华安水电厂二厂机组甩负荷接力器停顿现象分析与处理

李胜鑫，黄彦锋

（福建华电福瑞能源发展有限公司华安水力发电厂，福建 漳州 363800）

0 前言

华安水电厂二厂装机容量2×40 MW，机组由南平电机厂制造，水轮机型号为HLX75E-LJ-309，发电机型号为SF40-30/6100，一管双机结构。二厂于2010 年9 月动工兴建，两台机组分别于2013 年9 月26 日和9 月27 日顺利投产发电。机组调速器为SAFR-2000H 型微机调速器，导叶关闭规律为一段直线关闭，原设计甩100%负荷按调节保证计算为9 s，6 号首台调试机组甩100%负荷关闭时间根据甩75%负荷数据后调整为13 s，投运后优化调整为12 s。

水轮机基本参数：

最大水头：62.1 m 额定水头：53.5 m

最小水头：44.3 m 加权平均水头：56.6 m

额定流量：84.2 m3/s 额定转速：200 r/min

额定功率：41 240 kW 飞逸转速：357 r/min

最大功率：41 240 kW 吸出高度：+0.516 5 m

轴向水推力：220 t 接力器活塞直径80 mm

接力器活塞行程 415 mm

1 存在问题

2013 年9 月，6 号机组进行甩负荷试验，对导叶的开度变化进行了试验录波，曲线如图1 所示。通过试验发现机组甩 50%负荷时导叶按照直线正常关闭，在机组甩75%和100%负荷时导叶关闭出现台阶形折线异常关闭过程。虽然导叶关闭时间满足全关时间为13 s 的要求，但导叶接力器在开始关闭阶段其关闭速度均比设计要求的要快得多，而在导叶关闭到约30%开度时则出现了停止不动约2.5 s后才又继续关闭的异常现象。尽管此次甩满负荷过程的调节保证技术参数并未超出设计允许值，但超出正常导叶关闭调节保证计算值，故急需找出导叶关闭异常原因并尽快予以解决[1]。

图1 6 号机组甩满负荷后导叶异常关闭过程的波形图

2 原因分析

在机组甩负荷时，导叶是在动态水力矩和接力器操作力矩的共同作用下关闭，随着导叶紧急关闭，压力钢管水压快速上升，使得导叶关闭速度加快，接力器油管路中的油流速度也加快，引起在油管路中的压力损耗也加大，由于压力损耗过大，接力器缸中的油压降低，压力油在导叶接力器上的作用力降低，压力油不能推动导叶接力器运动，也就是接力器操作功不足出现导叶接力器停顿的现象。在接力器停顿期间，压力泵启动油压上升，压油罐油压逐渐传递到接力器缸，压力油又推动接力器运动，关闭导叶。

3 应对措施及其效果

3.1 方案1

经对雅玛渡水电厂调研后，决定采用在导叶接力器开腔油管路安装分段关闭装置，利用分段关闭装置的回油节流功能，通过调节螺母限定其阀芯的开口大小，调节关机时间。

处理效果：2013 年在导叶接力器开腔油路增设分段关闭装置后，调整好导叶关闭时间12 s,解决了机组甩负荷后导叶关闭过程中的异常问题。图2 为6 号机组增设节流装置后甩满负荷时的正常波形图。

图2 6 号机组增设节流装置后甩满负荷试验时的正常波形图

3.2 方案2

考虑在导叶接力器开腔油路增设分段关闭装置，如果其调节螺母发生变位，导致导叶关闭时间发生变化，对机组安全稳定运行极为不利。2020 年结合机组大修及调速器改造机会，对接力器操作功进行复核计算，发现接力器操作功偏小，需加大接力器活塞直径，提高接力器操作功，故结合机组大修对调速器、接力器进行更换。

3.2.1 接力器直径的计算

接力器容量与导水机构的结构参数、水轮机直径D1和工作水头H有密切关系。水轮机工厂从生产的一系列水轮机接力器中，经过电站实测在控制导水机构时接力器的牵引力矩，统计出一些规律并引出经验公式来计算接力器容量，供水轮机初步设计或选择水轮机调速容量时应用。因此，按经验公式计算接力器容量不但方法较简便，而且准确度也可以满足要求。目前国内通用的导水机构接力器直径，可用式（1）计算：

式中，D1为转轮直径；Hmax为最大水头；为导叶相对高度；Pr为调速系统额定油压，λ为计算系数，可由表1 查取。

表1 接力器直径计算系数

表2 直径280 mm 接力器参数

表3 直径320 mm 接力器参数

在混流式水轮机中，接力器直径通常取决于导叶开度a0=0.5a0max（在关闭方向出现的最大水力力矩）。而中、低水头轴流式水轮机，则通常取决于导叶开度a0≈a0max（在开启方向出现的最大水力力矩）。计算系数λ值，随蜗壳包角Ψ的减小而降低，因为非蜗形部分导叶水力力矩较蜗形部分导叶水力力矩要小些。同时，水力力矩和水轮机的单位流量有关。表1 较小的值用于水轮机型谱中一般过流能力的转轮，较大值用于增大流量改进后的新转轮。

3.2.2 华安二厂接力器直径计算

（1）调速系统操作油压上限取6.2 MPa，接力器直径为：

（2）调速系统油压下限取5.6 MPa，接力器直径为：

（3）调速系统事故低油压取4.8 MPa，接力器直径为：

3.2.3 现有缸体直径280 mm 接力器操作功的计算

最低操作油压的选择：紧急停机压力（事故停机的最小压力）Pt的选择应使关机后压力不降到最低操作油压Pr以下，最低操作油压Pr根据要求的接力器容量A（N·m）和所用的接力器容积V（m3）求得：PR=（A/V）×10-6。

（1）接力器操作功

经计算接力器的容积为：V=0.048 5 m3

目前接力器操作功计算公式：

Q—水轮机额定流量，m3/s；

Hmax—水轮机最大水头，m；

D1—转轮直径，m。

由上述公式可得接力器的所需操作功为：

根据核算，接力器实际所需要的操作功为：285 659.35 N·m

（2）目前油压等级下接力器操作功核算

1）目前二厂调速系统正常工作油压范围为：5.6~6.2 MPa，事故低油压为4.8 MPa。

2）目前取油压上限6.2 MPa 时的接力器实际操作功为：

3）目前取油压下限5.6 MPa 时的接力器实际操作功为:

4）目前取事故低油压4.8 MPa 时的接力器实际操作功为：

综上所述，在油压下限5.6 MPa、事故低油压4.8 MPa 下的接力器实际操作功均小于设计计算所需的接力器操作功，不能满足要求。

由公式反推满足设计操作功需要时的调速系统油压为：

结论：现有的接力器需要调速系统油压在6.02 MPa 以上时，才能满足设计所需操作功的要求，因压油罐的设计选型油压上限为6.3 MPa，可供正常运行的油压区间仅为6.02~6.2 MPa，偏小，不满足正常运行需要。

3.2.4 选用缸体直径320 mm 接力器操作功的计算

（1）直径320 mm 接力器操作功

经计算选用320 mm 接力器的容积为：

（2）目前油压等级下接力器操作功核算

目前二厂调速系统正常工作油压范围为：5.6~6.2 MPa，事故低油压为4.8 MPa，取事故低油压4.8 MPa 时的接力器实际操作功为:

结论：由此可知选用缸体直径320 mm 接力器，在事故低油压4.8 MPa 时，可以满足设计所需操作功的要求。

处理效果：结合机组大修，将接力器缸体直径由280 mm 提高至320 mm，增加接力器操作功，同时取消接力器管路上的节流阀，于2021 年2 月进行调速器甩100%负荷试验，6 号机组调速器甩100%额定负荷时的动态品质满足相关标准，转速上升值、蜗壳进口压力上升值、尾水真空度满足调保计算的要求，甩负荷过程中不再出现关闭速度过快和停顿现象。

图3 6 号机组甩100%额定负荷过渡过程曲线

4 结语

华安水电厂二厂机组甩负荷过程中接力器出现停顿的主要原因是接力器的操作力矩不足，通过两种改进方案进行现场试验，验证了改进后的两种方案均能满足过渡过程中蜗壳压力、转速、尾水管进口压力的控制标准。本文也对接力器操作功进行详细计算，提出增大接力器活塞直径措施，通过对接力器改造彻底解决问题。国内类似机组由于各种原因大多采用方案一，本文提供了新的借鉴。