大型燈泡貫流機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行異響及振動(dòng)原因探討

摘 要：本文針對(duì)當(dāng)今亞洲第一，全球第二大的燈泡貫流式機(jī)組檢修后調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試時(shí)產(chǎn)生異響及振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行分析，確定分段關(guān)閉閥動(dòng)作投入后節(jié)流明顯，同時(shí)回油管路較長是產(chǎn)生異響及振動(dòng)的主要原因。

關(guān)鍵詞：調(diào)速系統(tǒng) 異響 振動(dòng) 分段關(guān)閉閥 回油管路

江西省峽江水利樞紐工程位于贛江中游峽江縣巴邱鎮(zhèn)上游約6km，是一座以防洪、發(fā)電、航運(yùn)為主，兼有灌溉等綜合利用功能的水利樞紐工程。該樞紐電站安裝9臺(tái)燈泡貫流式機(jī)組，單機(jī)容量40MW，為當(dāng)今亞洲第一、全球第二大的燈泡貫流式機(jī)組，電站多年平均發(fā)電量11.42億kWh。樞紐工程于2009年動(dòng)工，2013年9月第一臺(tái)機(jī)組發(fā)電，2015年4月9臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電。其中9#機(jī)組為阿爾斯通水電設(shè)備（中國）有限公司產(chǎn)品，其水輪機(jī)控制系統(tǒng)采用南瑞集團(tuán)公司生產(chǎn)的SAFR2000H型微機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。本機(jī)組于2013年9月投產(chǎn)發(fā)電，2017年進(jìn)行A級(jí)檢修工作，檢修時(shí)需將重要部件拆卸進(jìn)行檢修，檢修完畢后尚需重新調(diào)試。本文針對(duì)9#機(jī)組調(diào)試時(shí)調(diào)速系統(tǒng)管路出現(xiàn)異響及振動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行分折，確定分段關(guān)閉閥動(dòng)作后節(jié)流明顯，同時(shí)回油管路較長是產(chǎn)生異響及振動(dòng)的主要原因。

1.問題的發(fā)現(xiàn)

此次9#水輪發(fā)電機(jī)組A級(jí)檢修目的是消除運(yùn)行中出現(xiàn)的受油器操作油管密封老化失效后的漏油現(xiàn)象、轉(zhuǎn)輪室伸縮節(jié)密封磨損漏水現(xiàn)象，其它進(jìn)行常規(guī)檢修；調(diào)速系統(tǒng)進(jìn)行了油壓裝置機(jī)械部分、事故配壓閥、分段關(guān)閉閥解體體檢查、更換密封件，檢查未發(fā)現(xiàn)異常，按要求回裝。同時(shí)壓力油進(jìn)行了凈化處理，油質(zhì)符合GB11120-2011《渦輪機(jī)油》規(guī)定要求。

2018年1月5日，9#水輪發(fā)電機(jī)組A級(jí)檢修完成回裝后進(jìn)行重新系統(tǒng)調(diào)試。先進(jìn)行調(diào)速系統(tǒng)充油建壓，壓力從5MPa、10MPa、20MPa、40MPa到額定壓力，其間采用脈動(dòng)操作向管路充油，操作導(dǎo)葉、槳葉作全開全關(guān)試驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)行管路充油排氣。在調(diào)速系統(tǒng)在工作壓力狀態(tài)下，操作調(diào)速器檢查調(diào)速靜態(tài)特性曲線，當(dāng)進(jìn)行導(dǎo)葉全關(guān)閉試驗(yàn)時(shí)，管路產(chǎn)生較大異響（90db左右），并伴隨強(qiáng)烈振動(dòng)；由于機(jī)組在運(yùn)行中緊急停機(jī)時(shí)，調(diào)速器是按照導(dǎo)葉全關(guān)閉進(jìn)行操作，如果操作期間有異響及振動(dòng)會(huì)對(duì)管路的安裝支架產(chǎn)生沖擊造成松動(dòng)、管路的聯(lián)接法蘭密封磨損，造成法蘭聯(lián)接面滲油現(xiàn)象，不利安全運(yùn)行。故電廠技術(shù)負(fù)責(zé)人員要求在調(diào)試中找出此異響及振動(dòng)產(chǎn)生的原因，方可繼續(xù)進(jìn)行下一步試驗(yàn)，如能消除，則及時(shí)消除，如不能在此次檢修期內(nèi)消除，則為下一步改進(jìn)指明方向。隨后將此現(xiàn)象及時(shí)與廠家技術(shù)人員進(jìn)行溝通，廠家技術(shù)人員認(rèn)為此現(xiàn)象是由調(diào)速系統(tǒng)管路還存在有空氣造成，壓力油流動(dòng)時(shí)帶動(dòng)氣泡而產(chǎn)生異響及振動(dòng)，需進(jìn)一步加強(qiáng)操作，直至將系統(tǒng)管路中的空氣排完。而根據(jù)以往我公司調(diào)試經(jīng)驗(yàn)，正常狀態(tài)下管路充油全行程動(dòng)作8次后，管路中的空氣基本排完，而前期充油建壓操作中，調(diào)速系統(tǒng)已動(dòng)作頻繁，而同時(shí)在相同條件下進(jìn)行導(dǎo)葉全開動(dòng)作操作時(shí)，未發(fā)現(xiàn)異響，故不應(yīng)是管路內(nèi)因空氣原因產(chǎn)生的異響及振動(dòng)。

為此，調(diào)速系統(tǒng)繼續(xù)按廠家建議進(jìn)行反復(fù)操作導(dǎo)葉全開、全關(guān)試驗(yàn)；同時(shí)按排調(diào)試人員進(jìn)行現(xiàn)場排查，盡快找出異響源，經(jīng)過現(xiàn)場反復(fù)地操作觀察，發(fā)現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)異響及振動(dòng)均出現(xiàn)在全關(guān)閉導(dǎo)葉動(dòng)作時(shí)的后段，根據(jù)原理，此時(shí)為分段關(guān)閥投入運(yùn)行，故初步認(rèn)為分段關(guān)閉閥組油流異常導(dǎo)致調(diào)速系統(tǒng)產(chǎn)生異響及振動(dòng)。

2.設(shè)備原理

9#機(jī)組調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)圖如圖1所示，分段關(guān)閉閥為調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)的組成部分；分段關(guān)閉液壓原理圖如圖2所示。

分段關(guān)閉液壓原理如下：

（1）關(guān)機(jī)工況。快速關(guān)閉時(shí)電磁換向閥V1在彈簧的作用下處于右位，在控制壓力油的作用下液控閥V2處于左位，接力器開腔直接進(jìn)調(diào)速器開腔，緩慢關(guān)閉時(shí)電磁鐵VD帶電，換向閥V1處于左位，在控制壓力油的作用下閥V2處于右位，接力器腔需經(jīng)過節(jié)流閥進(jìn)入調(diào)速器開腔，調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度可以調(diào)節(jié)關(guān)閉速度。

（2）開機(jī)工況。不管V2處于哪一位，調(diào)速器開腔能通過單向閥V3進(jìn)接力器開腔，因此該裝置不影響開機(jī)速度。

3.設(shè)備參數(shù)

南瑞集團(tuán)公司生產(chǎn)的SAFR2000H型微機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其微機(jī)調(diào)節(jié)器部分采用了貝加萊公司的PCC2005控制器為核心，機(jī)械液壓部分則選用了BOSCH公司的比例伺服閥作為電液轉(zhuǎn)換單元，ZFL-100/S作為主配壓閥，電源、控制模塊、傳感器、電液轉(zhuǎn)換等全部采用了雙冗余配置，且采用了第三方智能切換單元作為仲裁判斷，軟件部分則采用了南瑞公司專有的改進(jìn)型并聯(lián)PID算法、雙微分算法等。

3.1調(diào)速器

（1）設(shè)備概況：電：電氣柜采用單套2005版PCC控制；機(jī)：機(jī)械柜采用標(biāo)準(zhǔn)ZFL/S系列自復(fù)中式主配壓閥。

（2）測頻方式：殘壓+齒盤。

（3）電源電壓及供電方式：交流：220v；直流：220v。供電方式：交直流雙重供電。

（4）人工轉(zhuǎn)速死區(qū)范圍：0-±10%。

（5）調(diào)節(jié)參數(shù)范圍：Bp：0-10；Kp：0.5-20；Ki：0-20；Kd：0-20。

（6）協(xié)聯(lián)方式：電氣協(xié)聯(lián)。

（7）電液轉(zhuǎn)換器：型號(hào)：博士力士樂0811404036；工作行程或額定輸出流量：6L/min。

（8）主配壓閥直徑：150 mm。

（9）額定油壓Pr：6.3Mpa。

3.2導(dǎo)葉接力器：采用對(duì)稱立式推拉桿結(jié)構(gòu)布置

內(nèi)徑：420mm；

活塞桿直徑：180mm；

行程：1406.8mm。

3.3分段關(guān)閉閥

閥芯內(nèi)徑：150mm。

3.4導(dǎo)葉全開到全關(guān)關(guān)閉時(shí)間：7s；

導(dǎo)葉全開到全關(guān)分段關(guān)閉時(shí)間：15s（第一段5s，第二段10s）；

導(dǎo)葉全開到全關(guān)分段拐點(diǎn)：30%。

3.5引用標(biāo)準(zhǔn)

《渦輪機(jī)油》（G B 1 1 1 2 0 -2011）

《水輪機(jī)調(diào)速器與油壓裝置技術(shù)條件》（GB/T9652.1-2008）

《水輪機(jī)調(diào)速器與油壓裝置試驗(yàn)驗(yàn)收規(guī)程》（GB/T9652.2-2008）

《水輪機(jī)電液調(diào)節(jié)系統(tǒng)及裝置技術(shù)規(guī)程》（DL/T563-2001）

4.原因分析

通過導(dǎo)葉接力器運(yùn)動(dòng)的行程，計(jì)算出操作油的流量，通過運(yùn)行時(shí)間，求得管路內(nèi)的單位時(shí)間流量，計(jì)算出管內(nèi)油平均的流速。

4.1分段關(guān)閉閥投入前平均流速

總流量：

經(jīng)以上計(jì)算分析，分段關(guān)閉閥動(dòng)作前后流速（1：27.47）及過流面積（137.33：1）變化均較大，分段關(guān)閉閥動(dòng)作后節(jié)流明顯。

分段關(guān)閉閥動(dòng)作后已通過的油因慣性仍按原速度運(yùn)動(dòng)，單位時(shí)間流量為Q1（0.05m3/s），而動(dòng)作后的分段關(guān)閉閥過油單位時(shí)間流量為Q2（0.01m3/s），兩者相差較大，產(chǎn)生不平衡，分段關(guān)閉閥動(dòng)作后產(chǎn)生負(fù)壓渦流，形成水錘效應(yīng)；同時(shí)回油管路較長（分段關(guān)閉閥安裝高程為▽14.30m，回油箱安裝高程為▽38.75m，高差21.45m），無法及時(shí)回油消除管路負(fù)壓，由此產(chǎn)生異響及振動(dòng)。

5.檢驗(yàn)

通過以上計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)分段關(guān)閉閥投入前后流量變化較大，決定將分段關(guān)閉閥控制回路退出運(yùn)行進(jìn)行驗(yàn)證，在正常壓力導(dǎo)葉全關(guān)閉行程操作。經(jīng)過多次操作，調(diào)速系統(tǒng)管路均未在全關(guān)閉時(shí)發(fā)出異響及振動(dòng)，由此證明分段關(guān)閉閥投入是異響及振動(dòng)產(chǎn)生的原因，以上計(jì)算分析是正確，故需對(duì)此進(jìn)行改進(jìn)。

6.建議

由于9#機(jī)組分段關(guān)閉閥安裝高程為▽14.30m，回油箱安裝高程為▽38.75m，高差21.45m；中間通過管路相聯(lián)，造成回油管路較長，無法及時(shí)回油消除分段關(guān)閉閥后段管路的負(fù)壓，故導(dǎo)致調(diào)速系統(tǒng)在分段關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生水錘效應(yīng)，出現(xiàn)異響及振動(dòng)。由于此次檢修工期即將到期，電站機(jī)組要及時(shí)歸調(diào)，在與電廠技術(shù)負(fù)責(zé)人協(xié)商，決定此次檢修期內(nèi)不作處理；如要徹底消除由分段關(guān)閉閥投入運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的異響及振動(dòng)現(xiàn)象，建議下次檢修時(shí)縮短分段關(guān)閉閥與回油箱間的聯(lián)接管路，可參考相同閥芯直徑并已投運(yùn)的湖南土谷塘航電樞紐工程的機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)分段關(guān)閥安裝位置，如圖3所示。土谷塘航電樞紐工程機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)分段關(guān)閉閥與回油箱高差不到3m，4臺(tái)機(jī)組投運(yùn)近4年，調(diào)速器運(yùn)行平穩(wěn)，均未發(fā)現(xiàn)異響及振動(dòng)，故縮短分段關(guān)閉閥與回油箱間的聯(lián)接管路合理可行。

參考文獻(xiàn)：

[1]南瑞集團(tuán)公司，調(diào)速器隨機(jī)圖.

[2]湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究總院.土谷塘航電樞紐工程技術(shù)設(shè)計(jì)圖紙調(diào)整器管路布置圖，2015年5月.

[3]鐘象新.大型燈泡貫流機(jī)組定子空中翻身方案探討.水能經(jīng)濟(jì)，2018年6月.