某水电站高压油装置停机切泵原因分析及逻辑优化

李雨通，黄郭明，苏纬强，王秀梅

（二滩水力发电厂，四川 攀枝花617000）

0 前言

某大型水电站作为国家西部大开发战略的标志性工程，安装了4台15万kW轴流转桨式水轮发电机组，总装机容量60万kW。每台机组皆配置1套高压油控制系统，采用PLC控制，以实现对高压油顶起油泵的自动控制。对水轮发电机组而言，推力轴承负荷较大，当机组转速较低时，推力瓦与镜板间油膜较薄摩擦偏大，容易出现半干摩擦的危险情况[1]。因此，在开停机过程中，利用高压油泵向推力瓦与镜板之间注入高压油从而形成油膜，可以有效避免瓦面与镜板之间非润滑转动所造成的意外磨损，并且还有传递负荷的作用[2]。某大型水电站自投产以来，机组在停机过程中易发生高压油切泵现象，会造成切泵瞬间油压突降为零，对机组的安全稳定运行带来一定隐患。

1 高压油泵停机切泵原因分析

1.1 高压油顶起装置结构介绍

某大型水电站高压顶起装置系统由东方电机设计并制造，高压油减载装置采用双泵冗余配置，油泵采用全封闭电机驱动，以维持轴瓦表面恒定油膜所需压力，系统采用PLC控制实现主备切换。在机组启动、停机过程中高压顶起装置投入工作，高压油泵将取自下导推力油盆流经过滤器的润滑油加压，经过滤器、溢流阀、逆止阀等辅件，将稳定压力的高压油[3]由20块推力瓦中心的注油孔注射到推力瓦与镜板之间，形成稳定的油膜以防止机组在低转速的情况下推力瓦磨损严重。高压油顶起装置系统如图1所示。

图1 高压油顶起装置系统图

1.2 停机切泵分析

高压油泵启停流程为：机组启动时，在发出调速器启动令之前，投入高压油顶起系统，当机组转速增至≥90%Nr时切除；机组停机时，当机组转速降至90%Nr时投入高压油顶起系统，当机组转速减至≤1%Nr时切除。同时，高压油顶起系统开关量定值分别为：油泵出口压力达7MPa、高压油总管压力达5MPa时接点闭合。但自某大型水电站机组投产以来，每台机组在停机过程中，当机组转速降至90%Nr投入高压油顶起系统时，油泵出口及高压油总管压力均在2.6MPa～3.0MPa之间，导致高压油泵自动由主用泵切换至备用泵运行。当机组转速缓慢降至50%～70%Nr时，高压油总管压力升至5MPa以上。此种现象有些学者认为机组由停机到开机时，推力轴承承受压力为静压力，高压油泵建压较容易，当由开机到停机时，镜板因在旋转，产生动摩擦，此时建压较难。同时镜板和推力瓦之间已有一层油膜，虽然压力未达到定值，并不影响推力瓦的润滑及散热[4]。

为进一步查明高压油泵在机组停机过程中，建压失败导致切泵的原因，选取了机组停机时有功功率、高压油总管压力、抬机量、导叶开度以及转速比5个参数，进行分析，横坐标为停机过程具体时刻，纵坐标为参量数值，为满足各参数曲线集中分布，对各参数单位进行缩放调整，实现归一化目的。具体曲线分布图，如图2所示。

图2 停机高压油泵切泵时相关参数曲线图

由图2可知，机组在停机过程中，当机组转速降至90%Nr时投入高压油顶起装置，由于高压油泵超时未建压，造成切泵，高压油总管压力瞬间为0，整个过程中，不难发现机组抬机量突增，随着转速下降，抬机量降低，高压油压力逐渐增大。所以造成停机过程中，高压油泵不能正常建压的主要原因是，当导叶达到全关位置时，机组转速约降至85%Nr，导叶全关时机组仍按水轮机方向旋转的运行工况，实质上是一种反水泵工况，反水泵工况引起的水泵升力及转轮室因存在真空导致的水锤力，均会产生一种负轴向力[5]。机组旋转部件受到方向向上的轴向水推力，抬机量突增，导致镜板被抬高，与推力瓦形成一定的间隙。高压油流入推力瓦瓦面和镜板之间的间隙，由于间隙变大，压力很快被释放，导致压力仅有2.0MPa左右。随着真空破坏阀向转轮室补气，破坏其真空度，加之机组转速下降，轴向水推力逐渐减小，抬机量减小，镜板和推力瓦的间隙也随之变小，在间隙变小和机组转速降低的共同作用下，推力瓦和镜板之间高压油流动速度也变慢，导致压力释放较慢，从而使得高压油压力升高。

所以，机组停机时，水推力作用是造成高压油顶起压力值偏小的主要原因，由于某大型水电站发电机高压油顶起系统油泵切换功能不可逆，当主用泵切换至备用泵后，若备用泵故障或管路渗漏导致压力低，高压油顶起系统均无法正确判断，只能持续由备用泵运行直至机组转速减至≤1%Nr时切除，对机组的安全稳定运行带来一定隐患。鉴于此，需将高压油控制系统逻辑优化，避免其停机切泵发生。

2 逻辑优化

2.1 高压油控制系统逻辑解读

高压油顶起装置控制方式有手动、自动和切除3种。控制方式选择切换开关置于“手动”运行时，在现地控制柜上通过按钮直接启/停油泵并闭锁自动控制命令的输出；当切换开关置于“切除”位置时，相应高压油泵退出运行；置于“自动”控制方式时，监控系统通过通信方式远方启/停高压油泵，正常运行情况下，控制方式设置在“自动”控制方式。该电站机组无论是开机流程中还是停机流程中，所调用的高压油装置启动程序都是相同的。计算机监控系统下达启动令后，高压油控制系统完成启动步骤如下：

（1）监控系统判断高压油装置在自动方式且无报警，具备最小开机条件，当下达高压油控制器PLC启动令，高压油控制器PLC启动主用泵，10s内判断高压油减载装置正常运行完成，如图3所示。

（2）若高压油泵无过载以及接触器故障，则PLC在10s内，将根据总管压力开关以及支管压力开关的压力接点到达情况，进行切泵条件判定。若总管压力开关接点未闭合、支管压力开关的压力接点也未闭合，则进行泵的主备切换。若泵切换至备用泵后，如在10s内，仍未建压，则不会进行第二次切泵，将维持现泵运行，并会进行机组高压油系统未建压报警。

2.2 高压油控制系统逻辑优化

图4 高压油泵主备切换逻辑

考虑到某大型水电站开机过程中并无高压油泵切泵现象发生，切泵现象只在机组停机过程中发生，且自某大型水电站机组投产以来，每台机组在停机过程中，当机组转速降至90%Nr投入高压油顶起系统时，油泵出口及高压油总管压力均在2.6～3.0MPa之间，当机组转速缓慢降至50%～70%Nr时，高压油总管压力升至5MPa以上。为解决此问题，现对机组停机过程中高压油泵切泵逻辑进行优化，修改高压油顶起总管油压报警判据，即当转速在50%～90%Nr时，压力判据为 2.5MPa，当转速在50%Nr以下时，压力判据为5MPa。具体步骤如下：

（1）在机组现地LCU开出量中，将新增DO点“N机组开机流程执行中（秒脉冲）”，并将脉冲信号送至高压油控制系统PLC。且机组下位机开机流程中，在下发“启动高压油系统”前，增加机组LCU下发开机流程执行中脉冲给高压油系统的程序段。实现开机流程与停机流程的选择功能。

（2）在机组测速装置中，修改其参数配置，将“机组转速＜50%Nr”接入高压油控制系统PLC中。

（3）启用机组高压油系统总管压力开关备用接点，将主接点设定整定值为5MPa、备用接点整定值为2.5MPa，并将备用接点接入PLC。

（4）修改机组高压油控制系统PLC程序，在停泵程序段加入转速信号及总管压力信号。

通过逻辑优化，可以成功避免某大型水电站机组停机过程中高压油泵切换的现象。如图5及表1所示列举了机组在非开机流程过程中，且“机组转速＜50%Nr”未到达时，1号、2号高压油泵油压未建立的切泵判据，即压力值小于2.5MPa。

图5 高压油泵非开机流程部分切泵程序段

表1 高压油控制系统PLC变量解释

3 结论

本文对某大型水电站停机过程中，高压油顶起装置切泵原因进行分析，并有效地对高压油顶起装置控制系统控制逻辑进行优化，得到如下结论：

（1）轴流转桨式水轮机组在停机过程中，高压油顶起装置切泵的主要原因是，当导叶全关时，机组旋转部件受到方向向上的轴向水推力，造成推力瓦瓦面和镜板之间的间隙瞬间变大，导致高压油泵向推力瓦面注油出力降低，规定时间内压力未达到整定值，使得主备泵切换。

（2）为避免机组停机过程中高压油泵主备切换，引入推力瓦烧毁的不安全因素，在高压油控制系统逻辑中，对机组开、停机状态进行判断，进而选择对应的高压油启动控制程序，采用不同的压力整定值作为判据，可成功避免机组停机过程中高压油泵主备切换引发的安全隐患。