水電機(jī)組調(diào)速器主配壓閥調(diào)節(jié)頻繁分析及應(yīng)急處理研究

段水航，劉 釗，余凱鵬，劉天雄，劉潤昌

(中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443000)

某巨型水電機(jī)組(以下簡稱為“X機(jī)組”)自2014年投運以來，主配壓閥始終存在調(diào)節(jié)頻繁問題，主要表現(xiàn)為調(diào)速器在A套、B套或機(jī)手動并網(wǎng)運行狀態(tài)下，導(dǎo)葉均存在偏關(guān)趨勢，靠主配壓閥頻繁往開的方向調(diào)節(jié)以保持導(dǎo)葉開度。機(jī)組正常運行時，主配壓閥調(diào)節(jié)周期因?qū)~開度不同而稍有差別，在6～20 s之間。

1 主配壓閥介紹

主配壓閥型號為WBLDT-250，通徑為250 mm，活塞為工字型結(jié)構(gòu)，主配壓閥主活塞遮程為0.30～0.50 mm，靜態(tài)油耗<3.0 L/min。主配壓閥活塞向關(guān)閉側(cè)最大行程25 mm，向開啟側(cè)最大行程20 mm。主配壓閥分A/B套控制，A套采用高性能比例閥作為電液轉(zhuǎn)換單元；B套采用五相步進(jìn)電機(jī)作為電位移轉(zhuǎn)換單元，主配壓閥分別由比例閥和五相步進(jìn)電機(jī)引導(dǎo)閥進(jìn)行液壓控制，實現(xiàn)導(dǎo)葉接力器的開啟與關(guān)閉。主配壓閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 主配壓閥圖

2 主配壓閥調(diào)節(jié)頻繁原因分析

2.1 主配壓閥調(diào)節(jié)頻繁電氣控制原因分析

2016年6月，對調(diào)速器電氣控制部分進(jìn)行了試驗及數(shù)據(jù)錄波[1]。分別在A套自動模式、B套自動模式、機(jī)手動模式下，選定4個特定導(dǎo)葉開度進(jìn)行調(diào)速器電氣控制試驗，記錄主配壓閥調(diào)節(jié)時間、調(diào)節(jié)幅度以及主配壓閥、接力器信號反饋變化情況，完成A套/B套在線錄波，并計算出導(dǎo)葉關(guān)閉速率，試驗時間為2 min，最終試驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 調(diào)速器不同開度下A/B套主用自動方式及機(jī)手動時導(dǎo)葉關(guān)閉速率及調(diào)節(jié)周期表

試驗結(jié)果如下。

1)調(diào)速器在4個導(dǎo)葉開度，A套/B套分別主用的自動模式下，機(jī)組功率及導(dǎo)葉開度均能有效跟蹤給定值，說明A套/B套位移傳感器、主接力器傳感器反饋情況良好；

2)各開度、各模式下均存在導(dǎo)葉關(guān)閉速率均超標(biāo)，調(diào)速器檢修規(guī)程要求機(jī)手動狀態(tài)下接力器漂移值為小于1 mm/min；

3)主配壓閥調(diào)節(jié)周期最短為4.6 s，最長為14.21 s，均屬頻繁調(diào)節(jié)。

2.2 主配壓閥調(diào)節(jié)頻繁機(jī)械原因分析

2.2.1 主配壓閥調(diào)節(jié)時導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和接力器的力學(xué)分析

設(shè)機(jī)組蝸殼前水壓力施加給活動導(dǎo)葉，又通過導(dǎo)水機(jī)構(gòu)傳導(dǎo)給接力器的作用力為A；設(shè)主配壓閥壓閥通過配油方式作用到接力器的力為B。

即A=水力，B=(P開-P關(guān))×S油缸面積

式中：P開為接力器開腔壓力；P關(guān)為接力器關(guān)腔壓力；S油缸面積為接力器活塞有效面積。

其中，S油缸面積為定值，同一工作水頭、開度下，A亦為定值。機(jī)組并網(wǎng)運行中，非主配壓閥調(diào)節(jié)時間，水壓力使活動導(dǎo)葉存在向關(guān)側(cè)運動的趨勢，即A>B，P開>P關(guān)。接力器開關(guān)腔壓力差的的大小決定了活動導(dǎo)葉向關(guān)側(cè)運動的速度[2]。接力器活塞向關(guān)側(cè)運動達(dá)0.15%接力器全行程時，主配壓閥向開側(cè)方向調(diào)整1次。

2.2.2 主配壓閥調(diào)節(jié)頻繁時接力器開關(guān)腔壓力分析

為探索接力器開關(guān)腔壓力變化規(guī)律，將調(diào)節(jié)頻繁的X機(jī)組和調(diào)節(jié)不頻繁的Y機(jī)組在同一工作水頭、相似導(dǎo)葉開度下的接力器開關(guān)腔壓力變化曲線進(jìn)行對比，接力器開關(guān)腔壓力變化曲線分別見圖2、圖3，X機(jī)組主配壓閥調(diào)節(jié)周期為11 s，Y機(jī)組主配壓閥調(diào)節(jié)周期為56 s。

結(jié)合圖2、圖3，對比發(fā)現(xiàn)X機(jī)組和Y機(jī)組的接力器開腔壓力P開的變化幅度均較小。X機(jī)組非主配壓閥調(diào)節(jié)時間接力器關(guān)腔壓力P關(guān)上升速率和上升幅度均較大，P關(guān)從最低值上升到最高值，上升幅度為1.23 MPa，用時9 s；Y機(jī)組非主配壓閥調(diào)節(jié)時間接力器關(guān)腔壓力上升速率和上升幅度均較小，P關(guān)從最低值上升到最高值，上升幅度為0.56 MPa，用時54 s。由2.2.1中的力學(xué)公式可以得出X機(jī)組非主配壓閥調(diào)節(jié)時間，B的下降速率較大，相應(yīng)的導(dǎo)葉關(guān)閉速率也就越快，主配壓閥調(diào)節(jié)周期就越短[3]。由此可以得出：X機(jī)組接力器P關(guān)上升速率較快是主配壓閥調(diào)節(jié)頻繁的根本原因。

圖2 X機(jī)組主配壓閥調(diào)節(jié)頻繁時接力器開關(guān)腔壓力變化曲線圖

圖3 Y機(jī)組主配壓閥調(diào)節(jié)時接力器開關(guān)腔壓力變化曲線圖

2.2.3 X機(jī)組接力器P關(guān)上升過快原因分析

接力器關(guān)腔內(nèi)部壓力油非正常升高主要有以下幾個原因：①事故配壓閥內(nèi)部操作油管或壓力油管內(nèi)漏到接力器關(guān)腔；②主配壓閥在中位時，主配壓閥P腔壓力油直接滲漏到接力器關(guān)腔；③接力器開腔壓力油直接滲漏到接力器關(guān)腔。

下面逐一進(jìn)行分析。

1)事故配壓閥內(nèi)漏分析。依照調(diào)速器原理圖，事故配壓閥存在兩處內(nèi)漏點可能導(dǎo)致接力器關(guān)腔壓力上升較快：①事故壓力油側(cè)事故配壓閥閥芯和襯套處內(nèi)漏；②主配壓閥關(guān)腔側(cè)事故配壓閥側(cè)面控制油腔向操作腔串油。見圖4。

圖4 接力器關(guān)腔側(cè)事故配壓閥結(jié)構(gòu)圖

分析結(jié)論：停機(jī)備用狀態(tài)，隔離閥全關(guān)，緊急停套投入，此時主配壓閥關(guān)腔側(cè)事故配壓閥操作腔、主配壓閥關(guān)腔和系統(tǒng)主管路連通，系統(tǒng)主管路壓力顯示均為零(見圖5)，說明主配壓閥關(guān)腔側(cè)的事故配壓閥控制油腔和操作油腔無內(nèi)漏。事故配壓閥內(nèi)漏不是接力器P關(guān)上升速率較快的原因。

圖5 X機(jī)組備用期間調(diào)速系統(tǒng)管路壓力圖

2)主配壓閥中位時供油量分析。調(diào)速器無水試驗時，主配壓閥中位時的偏開和偏關(guān)并不能直接造成接力器活塞向開側(cè)或關(guān)側(cè)運動，還和主配壓閥中位時的遮程間隙(形成的配油量)與接力器活塞間隙(形成的內(nèi)漏量)這兩值的相對大小有關(guān)系[4]。正常情況下，接力器活塞靜態(tài)耗油量標(biāo)準(zhǔn)小于12.8 mL/min，遠(yuǎn)小于主配壓閥中位時遮程間隙的供油量。

由表2數(shù)據(jù)可以看出，接力器第3 min漂移量凈值為接力器開關(guān)腔壓力穩(wěn)定后的數(shù)據(jù)，負(fù)值表示接力器向開側(cè)運動，所以2019年度機(jī)組主配壓閥中位時為偏開，代表主配壓閥在中位時，向主配壓閥開腔、關(guān)腔同時配油的相對差值的結(jié)果為向開腔供油。那么與接力器關(guān)腔相連的主配壓閥關(guān)腔在相對值方面表現(xiàn)為通回油，不是接力器P關(guān)上升速率過快的原因。

表2 2018-2019年度X機(jī)組接力器靜態(tài)漂移試驗數(shù)據(jù)表

故利用排除法，接力器P關(guān)上升速率過快的因素只有2.2.3中②接力器開腔內(nèi)漏到關(guān)腔。

3 接力器內(nèi)漏情況惡化的應(yīng)急處理措施

如主配壓閥調(diào)節(jié)周期繼續(xù)減小，集油槽油溫則會繼續(xù)上升，高油溫會加速透平油的劣化[5]，降低壓油泵使用性能，同時油溫升高會導(dǎo)致油粘度降低，造成系統(tǒng)內(nèi)漏進(jìn)一步加大。汛期機(jī)組滿負(fù)荷運行時，如接力器內(nèi)漏情況惡化，將導(dǎo)致集油槽運行油溫進(jìn)一步升高，為降低內(nèi)漏情況惡化給調(diào)速系統(tǒng)造成的危害，應(yīng)制定汛期運行的應(yīng)急處理措施，以下措施可供借鑒。

1)做好集油槽冷卻器啟動準(zhǔn)備。某些水電機(jī)組調(diào)速器集油槽運行油溫長期低于冷卻器啟動油溫定值，為避免冷卻器損壞導(dǎo)致調(diào)速器油系統(tǒng)進(jìn)水，會將冷卻器本體退出運行，壓油泵卸載管路經(jīng)過冷卻器旁通閥。如果出現(xiàn)接力器內(nèi)漏量惡化，應(yīng)首先對冷卻器水管路進(jìn)行打壓試驗，防止水管路銹蝕導(dǎo)致壓力油進(jìn)水，引起機(jī)組非停。

2)更改調(diào)速器壓油泵啟動定值，降低壓油泵啟動頻次。集油槽油溫升高、黏度降低，會導(dǎo)致內(nèi)漏更加嚴(yán)重，為防止壓油泵頻繁啟停造成聯(lián)軸器彈性體損壞，應(yīng)降低壓油泵啟動頻次[5]。不影響調(diào)速系統(tǒng)正常運行的情況下，對主泵壓力開關(guān)啟停定值進(jìn)行調(diào)整，可將主泵啟動壓力值調(diào)低5%左右，停泵壓力值調(diào)高5%左右，以降低壓主泵啟動頻次，緩解集油槽油溫升高幅度。

3)調(diào)整主配壓閥中位向開側(cè)偏移。機(jī)組停機(jī)后，調(diào)整主配壓閥中位向開側(cè)偏移，使主配壓閥開腔向接力器開腔供壓力油，主配壓閥關(guān)腔和接力器關(guān)腔連通并同時通回油，即可將接力器P關(guān)上升速率降低，導(dǎo)葉關(guān)閉速率隨即降低，主配壓閥調(diào)節(jié)周期延長，一定程度上可控制壓油泵啟動頻次和集油槽油溫上升幅度。

4 結(jié) 語

調(diào)速器主配壓閥調(diào)節(jié)頻繁探索分析及試驗過程，提供了與之類似疑難問題的可供借鑒的分析方法。調(diào)速系統(tǒng)接力器的內(nèi)漏量超標(biāo)會造成機(jī)組并網(wǎng)運行時主配壓閥調(diào)節(jié)頻繁，并導(dǎo)致調(diào)速系統(tǒng)耗油量增加，主壓油泵加載時間間隔縮短，調(diào)速器壓力油油溫異常升高，油品性能下降、壽命縮短。通過分析主配壓閥調(diào)節(jié)頻繁的根本原因，提出針對性強(qiáng)的接力器內(nèi)漏惡化的緊急處理措施，消除調(diào)速系統(tǒng)各部件存在的內(nèi)漏現(xiàn)象，對提高機(jī)組并網(wǎng)運行時調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)性能，降低壓力油油溫，延長透平油使用壽命具有積極意義。