桃源水電站調(diào)速系統(tǒng)油壓裝置優(yōu)化研究

楊 斌

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)桃源開(kāi)發(fā)有限公司，湖南桃源415700)

桃源水電站調(diào)速系統(tǒng)油壓裝置優(yōu)化研究

楊 斌

(中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)桃源開(kāi)發(fā)有限公司，湖南桃源415700)

根據(jù)桃源水電站調(diào)速系統(tǒng)油壓裝置原方案相關(guān)參數(shù)分析油壓裝置部分運(yùn)行狀態(tài)，得出原方案中油泵流量過(guò)大、油泵供油時(shí)間急促過(guò)短的結(jié)論，指出原方案工作情況下油泵及整體液壓系統(tǒng)可能發(fā)生故障的潛在危險(xiǎn)，同時(shí)提出優(yōu)化方案對(duì)油泵規(guī)格以及油泵啟停值進(jìn)行修改，并對(duì)優(yōu)化后油壓裝置運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，為后續(xù)水電站調(diào)速器油壓裝置改造方向提供思路。

油壓裝置；油泵；調(diào)速系統(tǒng)；桃源水電站

0 前 言

桃源水電站位于湖南省桃源縣城沅水干流，是沅水干流河段的第14個(gè)梯級(jí)電站，也是沅水干流最末1個(gè)梯級(jí)電站。電站正常蓄水位39.5 m，無(wú)調(diào)節(jié)能力，為河床徑流式水電站。電站裝機(jī)容量180 MW，裝設(shè)9臺(tái)單機(jī)容量20 MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組。多年平均發(fā)電量為7.93億kW·h，年利用小時(shí)數(shù)4 404 h。

水輪機(jī)調(diào)速器是水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的重要附屬設(shè)備之一，桃源水電站機(jī)組采用的是并聯(lián)PID全數(shù)字式微機(jī)電液調(diào)速器，其具有出力控制、轉(zhuǎn)速控制、開(kāi)度控制、水位控制、涌浪控制、水頭控制、電力系統(tǒng)頻率自動(dòng)跟蹤、自診斷和容錯(cuò)、穩(wěn)定等功能。

1 油壓裝置組成

調(diào)速系統(tǒng)油壓裝置是向機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的工作油源的液壓儲(chǔ)能裝置，包含壓力油罐及其附件、回油箱、油泵及其管路和閥組、油壓裝置控制柜以及所有其他必要的設(shè)備、管路、電纜、表計(jì)、附件等。

如圖1所示，壓力油罐為整個(gè)裝置的儲(chǔ)能元件，是根據(jù)要求基于《鋼制壓力容器》設(shè)計(jì)原則所得，整個(gè)結(jié)構(gòu)由鋼板焊接組成，其內(nèi)上部為壓縮空氣，下部為汽輪機(jī)油，油氣比一般在1/3～1/2之間；回油箱為儲(chǔ)存液壓油的容器，同時(shí)也為油泵、管路、閥組、自動(dòng)化元器件等提供支撐面板，閥組用于保護(hù)整個(gè)油壓裝置安全運(yùn)行。桃源水電站油壓裝置具體參數(shù)為：壓力油罐容積10.5 m3；回油箱容積12.5 m3；導(dǎo)葉接力器有效容積282 L; 槳葉接力器有效容積288 L; 導(dǎo)葉最快關(guān)機(jī)時(shí)間7 s；槳葉最快關(guān)機(jī)時(shí)間15 s；工作額定壓力6.3 MPa；工作介質(zhì)68號(hào)。

圖1 油壓裝置部分系統(tǒng)原理示意

2 油壓裝置運(yùn)行狀態(tài)分析

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，桃源水電站調(diào)速器油壓裝置回油箱面板安裝有主油泵、備用油泵以及輔助油泵，其壓力油罐上磁翻板液位計(jì)兩側(cè)安裝有開(kāi)關(guān)及傳感器，這些自動(dòng)化元件(開(kāi)關(guān)和傳感器)時(shí)刻監(jiān)控油罐內(nèi)油液狀態(tài)，根據(jù)設(shè)定好的調(diào)定值控制各個(gè)油泵以及補(bǔ)氣裝置的啟動(dòng)停止動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)整個(gè)油壓裝置系統(tǒng)的正常穩(wěn)定工作。

桃源水電站油壓裝置中主油泵啟動(dòng)壓力值為6.1 MPa，備用油泵啟動(dòng)壓力值為5.9 MPa，輔助油泵啟動(dòng)壓力值為6.15 MPa，其中輔助油泵用于機(jī)組穩(wěn)定負(fù)荷工況下，維持整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的正常泄漏消耗平衡，主油泵在壓力油罐中油壓壓力值降低至調(diào)定值時(shí)啟動(dòng)給油罐供油增壓，若主油泵的啟動(dòng)無(wú)法改善壓力油罐中壓力值降低的趨勢(shì)，壓力油罐中油液壓力值繼續(xù)降低至備用油泵調(diào)定值時(shí)備用油泵啟動(dòng)，與主油泵一起給壓力油罐供油。

桃源水電站油壓裝置具體參數(shù)為：壓力油罐容積VH=10.3 m3，工作油壓上限P上=6.3 MPa，工作油壓下限P下=6.1 MPa；備用油泵啟動(dòng)壓力P1=6.1 MPa，輔助油泵啟動(dòng)壓力P2=5.9 MPa，主油泵流量P3=6.15 MPa，備用油泵流量q1=10.15 L/s；輔助油泵流量q2=10.15 L/s；q3=1.6 L/s。對(duì)油泵工作過(guò)程進(jìn)行計(jì)算分析。

工作油壓的上限時(shí)油罐中油液量為

式中，V1為工作油壓的上限時(shí)油罐中油液量，m3；V2為工作油壓的下限時(shí)油罐中油液量，m3；V3為正常工作情況下可用油液量，m3；V4為輔助油泵啟動(dòng)時(shí)壓力油罐中油液量，m3。

工作油壓的下限時(shí)油罐中油液量為

正常工作情況下可用油液量為

V3=V1-V2=0.173 m3

輔助油泵啟動(dòng)時(shí)壓力油罐中油液量為

輔助油泵啟動(dòng)給壓力油罐供油使油壓恢復(fù)額定值所需時(shí)間

t1=(V1-V4)/q3=80.3 s

主油泵啟動(dòng)時(shí)壓力油罐中油液量為

V5=V2=3.26 m2

式中，V5為主油泵啟動(dòng)時(shí)壓力油罐中油液量，m3。

主油泵啟動(dòng)給壓力油罐供油使油壓恢復(fù)額定值所需時(shí)間

式中，t2為主油泵啟動(dòng)給壓力油罐供油使油壓恢復(fù)額定值所需時(shí)間，s。

備用油泵啟動(dòng)時(shí)壓力油罐中油液量為

備用油泵啟動(dòng)給壓力油罐供油使油壓恢復(fù)額定值所需時(shí)間

通過(guò)以上計(jì)算可以看出：不考慮液壓系統(tǒng)工作消耗以及泄漏的情況，3種工作狀態(tài)下壓力油罐中從泵啟動(dòng)開(kāi)始油液量恢復(fù)到正常工作狀態(tài)時(shí)間僅僅為16.23、14.68和80.3 s，所用時(shí)間過(guò)短，油泵從啟動(dòng)到停止過(guò)于急促，壓力波動(dòng)變化過(guò)大，油泵以及液壓系統(tǒng)本身內(nèi)部存在嚴(yán)重的壓力沖擊，對(duì)自身造成損傷，不利于液壓系統(tǒng)以及液壓元件的穩(wěn)定性。

桃源水電站調(diào)速器油壓裝置中所用水輪機(jī)油為68號(hào)汽輪機(jī)油，其運(yùn)動(dòng)粘度為67.09 mm2/s(溫度40 ℃下)，其值比常用46號(hào)汽輪機(jī)油大50%，粘度過(guò)大會(huì)使工作過(guò)程中油液運(yùn)動(dòng)阻力損失增加，導(dǎo)致油泵排壓過(guò)高，功耗增加，傳動(dòng)效率降低，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致油泵吸入口壓力降低，可能產(chǎn)生氣蝕，損壞泵內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當(dāng)泵組工作于運(yùn)行時(shí)間過(guò)短、啟停頻繁的情況下時(shí)，油液粘度過(guò)大可能導(dǎo)致的危害會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大，對(duì)油泵及整個(gè)液壓系統(tǒng)中的各部分元件損傷會(huì)加劇，因此有必要對(duì)桃源水電站調(diào)速器油壓裝置部分油泵規(guī)格進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)對(duì)于系統(tǒng)中設(shè)定元件啟停壓力值進(jìn)行優(yōu)化，改善整體液壓系統(tǒng)工作安全穩(wěn)定性。

3 優(yōu)化方案計(jì)算分析

針對(duì)原方案中油液粘度過(guò)大情況下油泵供油過(guò)快導(dǎo)致的液壓系統(tǒng)及元件工作不穩(wěn)定，壓力沖擊過(guò)大的缺陷，優(yōu)化油壓裝置中油泵啟停值以及油罐工作油壓上下限值，進(jìn)行方案優(yōu)化后分析計(jì)算，重新選定油泵規(guī)格。

優(yōu)化選定P上=6.3 MPa，P下=6.0 MPa；P1=6.0 MPa，P2=5.8 MPa，P3=6.1 MPa，q3=1.6 L/s。優(yōu)化后工作油壓的上限時(shí)油罐中油液量為

工作油壓的下限時(shí)油罐中油液量為

正常工作情況下可用油液量為

V3=V1-V2=0.263 m3

輔助油泵啟動(dòng)時(shí)壓力油罐中油液量為

輔助油泵啟動(dòng)給壓力油罐供油使油壓恢復(fù)額定值所需時(shí)間

t1=(V1-V4)/q3=107.8 s

相比于原方案中的80.3 s，輔助油泵啟動(dòng)使油壓恢復(fù)額定值所需時(shí)間有了延長(zhǎng)，主要是因?yàn)閱?dòng)壓力值進(jìn)行了調(diào)整，從當(dāng)初的6.15 MPa調(diào)整到了6.1 MPa，泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間稍微延長(zhǎng)，整體上對(duì)液壓系統(tǒng)油液平衡影響不大，但對(duì)油泵本身運(yùn)行平穩(wěn)性有了提高，同時(shí)延長(zhǎng)泵組工作時(shí)間有助于加快整個(gè)液壓系統(tǒng)熱平衡狀態(tài)的快速實(shí)現(xiàn)，保證了油泵工作環(huán)境的穩(wěn)定。

主油泵啟動(dòng)時(shí)壓力油罐中油液量為

V5=V2=3.17 m3

原方案中主泵啟動(dòng)使油壓恢復(fù)額定值所需時(shí)間為14.68 s，其時(shí)間很短促，油泵本身未工作于穩(wěn)定狀況下也許泵就急需停止，這樣的工作環(huán)境對(duì)泵損傷嚴(yán)重，這里對(duì)該時(shí)間進(jìn)行延長(zhǎng)，暫定為t2=40 s，可反算主油泵流量為

q1=5 L/s

即主油泵流量為5 L/s時(shí)，主泵啟動(dòng)使油壓恢復(fù)額定值所需時(shí)間為40 s，相比于原方案中的14.68 s，有了很大的延長(zhǎng)，壓力罐壓力的恢復(fù)能力依然有保障，而油泵工作的環(huán)境得到了很大程度的改善，油泵流量參數(shù)的減小使螺桿的螺旋角度有所變小，油泵啟動(dòng)、停止過(guò)程中的壓力沖擊降低，油泵穩(wěn)定性有所增強(qiáng)。

選取主油泵和備用油泵流量均為5 L/s，核算備用油泵啟動(dòng)使油壓恢復(fù)額定值所需時(shí)間。

備用油泵啟動(dòng)時(shí)壓力油罐中油液量為

備用油泵啟動(dòng)給壓力油罐供油使油壓恢復(fù)額定值所需時(shí)間

可以看出時(shí)間依然在40 s左右，這樣的油壓恢復(fù)額定值所需時(shí)間能保證油泵的工作環(huán)境穩(wěn)定性，有助于保障油泵安全可靠的工作，不會(huì)損傷油泵本身的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

根據(jù)以上分析可得出：在保證油罐壓力恢復(fù)能力的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)整油壓裝置中油泵啟停值以及油泵額定流量能有效延長(zhǎng)油泵工作時(shí)間，能改善整體液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性，對(duì)油泵本身也能起到一定的保護(hù)作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)桃源水電站調(diào)速器油壓裝置的運(yùn)行工作狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)投產(chǎn)、運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的設(shè)備狀況和油源系統(tǒng)工作介質(zhì)高粘度的68號(hào)汽輪機(jī)油的情況，綜合分析得出原系統(tǒng)方案中選用的主油泵流量過(guò)大、油泵輸送時(shí)間短促、壓力波動(dòng)頻繁、油泵頻繁啟/停沖擊、油泵內(nèi)部潤(rùn)滑不足的結(jié)論，指出原系統(tǒng)方案運(yùn)行工況下油泵及整體液壓系統(tǒng)可能存在發(fā)生故障的潛在危險(xiǎn)，同時(shí)通過(guò)液壓系統(tǒng)容量復(fù)核計(jì)算，提出優(yōu)化方案針對(duì)油泵規(guī)格以及油泵啟/停參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，并對(duì)優(yōu)化后油壓裝置運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，為后續(xù)水電站調(diào)速器油壓裝置改造方向提供思路。

[1]瞿軍， 鄭楚艾， 劉同安， 等. 水電站調(diào)速器油壓裝置選型計(jì)算方法[J]. 通用機(jī)械， 2012(12)： 80- 81．

[2]楊正廣. 桃源水電站工程的建設(shè)管理實(shí)踐[J]. 水力發(fā)電， 2014， 40(6)： 1- 5.

(責(zé)任編輯高 瑜)

Optimization of Hydraulic Equipment for the Speed Control System in Taoyuan Hydropower Station

YANG Bin

(HydroChina Taoyuan Development Co., Ltd., Taoyuan 415700, Hunan, China)

Based on the analyses of hydraulic equipment parameters of speed control system in Taoyuan Hydropower Station, the original designed scheme exists problems of excessive flow and too short operation duration of oil pump. The oil pump and overall hydraulic system may be failed under this operation state. The optimization of hydraulic equipment is proposed, in which, the capacity of oil pump and the start up-stop operation trigger values will be changed. The operation state of optimized hydraulic equipment is analyzed to provide a direction for the subsequent transformation of hydraulic equipment of governor．

hydraulic equipment; oil pump; speed control system; Taoyuan Hydropower Station

2015- 06- 03

楊斌(1977—)，男，甘肅武威人，高級(jí)工程師，主要從事水電站生產(chǎn)管理工作．

TK730.41(264)

A

0559- 9342(2015)12- 0076- 03