華安水電廠二廠機組甩負荷接力器停頓現(xiàn)象分析與處理

李勝鑫，黃彥鋒

（福建華電福瑞能源發(fā)展有限公司華安水力發(fā)電廠，福建 漳州 363800）

0 前言

華安水電廠二廠裝機容量2×40 MW，機組由南平電機廠制造，水輪機型號為HLX75E-LJ-309，發(fā)電機型號為SF40-30/6100，一管雙機結(jié)構(gòu)。二廠于2010 年9 月動工興建，兩臺機組分別于2013 年9 月26 日和9 月27 日順利投產(chǎn)發(fā)電。機組調(diào)速器為SAFR-2000H 型微機調(diào)速器，導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律為一段直線關(guān)閉，原設(shè)計甩100%負荷按調(diào)節(jié)保證計算為9 s，6 號首臺調(diào)試機組甩100%負荷關(guān)閉時間根據(jù)甩75%負荷數(shù)據(jù)后調(diào)整為13 s，投運后優(yōu)化調(diào)整為12 s。

水輪機基本參數(shù)：

最大水頭：62.1 m 額定水頭：53.5 m

最小水頭：44.3 m 加權(quán)平均水頭：56.6 m

額定流量：84.2 m3/s 額定轉(zhuǎn)速：200 r/min

額定功率：41 240 kW 飛逸轉(zhuǎn)速：357 r/min

最大功率：41 240 kW 吸出高度：+0.516 5 m

軸向水推力：220 t 接力器活塞直徑80 mm

接力器活塞行程 415 mm

1 存在問題

2013 年9 月，6 號機組進行甩負荷試驗，對導(dǎo)葉的開度變化進行了試驗錄波，曲線如圖1 所示。通過試驗發(fā)現(xiàn)機組甩 50%負荷時導(dǎo)葉按照直線正常關(guān)閉，在機組甩75%和100%負荷時導(dǎo)葉關(guān)閉出現(xiàn)臺階形折線異常關(guān)閉過程。雖然導(dǎo)葉關(guān)閉時間滿足全關(guān)時間為13 s 的要求，但導(dǎo)葉接力器在開始關(guān)閉階段其關(guān)閉速度均比設(shè)計要求的要快得多，而在導(dǎo)葉關(guān)閉到約30%開度時則出現(xiàn)了停止不動約2.5 s后才又繼續(xù)關(guān)閉的異常現(xiàn)象。盡管此次甩滿負荷過程的調(diào)節(jié)保證技術(shù)參數(shù)并未超出設(shè)計允許值，但超出正常導(dǎo)葉關(guān)閉調(diào)節(jié)保證計算值，故急需找出導(dǎo)葉關(guān)閉異常原因并盡快予以解決[1]。

圖1 6 號機組甩滿負荷后導(dǎo)葉異常關(guān)閉過程的波形圖

2 原因分析

在機組甩負荷時，導(dǎo)葉是在動態(tài)水力矩和接力器操作力矩的共同作用下關(guān)閉，隨著導(dǎo)葉緊急關(guān)閉，壓力鋼管水壓快速上升，使得導(dǎo)葉關(guān)閉速度加快，接力器油管路中的油流速度也加快，引起在油管路中的壓力損耗也加大，由于壓力損耗過大，接力器缸中的油壓降低，壓力油在導(dǎo)葉接力器上的作用力降低，壓力油不能推動導(dǎo)葉接力器運動，也就是接力器操作功不足出現(xiàn)導(dǎo)葉接力器停頓的現(xiàn)象。在接力器停頓期間，壓力泵啟動油壓上升，壓油罐油壓逐漸傳遞到接力器缸，壓力油又推動接力器運動，關(guān)閉導(dǎo)葉。

3 應(yīng)對措施及其效果

3.1 方案1

經(jīng)對雅瑪渡水電廠調(diào)研后，決定采用在導(dǎo)葉接力器開腔油管路安裝分段關(guān)閉裝置，利用分段關(guān)閉裝置的回油節(jié)流功能，通過調(diào)節(jié)螺母限定其閥芯的開口大小，調(diào)節(jié)關(guān)機時間。

處理效果：2013 年在導(dǎo)葉接力器開腔油路增設(shè)分段關(guān)閉裝置后，調(diào)整好導(dǎo)葉關(guān)閉時間12 s,解決了機組甩負荷后導(dǎo)葉關(guān)閉過程中的異常問題。圖2 為6 號機組增設(shè)節(jié)流裝置后甩滿負荷時的正常波形圖。

圖2 6 號機組增設(shè)節(jié)流裝置后甩滿負荷試驗時的正常波形圖

3.2 方案2

考慮在導(dǎo)葉接力器開腔油路增設(shè)分段關(guān)閉裝置，如果其調(diào)節(jié)螺母發(fā)生變位，導(dǎo)致導(dǎo)葉關(guān)閉時間發(fā)生變化，對機組安全穩(wěn)定運行極為不利。2020 年結(jié)合機組大修及調(diào)速器改造機會，對接力器操作功進行復(fù)核計算，發(fā)現(xiàn)接力器操作功偏小，需加大接力器活塞直徑，提高接力器操作功，故結(jié)合機組大修對調(diào)速器、接力器進行更換。

3.2.1 接力器直徑的計算

接力器容量與導(dǎo)水機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)、水輪機直徑D1和工作水頭H有密切關(guān)系。水輪機工廠從生產(chǎn)的一系列水輪機接力器中，經(jīng)過電站實測在控制導(dǎo)水機構(gòu)時接力器的牽引力矩，統(tǒng)計出一些規(guī)律并引出經(jīng)驗公式來計算接力器容量，供水輪機初步設(shè)計或選擇水輪機調(diào)速容量時應(yīng)用。因此，按經(jīng)驗公式計算接力器容量不但方法較簡便，而且準確度也可以滿足要求。目前國內(nèi)通用的導(dǎo)水機構(gòu)接力器直徑，可用式（1）計算：

式中，D1為轉(zhuǎn)輪直徑；Hmax為最大水頭；為導(dǎo)葉相對高度；Pr為調(diào)速系統(tǒng)額定油壓，λ為計算系數(shù)，可由表1 查取。

表1 接力器直徑計算系數(shù)

表2 直徑280 mm 接力器參數(shù)

表3 直徑320 mm 接力器參數(shù)

在混流式水輪機中，接力器直徑通常取決于導(dǎo)葉開度a0=0.5a0max（在關(guān)閉方向出現(xiàn)的最大水力力矩）。而中、低水頭軸流式水輪機，則通常取決于導(dǎo)葉開度a0≈a0max（在開啟方向出現(xiàn)的最大水力力矩）。計算系數(shù)λ值，隨蝸殼包角Ψ的減小而降低，因為非蝸形部分導(dǎo)葉水力力矩較蝸形部分導(dǎo)葉水力力矩要小些。同時，水力力矩和水輪機的單位流量有關(guān)。表1 較小的值用于水輪機型譜中一般過流能力的轉(zhuǎn)輪，較大值用于增大流量改進后的新轉(zhuǎn)輪。

3.2.2 華安二廠接力器直徑計算

（1）調(diào)速系統(tǒng)操作油壓上限取6.2 MPa，接力器直徑為：

（2）調(diào)速系統(tǒng)油壓下限取5.6 MPa，接力器直徑為：

（3）調(diào)速系統(tǒng)事故低油壓取4.8 MPa，接力器直徑為：

3.2.3 現(xiàn)有缸體直徑280 mm 接力器操作功的計算

最低操作油壓的選擇：緊急停機壓力（事故停機的最小壓力）Pt的選擇應(yīng)使關(guān)機后壓力不降到最低操作油壓Pr以下，最低操作油壓Pr根據(jù)要求的接力器容量A（N·m）和所用的接力器容積V（m3）求得：PR=（A/V）×10-6。

（1）接力器操作功

經(jīng)計算接力器的容積為：V=0.048 5 m3

目前接力器操作功計算公式：

Q—水輪機額定流量，m3/s；

Hmax—水輪機最大水頭，m；

D1—轉(zhuǎn)輪直徑，m。

由上述公式可得接力器的所需操作功為：

根據(jù)核算，接力器實際所需要的操作功為：285 659.35 N·m

（2）目前油壓等級下接力器操作功核算

1）目前二廠調(diào)速系統(tǒng)正常工作油壓范圍為：5.6~6.2 MPa，事故低油壓為4.8 MPa。

2）目前取油壓上限6.2 MPa 時的接力器實際操作功為：

3）目前取油壓下限5.6 MPa 時的接力器實際操作功為:

4）目前取事故低油壓4.8 MPa 時的接力器實際操作功為：

綜上所述，在油壓下限5.6 MPa、事故低油壓4.8 MPa 下的接力器實際操作功均小于設(shè)計計算所需的接力器操作功，不能滿足要求。

由公式反推滿足設(shè)計操作功需要時的調(diào)速系統(tǒng)油壓為：

結(jié)論：現(xiàn)有的接力器需要調(diào)速系統(tǒng)油壓在6.02 MPa 以上時，才能滿足設(shè)計所需操作功的要求，因壓油罐的設(shè)計選型油壓上限為6.3 MPa，可供正常運行的油壓區(qū)間僅為6.02~6.2 MPa，偏小，不滿足正常運行需要。

3.2.4 選用缸體直徑320 mm 接力器操作功的計算

（1）直徑320 mm 接力器操作功

經(jīng)計算選用320 mm 接力器的容積為：

（2）目前油壓等級下接力器操作功核算

目前二廠調(diào)速系統(tǒng)正常工作油壓范圍為：5.6~6.2 MPa，事故低油壓為4.8 MPa，取事故低油壓4.8 MPa 時的接力器實際操作功為:

結(jié)論：由此可知選用缸體直徑320 mm 接力器，在事故低油壓4.8 MPa 時，可以滿足設(shè)計所需操作功的要求。

處理效果：結(jié)合機組大修，將接力器缸體直徑由280 mm 提高至320 mm，增加接力器操作功，同時取消接力器管路上的節(jié)流閥，于2021 年2 月進行調(diào)速器甩100%負荷試驗，6 號機組調(diào)速器甩100%額定負荷時的動態(tài)品質(zhì)滿足相關(guān)標準，轉(zhuǎn)速上升值、蝸殼進口壓力上升值、尾水真空度滿足調(diào)保計算的要求，甩負荷過程中不再出現(xiàn)關(guān)閉速度過快和停頓現(xiàn)象。

圖3 6 號機組甩100%額定負荷過渡過程曲線

4 結(jié)語

華安水電廠二廠機組甩負荷過程中接力器出現(xiàn)停頓的主要原因是接力器的操作力矩不足，通過兩種改進方案進行現(xiàn)場試驗，驗證了改進后的兩種方案均能滿足過渡過程中蝸殼壓力、轉(zhuǎn)速、尾水管進口壓力的控制標準。本文也對接力器操作功進行詳細計算，提出增大接力器活塞直徑措施，通過對接力器改造徹底解決問題。國內(nèi)類似機組由于各種原因大多采用方案一，本文提供了新的借鑒。