純機(jī)械過速保護(hù)裝置觸發(fā)后事故配壓閥不能及時響應(yīng)的原因分析及處理

楊應(yīng)武，吳書林

（阿壩水電開發(fā)有限公司，四川省成都市 610041）

0 引言

某水電站為混流式機(jī)組，裝機(jī)容量為3×40MW，水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速187.5r/min，飛逸轉(zhuǎn)速375r/min，額定水頭58.5m。水輪機(jī)調(diào)速器液壓系統(tǒng)由油壓裝置、主配壓閥、事故配壓閥、機(jī)械過速保護(hù)裝置組成。其中，機(jī)械過速保護(hù)裝置由圖拉博提供。水輪機(jī)過速保護(hù)主要有電氣一級過速保護(hù)、電氣二級過速保護(hù)以及機(jī)械過速保護(hù)。其過速保護(hù)響應(yīng)順序?yàn)殡姎庖患夁^速保護(hù)114%（且主配拒動）→電氣二級過速保護(hù)142%→機(jī)械過速保護(hù)150%。

水電站1號機(jī)組在進(jìn)行靜態(tài)模擬調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)械過速保護(hù)裝置（下文稱：圖拉博）動作后，其事故配壓閥未能及時響應(yīng)關(guān)閉導(dǎo)葉。從此現(xiàn)象可以判斷，機(jī)械過速保護(hù)裝置未能及時控制事故配壓閥關(guān)閉導(dǎo)葉。在實(shí)際運(yùn)行中的機(jī)組若發(fā)生此現(xiàn)象，將會因?qū)~滯后關(guān)閉引起機(jī)組轉(zhuǎn)速迅速上升，甚至可能發(fā)生機(jī)組飛逸的現(xiàn)象[1]。如果不能徹底解決此問題，將會對機(jī)組的安全運(yùn)行帶來較大隱患，本文將通過因素排查法，利用理論計(jì)算，查找問題的根源，介紹其處理方法，為同行參考。

1 原因分析

1.1 事故配壓閥工作原理

如圖1所示，正常情況下事故配壓閥P腔通入壓力油，O腔排油。同時，壓力油罐常壓油經(jīng)機(jī)械過速裝置及事故配壓閥電磁閥3→2腔，進(jìn)入事故配壓閥下腔R腔推動活塞向上移動。此時事故配壓閥只是串接在調(diào)速器主配壓閥到導(dǎo)葉接力器的控制油路中，即D→C與B→A各自相通，確保油路暢通。

圖1 調(diào)速器液壓系統(tǒng)圖Figure 1 Hydraulic system diagram of governor

當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷時，如果調(diào)速器發(fā)生故障，事故配壓閥電磁閥動作，此時事故配壓閥R腔泄油回路為1→4→5；當(dāng)機(jī)械過速動作時，其事故配壓閥下腔泄油回路為1→2→3→6→7，此時R腔油路切斷同時排壓，事故配壓閥上腔油壓推動活塞向下移動，切斷主配壓閥控制導(dǎo)葉開關(guān)的油路。與此同時事故配壓閥壓力油腔P→接力器關(guān)腔C，事故配壓閥排油腔O→接力器開腔A，從而使壓力油進(jìn)入導(dǎo)葉接力器關(guān)閉腔，使接力器迅速關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)機(jī)組過速狀態(tài)下的緊急停機(jī)[2]。

1.2 原因分析

根據(jù)工作原理可知，機(jī)械過速保護(hù)動作后，事故配壓閥通過下腔與回油管接通，活塞下移切斷主配壓閥，連通接力器開關(guān)腔實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉關(guān)閉，確保機(jī)組得到保護(hù)。當(dāng)出現(xiàn)響應(yīng)時間滯后，造成不能及時關(guān)閉導(dǎo)葉的主要原因有如下幾點(diǎn)：

（1）活塞與活塞缸出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象。當(dāng)圖拉博動作后，在活塞上下油腔形成了油壓差，如果活塞有卡阻現(xiàn)象時，上腔油壓不能及時推動活塞下移，將會遲緩事故配壓閥的動作時間。

（2）壓力油油質(zhì)差造成事故配壓閥內(nèi)部油孔有堵塞。如果事故配壓閥內(nèi)部油孔有堵塞現(xiàn)象，當(dāng)圖拉博動作后，由于油路不暢通，供油或泄油不及時均會延緩事故配壓閥動作時間。

（3）圖拉博油路不暢。由于圖拉博控制油和回油油路均與事故配壓閥連接，因此，圖拉博動作后如果其油路不暢通仍然會延緩事故配壓閥動作時間。

（4）泄油管路設(shè)計(jì)偏小。如果泄油管路直徑偏小，將會造成泄油流量受限，致使泄油不暢，依然會影響事故配壓閥活塞動作時間。

1.3 原因排查

根據(jù)上述原因分析，技術(shù)人員按照因素排除法，逐一對可能產(chǎn)生的原因進(jìn)行了檢查、試驗(yàn)。

（1）檢查之前對3臺機(jī)組機(jī)械過速保護(hù)裝置進(jìn)行測試，當(dāng)圖拉博動作后，1、2、3號機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉響應(yīng)時間分別為5.68s、5.12s、6.2s?？梢钥闯?，3臺機(jī)組均有事故配壓閥不能及時響應(yīng)的現(xiàn)象。

（2）直接手動將機(jī)組事故配壓閥事故停機(jī)電磁閥投入，事故配壓閥及接力器動作響應(yīng)時間均小于1s，滿足廠家技術(shù)文件要求。經(jīng)過電磁閥動作試驗(yàn)，可以判斷，事故配壓閥本體活塞并無卡組現(xiàn)象，事故配壓閥內(nèi)部油路暢通。

（3）對機(jī)械過速裝置的油路進(jìn)行檢查。分別對常壓管路Q、控制油管路A和泄油管路O接入0.7MPa壓縮空氣進(jìn)行吹掃檢查。檢查未發(fā)現(xiàn)油管路有任何堵塞及無雜渣現(xiàn)象，管路通氣正常。從感官上觀測，3支油管路出氣量基本一致。

（4）將圖拉博拆除返廠檢測。根據(jù)廠內(nèi)動作試驗(yàn)，圖拉博本體動作正常，反應(yīng)及時，油路暢通。

（5）通過對電磁閥、管路及活塞檢查、試驗(yàn)結(jié)果分析，電磁閥動作正常、連接油管路暢通、事故配壓閥活塞無卡組現(xiàn)象，圖拉博油路暢通，設(shè)備本體無異常。因此，需要對事故配壓閥與圖拉博相連的泄油管路進(jìn)行核算。

2 泄油管路核算

從事故配壓閥運(yùn)動結(jié)構(gòu)看，如圖2所示，活塞行程為25mm，上下端面有效受力面積分別為S1=35.04cm2、S2=50.24cm2，壓力油油壓為P=4.0MPa，下腔R油管路為φ10×1mm銅管。筆者認(rèn)為，通過變水頭孔口出流計(jì)算方法可以驗(yàn)證管路設(shè)計(jì)是否合理。

圖2 活塞運(yùn)動結(jié)構(gòu)模型圖Figure 2 Model diagram of piston motion structure

2.1 計(jì)算泄油管嘴橫截面積S3

式中S3——泄油管嘴橫截面積，m2；

d——泄油管嘴直徑，m；

π——常量，一般取3.14。

2.2 計(jì)算活塞下移時間t

根據(jù)變水頭孔口出流計(jì)算式[3]：

式中t——活塞下移時間，s；

H——活塞下移行程，m；

S2——活塞下端面積，m2；

S3——泄油管嘴橫截面積，m2；

g——常數(shù)，重力加速度，取10m/s2；

μ——常數(shù)，圓柱形外管路的流量系數(shù)，取0.82。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果看，與3臺機(jī)組實(shí)測值偏差均不大于1s，考慮測量誤差因素，基本符合事實(shí)?？梢猿醪脚袛?，其泄油管路直徑設(shè)計(jì)偏小。

2.3 泄油管管徑核算

按照廠家技術(shù)文件要求，事故配壓閥響應(yīng)時間不應(yīng)大于1s。即tˊ≤1s，此時按照式（2）可計(jì)算出泄油管的直徑。

解得：

式中′——泄油管嘴核算橫截面積，m2；

H——活塞下移行程，m；

S2——活塞下端面積，m2；

t′——活塞下移時間，設(shè)1s；

g——常數(shù)，重力加速度，取10m/s2；

μ——常數(shù)，圓柱形外管路的流量系數(shù)，取0.82。

根據(jù)泄油管嘴核算橫截面積，計(jì)算核算后管路直徑d′：

解得：

式中d′——泄油管直徑，cm；

S3′——泄油管嘴核算橫截面積，m2；

π——常量，取3.14。

根據(jù)上述原因分析可知，機(jī)械過速裝置泄油管路管徑偏小造成了事故配壓閥泄流不暢通，不能及時向下移動活塞關(guān)閉導(dǎo)葉?，F(xiàn)場測量事故配壓閥及過速裝置控制油管接口尺寸均為G28管螺紋，因此可將所有控制油管改為?28×3不銹鋼管。經(jīng)更換后，模擬試驗(yàn)機(jī)械過速動作試驗(yàn)，導(dǎo)葉關(guān)閉響應(yīng)時間小于1s，滿足要求。

3 結(jié)束語

在機(jī)組調(diào)試過程中，靜態(tài)模擬試驗(yàn)時，試驗(yàn)人員關(guān)注的是機(jī)械過速保護(hù)裝置動作靈敏度及事故配壓閥關(guān)機(jī)時間。動態(tài)試驗(yàn)時，一般機(jī)組轉(zhuǎn)速上升至試驗(yàn)轉(zhuǎn)速時為了保證機(jī)組安全，試驗(yàn)人員都會立即手動關(guān)閉導(dǎo)葉至全關(guān)，然后檢查機(jī)械過速裝置和事故配壓閥是否正確動作。因此，機(jī)械過保護(hù)裝置動作后事故配壓閥的響應(yīng)速度經(jīng)常被忽略。本文以某水電站1號機(jī)組為例，更多關(guān)注了保護(hù)動作后事故配壓閥的響應(yīng)速度問題，簡要介紹了水輪機(jī)機(jī)械過速保護(hù)裝置動作后，事故配壓閥不能及時響應(yīng)的原因和處理方法，為同行技術(shù)人員提供一些借鑒經(jīng)驗(yàn)。