沙湾水电站主配抽动分析及处理

夏 飞, 刘 虎

(四川圣达水电开发有限公司,四川 乐山 614900)

沙湾水电站位于四川省乐山市沙湾区葫芦镇,为大渡河干流下游梯级开发中的第一级,距上游已建的铜街子水电站 11.5 km,距乐山市区约44.5 km。电站采用一级混合式(河床式厂房加长尾水渠)开发,安装 4台 120 MW轴流转桨式机组,总装机容量 480 MW,属国家大(二)型规模电站。

沙湾水电站调速系统采用由 HGS-H22-150-4.0型调速器机械液压系统与 HGS-E222型调速器微机调节器配合组成的微机型电液调速器,适用于大型轴流转桨式水轮发电机组和贯流式水轮发电机组的自动调节和自动控制。该调速系统具有可靠性高、运行速度快、控制精度高等优点。但是,该系统构造复杂,对各个元件的精度要求较高,一旦其中一个元件损坏将造成整个系统瘫痪。在实际运行过程中,沙湾水电站四台机组均不同程度的出现了导叶(轮叶)主配压阀抽动问题,造成机组的不稳定运行。为此,笔者提出了一种全新的调速器主配设计思路——转动式主配。

1 沙湾水电站调速器主配抽动原因及其危害

1.1 沙湾水电站调速器主配抽动原因分析

沙湾水电站调速器是由许多精密元件构成的一个复杂控制系统。这种复杂系统能够实现水轮机的精确控制。但是其也对各个元件的稳定性提出了极高的要求。由于水电站运行工况受外界环境影响较大,这种稳定性往往难以保证。

沙湾水电站目前投运的四台机组均出现过主配压阀抽动,导致导叶(轮叶)来回动作的情况。通常情况下,主配抽动的原因主要分为以下几个方面:

(1)主配机械位置未能复中。

造成主配机械位置不能复中的主要原因包括:①机组运行过程中的振动造成主配开关机时调节螺母或机械中位调整螺母位置发生变化;②压力油油质较差,造成主配活塞卡阻;③主阀位移传感器发生零点漂移,造成机械中位和电气中位不一致;④机组振动过大,造成主配活塞和壳体相对位置来回变化。

通过主配的局部结构示意图(图 1)可知,如果导叶主配未处于中间位置,且调速器没有调整信号开出,主配开(关)腔将会一直给油,关(开)腔将会一直排油,导叶将会一直朝开(关)的方向动作。在开度调节模式下,调速器将会发出关(开)的调整信号,使导叶开度保持稳定。如果主配一直不能复中,这个过程将会不断重复,从而导致出现主配的抽动现象。

图1 主配压阀局部示意图

(2)主配窜油。

主配活塞与壳体之间的相对运动将会导致两者配合的径向间隙变大(图 1),活塞对油口的密封性变差,形成进油腔向回油腔、进油腔向工作油口、工作油口向回油腔的窜油。由于沙湾水电站进油口油压和工作油口油压大小具有以下关系:

式中 P为进油口油压,MPa;P1为关腔油口油压,MPa;P2为开腔油口油压,MPa。

所以,主配工作油腔与回油腔之间的窜油量具有以下关系:

式中 Q1为关腔油口与回油腔的窜油量(m L);Q2为开腔油口与回油腔的窜油量(m L)。

通过以上分析可知,关腔窜油量大于开腔窜油量,这将会导致关腔油压比开腔油压下降快,接力器原有压力平衡被打破,活塞将会由开腔向关腔运动,导叶(轮叶)将会朝着开的方向运动。同样,在 PID调节的作用下将会形成主配抽动。

(3)主阀位移传感器调节死区太小。

图2 主配压阀整体示意图

由图 2可知,主配辅助接力器下腔与压力油直接接通。正常情况下,当主配处于中间位置时,其上下腔压力油所产生的压力差等于主配活塞的重力。但是,由于油压装置压力油压强会逐渐变小,所以下腔油压变小,活塞在重力的作用下将会向下移动直至达到新的压力平衡。此时主阀位移传感器将会监测到活塞位置的变化,如果主阀位移传感器调节死区小,在负反馈作用下,将会控制活塞回到中间位置,这种过程将会反复进行,从而造成主配抽动。

(4)调速器控制信号脉宽过大。

如果控制信号脉冲宽度过大,每一次调节都会造成过调节,执行机构永远达不到调节要求,从而造成这种调节过程的不断反复进行,形成主配抽动。

(5)其它原因引起的主配抽动。

水头波动较大、信号综合输出波动、局部闭环系统故障、测频回路精度较差等也会造成主配抽动。但针对沙湾水电站的实际情况,对于这些方面的原因笔者在此不做详细陈述。

为了确认沙湾水电站主配抽动的具体原因,维护人员做了以下试验:

(1)将导叶“手动 /自动”切换把手切至“手动”位置,此时主配抽动消失,机组出现严重的“溜负荷”现象。

(2)在导叶把手为“自动”位置的状态下,减小调速器控制信号脉冲宽度,主配抽动的问题没有任何改善。

通过以上试验分析可知,造成主配抽动的主因是主配机械位置未复中。在主阀位移传感器认定的机械零位时,接力器关腔与压力油接通,开腔与回油接通,导叶自动关闭,形成“手动”位置的“溜负荷”现象。为此,维护人员调整了主配的机械中位。调整后,主配抽动明显变小,但是并未完全消失;“溜负荷”现象基本消失。由此可以判断,主配活塞窜油亦是引起主配抽动的原因之一。

1.2 主配抽动的危害

主配抽动问题是沙湾水电站建厂之初就一直存在的“顽疾”,极大的阻碍了电站的安全稳定运行。主配抽动对水电站的影响主要表现在以下几方面:

(1)由于主配的频繁抽动,将会造成接力器的来回动作。接力器活塞与壳体之间频繁摩擦,长此以往,将会加剧接力器内部磨损,甚至造成接力器内部拉伤,使其内部窜油。这种情况在沙湾水电站 1号机得以验证,不利于机组的安全运行。

(2)主配抽动将会造成调速器压力油使用量大增,油泵频繁打油,压力油温变高,油质变差,严重威胁机组的安全运行。

(3)接力器的来回动作将会控制导叶来回动作,造成负荷波动,这种负荷波动将会形成超欠发。这种情况在枯水期低负荷时表现尤为明显,不利于机组的经济运行。

(4)主配抽动将会导致主配活塞与壳体之间间隙变大,造成主配内部窜油。而这种窜油反过来将会加剧主配抽动,形成恶性循环,不利于机组的稳定运行。

2 转动式主配的可行性探究

2.1 转动式主配的设计原理

沙湾水电站主配抽动问题是传统电液型调速器的通病,很难通过调整参数的方法从根本上解决。不仅如此,传统直线位移型主配还存在封油效果差、主配活塞易发卡、加工精度要求高等缺点。为此,笔者提出了一种全新的主配设计理念—— 转动式主配,其具体工作过程见图 3。

图3 转动式主配压阀工作原理图

该主配设计理念是使主配由传统的直线运动变为由伺服电机控制的旋转运动。由图 3可知,当主配处于中间位置时,主配压力油口和回油口均被主配活塞封闭,接力器开腔和关腔处于封闭状态,控制导叶保持静止。在伺服电机的控制下,主配活塞沿顺时针旋转一定的角度,此时主配外壳左端压力油管通过活塞内通孔与活塞上腔接通,右端回油管通过活塞内通孔与活塞下腔接通,由于主配活塞上腔接机组接力器开腔,下腔接机组接力器关腔,此时接力器开腔与压力油接通,关腔与回油接通,以此控制接力器朝开的方向动作,机组开机。同理,在伺服电机的控制下,主配活塞沿逆时针旋转一定的角度,此时主配外壳右端压力油管通过活塞内通孔与活塞下腔接通,左端回油管通过活塞内通孔与活塞上腔接通,此时接力器关腔与压力油接通,开腔与回油接通,接力器朝关的方向动作,机组关机。

2.2 转动式主配的优势

此设计从根本上颠覆了传统主配的设计理念,克服了传统主配的许多缺点,具体表现为:

(1)系统简单。此款主配直接通过伺服电机进行控制,不需要复杂的油路系统,从制造到安装将会大大节约人力、物力。

(2)系统稳定性好、可靠性高。由于此主配系统精简,所需要保证的精度和配合的环节大大减少,从而使安全系数大大提高。

(3)加工精度要求低。较复杂的传统主配而言,此款主配所需要精加工的面大大减少,加工结构简单。

(4)调节精度高,动态特性好。现代伺服电机具有线性度好、反应灵敏、可靠性高并具有断电自复中功能。传统主配所存在的中间位置不易保持、主配抽动等问题均能得到有效的解决。

(5)封油特性好。此款主配活塞和外壳之间的相对运动由直线运动变为转动,配合精度大大提高,可以更好的实现压力油的封闭。

(6)制造成本低。由于此款主配较传统主配系统构造简单,所需设备减少,设备加工难度变低,成本大大降低。

总之,转动式主配较传统主配有较大优势。但是,笔者在文中仅仅提出了其设计雏形,对于其在现实中的应用还需做进一步的工作。

3 结 语

由于传统主配的设计存在一定的不合理性,沙湾水电站主配抽动问题一直无法根除。这种抽动在许多电厂中都存在,不利于水轮机的安全稳定运行。除此之外,传统主配还具有系统复杂、制造加工难度大、稳定性较差、主配活塞容易发卡等缺点。转动式主配从根本上颠覆了传统主配的直线运动方式,在许多方面都具有较大优势,这种设计将会为未来水轮机调节器的发展提供一种新思路。

[1]刘志华.自复中伺服电机调速器在铜街子电站中的运用[J].四川水力发电,2008,27(2):68-70.

[2]魏守平.水轮机调节[M].武汉:华中科技大学出版社.2009.