厂，贵州 清镇 551400；2.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081）

1 概述

1.1 工程概况

东风发电厂隶属贵州乌江水电开发有限责任公司，为乌江流域梯级开发的第二级，地处贵州省清镇市与黔西县交界的鸭池河段上，距省会城市贵阳88 km。电厂原装机容量3×170 MW，首台机于1994年投产发电；2003年11月~2005年5月经增容改造装机容量增至3×190 MW，布置在老厂房；2004年3月~2005年12月又增扩1台单机容量为125 MW水轮发电机，布置在新厂房。目前，电厂总装机为695 MW，为乌江水电开发注入动力，也促进了贵州经济和水电行业的发展。

调速器压力油罐是调速系统的重要组成部分。在改造过程中，为保障水轮机调速器的可靠动作，有必要计算压力油罐的容积和压力等级等相关技术参数[1]。

1.2 电厂调速系统压力油罐现状

东风发电厂老厂1号、2号、3号机调速器压力油罐型号均为YZ-4.0-4.0。设计压力4.0 MPa，容积为4.0 m3。为机组调速系统提供操作压力油，以实现机组功率及频率调节，于1994年7月投运。

1.3 调速器压力油罐存在的问题

调速器压力油罐投运时间近30年，已超出压力容器设计使用年限，存在一定的安全风险。根据规定，目前每年需进行相关检测，检测手续复杂。

图1 1号机压力油罐设备现场面貌

1.4 电厂调速器压力油罐改造的必要性

1.4.1 压力油罐改造是满足相关规程的需要

压力油罐为特种设备，接受国家相关部门的监督。根据国家TSG 21——2016《固定式压力容器安全技术监察规程》规定，压力容器未规定设计使用年限，但是使用超过20年的压力容器视为达到设计使用年限[2]。而老厂房压力油罐运行近30年，按规定应进行更换。

1.4.2 压力油罐改造是设备本身的需要

调速器压力油罐投运时间近30年，已超出压力容器设计使用年限。根据规程压力油罐每年按期进行一次安全检测，且部分压力油罐安全评级为4级，每年需委托有安全资质机构进行检测，并到设备原注册登记机关办理相关手续，方能继续使用，且在检测过程中须泄压并排空压力油罐的内部介质，耗费较多人力和物力[3]。

结合电厂实际和原压力油罐制造厂家实际情况，压力油罐投运30多年，原制造厂已不能提供为保障压力油罐正常运行所需的备品备件及相关附件。综上所述，为消除安全隐患，电厂1号~3号压力油罐改造是必要的。

1.5 电厂调速器压力油罐改造的可行性

（1）压力油罐为特种设备，由有相关资质的设备厂家生产制造，确保设备制造质量及检验。

（2）调速系统压力油罐布置于发电机层，该层安装空间大，主厂房内设有起重设备，压力油罐的拆除、安装不存在制约因素。

2 电厂机组压力油罐主要参数

2.1 基本设计参数

调速器压力油罐复核内容主要包括压力油罐的容积及压力等级，根据调速器及接力器的主要技术参数进行压力油罐选型计算。1号~3号机组参数一致，则以其中1台机组计算为例，电厂调速器压力油罐及接力器实际运行技术参数如下：

压力油罐的工作油压的上限Pomax：4.0 MPa；

压力油罐的工作油压的下限Pomin：3.7 MPa；

接力器最低操作油压PR：2.9 MPa；

接力器参数见表1。

表1 接力器参数

则导叶接力器总容积Vs=0.218 m3。

2.2 压力油罐的容积计算准则

根据GB/T 9652.1——2019《水轮机调速系统技术条件》4.4.2项规定：在正常工作油压下限至最低操作压力PR之前，压力油罐可用油体积至少应满足如下要求[4]：

（1）单调整反击式机组调节系统为导叶接力器总容积的3倍；

（2）双调整反击式机组调节系统为导叶接力器总容积的3倍再加轮叶接力器容积的2倍；

（3）双调整冲击式机组调节系统为折向器接力器总容积的3倍再加喷针接力器容积的2倍；

（4）对于带调压阀控制的双调整调节系统为导叶接力器总容积的3倍再加调压阀接力器容积的4倍；

（5）在用于孤网运行的情况下，应适当加大可用油体积，具体数值由供需双方商定。

压力油罐中的压力降到最低操作油压值时，压力油罐的可用油容积Vu应满足要求：对于混流式水轮机调速器，有Vu≥3Vs。式中Vs为所有导叶接力器总容积。

2.3 压力油罐容积计算

根据《水电站机电设计手册－水力机械》中的绝热过程方程，PVk=C（常数）[5]。调速器油压装置在运行过程中，压力油罐内的压缩空气既不是按等温规律变化，也不是按绝热规律变化，而是介于两者之间的中间状态变化。根据国内电站的统计规律，取多方指数k=1.3，即PV1.3=C。推得公式：

式中：

Pomin—压力油罐的工作油压的下限；

Vair—压力油罐内的压缩空气容积；

PR—接力器最低操作油压；

Vu—压力油罐的可用油容积。

2.3.1 压力油罐的可用油体积

即：Vu≥3Vs=0.66 m3

2.3.2 工作油压上、下限时的空气容积

计算工作油压下限POmin时的空气容积Vair-min和工作油压上限POmax时的空气容积Vair。由公式：

2.3.3 压力油罐容积计算

根据DL/T 1548——2016《水轮机调节系统设计与应用导则》，压力油罐容积V0可按下式计算[6]：

式中：剩余油量容积（VRES）按下述方法确定：事故低油压机组紧急停机后压力罐内剩余油的油面应比出油管管口高2倍的出油管管径，防止压力罐内空气进入压力管道；如压力罐装在回油箱上，其油面的高低还应能便于油面显示，通常取VRES=（0.1~0.2）Vu，本次取VRES=0.066。

按JB/T 7072——2004《水轮机调速器及油压装置系列型谱》选择系列标准及考虑一定裕量来选择压力油罐[7]，并结合电厂相关要求，容积取为4 m3。

事故停机后油压：

经计算，事故停机后油压满足不低于最低操作油压的要求。

2.4 压力油罐额定压力计算

根据电厂现有的接力器及调速器设备、管路的设计压力及电厂实际情况，压力油罐工作压力取为4.0 MPa，设计压力为6.5 MPa。

2.5 压力油罐圆筒高度及罐体总高度计算

结合现场空压机室高度及空间实际情况，为便于压力油罐安全阀的运行检修，压力油罐内径按1 200 mm设计，采用EHA椭圆形封头。根据上述计算结果，压力油罐的容积为4 m3。可知：

式中：

V—压力油罐总容积，4 m3；

R—半径，600 mm；

H—圆筒高度，mm；

V1—压力油罐封头容积。

根据规范GB/T 25198——2010《压力容器用封头》[8]查得V1=0.254 5 m3。可求得H=3 088 mm，取圆筒高度为3 100 mm。考虑压力油罐支撑等，总高度为3 860 mm。结合空压机室布置，满足现场运行和检修要求。

2.6 压力油罐厚度、强度、应力计算

根据GB/T 150.3——2011《压力容器 第3部分：设计》[9]可知，厚度计算按下式：

式中：

Pc—设计压力，6.5 MPa；

Di—内径，1 200 mm；

[σ]t—设计温度许用应力，185 MPa；

Φ—焊接接头系数，1.00。

根据上式可求δ=21.46 mm，结合现场实际需求及腐蚀裕量1.5 mm，取压力油罐名义厚度δn为24 mm。

有效厚度为δe=名义厚度-腐蚀裕量-钢板厚度负偏差=24-1.5-0.3=22.2 mm＞δ，满足设计要求。

在满足60℃的条件下，最大允许工作压力按下式计算：

式中：

δe—有效厚度，22.2 mm

[σ]t—设计温度许用应力，185 MPa

Di—内径，1 200 mm

计算得：[PW]=6.72 MPa＞6.5 MPa。满足要求。

在满足60℃的条件下，计算应力按下式计算：

由上式计算得，σt=178.9 MPa＜185 MPa，满足设计要求。

2.7 压力油罐主要参数计算结果

根据上述计算结果，1号、2号、3号机调速器压力油罐容积为4 m3，额定压力为4.0 MPa，压力油罐容积及额定压力复核结果与东风发电厂改造前一致。主要参数如表1。

为适应现有的管路及设备布置，为利用原压力油罐基础，进行现场复测，结合现场管路布置，确定压力油罐本体布置及管路的接口方位和尺寸。

表1 压力油罐主要技术参数表

3 结语

调速器压力油罐是调速系统的重要组成部分，为调速系统的动作提供压力油源，归属于特种设备，尤其是对于超期服役的压力油罐，存在较大的安全隐患，应高度重视运行期间的安全性，保障运行人员的人身安全。本电厂依据相关规程进行压力油罐改造，不仅提升了油源的可靠性，也提高了压力油罐运行的安全性，节约了运行和检测成本。