閥芯分段式事故配壓閥泄漏的影響分析

范遠(yuǎn)明，楊祖超，鄭程遙

(1.廣東鴻源眾力發(fā)電設(shè)備有限公司，廣東 韶關(guān) 512031；2.深圳市恩萊吉能源科技有限公司,廣東 深圳 518133)

1 概述

事故配壓閥是在水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)故障，不能正常操作關(guān)機(jī)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)速過高時(shí)由機(jī)械過速保護(hù)裝置啟動(dòng)，直接將壓力油作用于水輪機(jī)導(dǎo)葉接力器而直接關(guān)機(jī)的裝置。顯然設(shè)置事故配壓閥是保障機(jī)組安全的基本措施，也是水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)必備的輔助裝置[1]。

事故配壓閥有各式各樣結(jié)構(gòu)，有雙控口的，單控口的，有整芯的，有兩段芯組合的等[2]。其中，單控口兩段組合式閥芯結(jié)構(gòu)在存在泄漏的情況下，會(huì)發(fā)生閥塞單段潛動(dòng)現(xiàn)象，在液壓傳動(dòng)領(lǐng)域，這不足為奇。但事故配壓閥是水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的一個(gè)重要裝置，這種潛動(dòng)問題，可能會(huì)引起整個(gè)水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)失控，導(dǎo)致機(jī)組出力大幅度波動(dòng)，筆者在越南塞珊4A電站就親歷了這一過程。經(jīng)過分析，這種現(xiàn)象具有一般的意義，故本文將揭示這種現(xiàn)象的內(nèi)在邏輯，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，以為水輪機(jī)設(shè)計(jì)制造者和相關(guān)運(yùn)行人員的借鑒。

2 水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及事故配壓閥各腔的壓力

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖1所示，其動(dòng)作原理為[3-4]：根據(jù)電站運(yùn)行要求由調(diào)速器調(diào)節(jié)單元發(fā)出指令給控制油口G，則主配閥芯根據(jù)控制要求移動(dòng)。當(dāng)閥芯下移時(shí)，壓力油接通A腔即開啟，B腔接回油，使導(dǎo)葉接力器向開方向動(dòng)作，達(dá)到指定行程，閥芯復(fù)中，停止調(diào)節(jié)。反之當(dāng)控制油口壓力油使閥芯向上移時(shí)，則B腔接壓力油(A腔接回油)，使導(dǎo)葉接力器向關(guān)方向動(dòng)作，閥芯復(fù)中后停止調(diào)節(jié)。如此，就實(shí)現(xiàn)了正常情況下，水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組出力調(diào)節(jié)(并網(wǎng)時(shí))和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)(孤網(wǎng)運(yùn)行時(shí))。由圖1可看出，在此過程中，事故配壓閥僅相當(dāng)于油的通道。

圖1 調(diào)節(jié)系統(tǒng)示意

如圖1，調(diào)速器主配開、關(guān)腔與導(dǎo)葉接力器的開、關(guān)腔聯(lián)接，管路上還有分?jǐn)嚓P(guān)閉裝置和事故配壓閥，分段關(guān)閉裝置的目的，是在不同的關(guān)閉階段，產(chǎn)生不同的關(guān)閉速度，以達(dá)到調(diào)保要求和防抬機(jī)要求[5]，而事故配壓閥正常調(diào)節(jié)時(shí)，僅相當(dāng)于油的通路，但當(dāng)調(diào)速器復(fù)雜的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)發(fā)生故障，未能及時(shí)抑制機(jī)組過速時(shí)，由機(jī)械過速裝置直接啟動(dòng)事故配壓閥，封鎖主配A、B腔的油路，使其關(guān)閉腔(D腔)的壓力油直接輸入導(dǎo)葉接力器(將調(diào)速器所有復(fù)雜機(jī)構(gòu)退出)，由其關(guān)閉力與自關(guān)閉力矩(包括重錘)的共同作用，關(guān)閉導(dǎo)葉。

如圖2所示，事故配壓閥其各腔壓力平衡方程為：

圖2 接力器各腔壓力關(guān)系示意

平衡時(shí)：PO=PC+Pac-Pf

(1)

開啟時(shí)：PO≥PC+Pac+Pf

(2)

關(guān)閉時(shí)：PO≤PC+Pac-Pf

(3)

式中PO為開啟腔壓力；PC為關(guān)閉腔壓力；Pac為自關(guān)閉力矩折算到接力器缸內(nèi)的壓力；Pf為摩擦力折算到接力器缸內(nèi)的壓力。

有必要指出，自關(guān)閉力矩和摩擦力矩是隨導(dǎo)葉開度而變化的，這是因?yàn)閷?dǎo)葉在不同的位置以及重錘在不同的位置其關(guān)閉力矩是不同的，摩擦接觸面受力也不一樣。一般情況下，Pac與Pf與導(dǎo)葉行程開度α關(guān)系見圖3。

圖3 自關(guān)閉壓力及摩擦壓力與導(dǎo)葉開度關(guān)系

3 分段式事故配壓閥的潛動(dòng)問題

圖4為分段式事故配壓閥結(jié)構(gòu)剖面示意，正常運(yùn)行時(shí)，K口無油壓，閥芯在閥盤正向差壓作用下位于左端，這時(shí)，主配與接力器液壓通道接通，A與C通開腔，B與D通關(guān)腔，調(diào)速器調(diào)節(jié)單元通過主配正常調(diào)節(jié)。一旦過速裝置達(dá)到整定值，隨即向K口注入壓力油，推動(dòng)閥芯向右移動(dòng)至整定位置，這時(shí)，A口與B口被封堵，切斷主配與接力器的通道，而直接來自油壓裝置的壓力油從P口經(jīng)D口進(jìn)入接力器關(guān)腔，而接力器開腔的壓力油則從C口經(jīng)O口排到回油箱，實(shí)現(xiàn)緊急停機(jī)。

圖4 主配事故配壓閥及接力器的聯(lián)接

如圖4，單控口閥芯分段式事故配壓分左、右兩段，根據(jù)接力器、事故配壓和主配閥的連接關(guān)系，以及接力器各腔的壓力關(guān)系式(1)～(3)知：

1) 與接力器相連的A腔壓力有可能大于來自油壓裝置的P腔壓力，其閥芯在右邊一段可能向右移，導(dǎo)致接力器關(guān)腔與P腔保持接通，但由于左段不動(dòng)，其指示桿不動(dòng)，造成事故配壓閥未動(dòng)的假象。

2) 調(diào)速器的調(diào)節(jié)單元未發(fā)指令，主配復(fù)中，接力器不會(huì)動(dòng)作。但若事故配壓閥閥芯與腔體發(fā)生泄漏(往往是在某一位置)，可使P腔與D腔接通，由于主配的開腔未打開，封堵了接力器的排油通道，接力器不會(huì)產(chǎn)生關(guān)機(jī)動(dòng)作。但如果受某種擾動(dòng)的影響，偶爾出現(xiàn)開口，則開腔壓力通過主配排走，引發(fā)連續(xù)關(guān)機(jī)。在此過程中，開腔壓力油是關(guān)腔壓力與自關(guān)閉壓力之和(忽略摩擦壓力，但由于開腔接通回油，部分壓能變成動(dòng)能，數(shù)值略小一些)大于油壓裝置的壓力，行成較大的反向壓差，使閥芯一直右移，直至接力器的關(guān)限位。

3) 至關(guān)限位后，由于自關(guān)閉壓力降低(見圖3)事故配壓閥開腔壓力減小，接近額定油壓Pr時(shí)，由于原閥盤正向差壓的作用，閥芯向左移動(dòng)復(fù)位。因事故配壓閥左芯不動(dòng)，指示桿不動(dòng)，調(diào)速器的調(diào)節(jié)指令仍在原運(yùn)行狀態(tài)，機(jī)組開回至原運(yùn)行狀態(tài)。

4) 由于泄漏依然存在，故上現(xiàn)象周期性的反復(fù)，機(jī)組出力劇烈波動(dòng)，故不能穩(wěn)定運(yùn)行。

綜上所述，當(dāng)事故配壓閥在某一位置出現(xiàn)泄漏時(shí)，回導(dǎo)致壓力油與其關(guān)腔接通，由于背壓的存在，開腔壓力大于額定油壓，閥芯右移至使接力器關(guān)機(jī)至關(guān)限，由于背壓減小，閥芯復(fù)位，如此反復(fù)，出現(xiàn)出力劇烈波動(dòng)，機(jī)組不能穩(wěn)定運(yùn)行。

4 案例分析

越南塞珊4A(Se san 4A)電站位于越南嘉萊省波萊古市桑河流域，電站裝機(jī)3臺(tái)GZ995a-WP-470燈泡貫流式水輪機(jī)配SFWG21-48/5680發(fā)電機(jī)。電站最大水頭為17.7 m，額定水頭為12.2 m，最小水頭為12 m，機(jī)組額定出力為21 MW，水輪機(jī)調(diào)速型號為BST-100/6.3，事故配壓閥型號為SF-100/6.3A2，額定操作油壓為6.3 MPa。

2#機(jī)在自動(dòng)減負(fù)荷至導(dǎo)葉開度50%(出力10 MW)，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)迅速關(guān)閉，出力下降，至導(dǎo)葉開度5%時(shí)，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)重新開到50%開度(出力仍為10 MW)，如此周期性反復(fù)。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)為：在100%負(fù)荷時(shí)，接力器關(guān)腔壓力3.6 MPa，開腔壓力5.8 MPa，在減負(fù)荷開始時(shí)關(guān)腔壓力。開腔壓力均不斷增加，當(dāng)關(guān)腔壓力至5.18 MPa，開腔壓力為7.0 MPa時(shí)，關(guān)腔壓力迅速增至油壓裝置油壓6.0 MPa，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)迅速關(guān)閉，至導(dǎo)葉5%時(shí)，接力器關(guān)腔壓力4.0 MPa。開腔壓力約6.5 MPa，事故配壓閥閥芯復(fù)位，并伴有聲響。

分析：經(jīng)計(jì)算，接力器自關(guān)閉力Pac和摩擦力Pf與導(dǎo)葉開度α的關(guān)系如圖5所示。

當(dāng)關(guān)腔壓為3.6 MPa時(shí)，根據(jù)方程式(1)和圖5，開腔壓力可達(dá)5.1 MPa，當(dāng)關(guān)腔壓力至5.1 MPa時(shí)，開腔壓力為7.0 MPa，大于壓力腔壓力6.0 MPa，產(chǎn)生較大的反向壓差，如圖4所示，右段閥芯有向右運(yùn)動(dòng)的趨勢。如果在此位置閥芯有泄漏，則會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)效應(yīng)：① 壓力油腔壓力6.0 MPa通過事故配壓閥D口傳至接力器的關(guān)腔，至使接力器開腔壓力大于7.0 MPa，與壓力油腔持續(xù)產(chǎn)生較大的反向壓差;② 由于泄漏，阻力減小，閥芯迅速向右移動(dòng)，引發(fā)連續(xù)關(guān)機(jī)，導(dǎo)致開度迅速下降，出力下降。

如圖5，導(dǎo)葉至關(guān)限位(約5%)時(shí)，接力器自閉力減小，根據(jù)方程(1)，接力器開腔壓力減小，逐漸接近額定油壓；這時(shí)事故配壓閥在正向壓差作用下，迅速復(fù)位。但由于位置指示桿在左閥芯段，沒有任何變化，故調(diào)速器調(diào)節(jié)單元的給定值不變，調(diào)速器回復(fù)到50%開度，出力為10 MW。

跡象表明，該電站2#機(jī)采用了單口閥芯分段式事故配壓閥，并且閥芯在50%導(dǎo)葉開度位置，存在較大的泄漏。于是拆除事故配壓閥，發(fā)現(xiàn)情況預(yù)計(jì)完全吻合更換新的無泄漏的事故配壓閥后，完全消除了波動(dòng)現(xiàn)象，機(jī)組一直穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)語

1) 單口控制閥芯分段機(jī)構(gòu)事故配壓閥如存在泄漏，會(huì)造成出力劇烈波動(dòng)。

2) 對上述事故配壓閥設(shè)計(jì)時(shí)，加大閥芯兩端面積差，從而增加正向壓差，可提高魯棒性。

3) 采用雙控口和整體閥芯的事故配壓閥，可消除相應(yīng)的波動(dòng)現(xiàn)象(不贅述)。