水輪發(fā)電機組自動化元件裝置的應用

水輪發(fā)電機組自動化元件裝置的應用

在過去的10年里，東能源技術負責人將先進技術應用于發(fā)達國家，采用新技術和新材料，并開發(fā)了大量國內外先進水平的自動元件（設備）。并根據傳統(tǒng)自動化元件(裝置)在水電站使用中出現(xiàn)的問題,以及安裝、運行、維護人員提出的諸多改進意見,采用新技術、新材料對許多傳統(tǒng)產品進行了改進、完善,使之更好地滿足了用戶的要求。隨著電廠對機組自動化水平要求的不斷提高,進口自動化元件(裝置)在大型機組上得到越來越廣泛的應用。東電控制公司先后為電廠提供過國外數十家自動化元件專業(yè)生產廠商的自動化元件、產品,在自動化元件、產品選型、安裝、調試、維護等方面積累了豐富的經驗,為機組提供可靠的、先進的、完備的水輪發(fā)電機組自動化元件和裝置,以確保機組安全可靠運行。1水電場過速限制裝置的設置在水輪發(fā)電機組發(fā)生緊急事故停機時,若水輪機調速器失靈,無法及時關閉水輪機導葉切斷水流時,水輪發(fā)電機組的轉速就可能上升到飛逸轉速。為了限制機組過速,避免發(fā)生飛逸事故,必須設置過速限制裝置,在水輪機調速器失靈時緊急關閉水輪機導葉,是保護機組安全的重要措施。尤其在水輪機引水系統(tǒng)未設置水輪機進水閥門或快速閘門的水電站,過速限制裝置的設置尤為重要。此外,調速器或過速限制裝置緊急關閉水輪機導葉時,由于水流的慣性和轉輪的水泵作用,在轉輪室內可能產生較高真空,引起下游水流反沖,產生很大的沖擊力,嚴重的會導致機組發(fā)生抬機現(xiàn)象,造成設備損壞。設置兩段關閉裝置,在導葉接力器緊急關閉到適當開度時,投入兩段關閉裝置,改變水輪機導葉關閉速度,延長關閉時間,來控制水輪機引水系統(tǒng)的壓力上升,避免發(fā)生抬機現(xiàn)象,實踐證明是有效的。集成式過速限制和兩段關閉裝置,將上述兩種功能集成在一個閥塊上,安裝、調試、維護十分方便,能可靠地實現(xiàn)對水輪發(fā)電機組的過速限制和兩段關閉控制。2插裝閥式過速限制和段段關閉裝置的背景傳統(tǒng)結構的過速限制器和兩段關閉裝置,是采用幾個專用閥——事故配壓閥(SP)、油閥(YF)、兩段關閉閥(DG)和電磁配壓閥(YV01、YV02),通過外部管路連接組成一個液壓系統(tǒng),連接在水輪機調速器主配壓閥和水輪機導葉接力器之間。傳統(tǒng)結構的過速限制器和兩段關閉裝置,它有如下主要缺點:(1)管路復雜,安裝、布置、配管十分不便,電站安裝工作量大;(2)管路復雜,連接點多,滲漏點多,致使電廠達標困難;(3)配管不當會發(fā)生外泄或回油不暢,事故配壓閥難以復歸等故障;(4)傳統(tǒng)結構為滑動活塞結構,容易造成活塞卡塞、或滲漏量大,容易出現(xiàn)保護動作時拒動、或負荷漂移;(5)傳統(tǒng)控制系統(tǒng)與全機械液壓過速保護裝置的機動換向閥接口困難,難以實現(xiàn)純液壓過速保護關閉。我國過去水輪機調速系統(tǒng)、進水口閥門(主要采用球閥、蝶閥)操作油壓,一般壓力等級選用2.5MPa或4.0MPa,而現(xiàn)在操作油壓壓力等級主要選用6.3MPa。若設計6.3MPa壓力等級的過速限制和兩段關閉裝置仍采用傳統(tǒng)結構,除了上述缺點難以避免外,由于事故配壓閥、油閥和兩段關閉閥的閥體必須采用鑄鋼件,而鋼水流動性差,鑄造出結構復雜的閥體并保證質量合格是非常困難的,其制造成本也非常高。因此,必須突破傳統(tǒng)結構,進行全新的設計構思。為了解決傳統(tǒng)結構的過速限制器和兩段關閉裝置的缺點,東電控制公司早在1995年就開始了過速限制和兩段關閉裝置的結構改型換代開發(fā)工作,用插裝閥實現(xiàn)傳統(tǒng)結構的過速限制和兩段關閉裝置功能,第一代插裝閥式過速限制和兩段關閉裝置,于1999年在紅巖子電站首次使用,并獲得成功。從此,東電控制公司又陸續(xù)開發(fā)了各種功能、通徑的系列產品:(1)從功能上分,有插裝閥式過速限制和兩段關閉裝置、插裝閥式過速限制器、插裝閥式兩段關閉裝置;(3)從控制功能上分,有純電氣控制、純液壓控制、電氣與液壓雙重功能控制。自1999年紅巖子電站首次使用至今,東電控制公司生產的集成插裝閥式過速限制和兩段關閉裝置,已在數十個電站、有上百臺機組投入運行。受集成插裝閥式過速限制和兩段關閉裝置設計啟發(fā),東電控制公司又用插裝閥設計了蝴蝶閥、球閥、筒形閥、油壓設備油源控制閥組等液壓控制產品。隨著國內自動化元件及控制裝置配置,以無人值班、少人值守為原則,并逐步過度到無人值班、值守,為滿足電站對機組自動化控制要求,東電控制公司設計的過速限制和兩段關閉裝置、蝴蝶閥、球閥、筒形閥等液壓控制產品,都能接受全機械液壓過速保護裝置的控制,實現(xiàn)純液壓保護關閉功能。3水輪發(fā)電機組緊急關閉集成插裝閥式過速限制和兩段關閉裝置,主要由二通插裝閥,電磁換向閥,專用的電液換向閥,方向閥和壓力開關等液壓元件和閥塊組成。全部液壓元件集中安裝在一個閥塊上,并配有外接法蘭用于與油管路間的連接。其中關鍵的液壓元件就兩種:二通插裝閥、電液換向閥。過速限制和兩段關閉裝置有8個外接油口,其中:A1連接調速器主配壓閥開啟腔、B1連接調速器主配壓閥關閉腔;A2連接水輪機導葉接力器開啟腔、B2連接水輪機導葉接力器關閉腔;油口P與油壓裝置的壓力油箱相連接,油口T0、T1與油壓裝置的回油箱相連接;外控油口X0與全機械液壓過速保護裝置的機動換向閥相連接。專用電磁換向閥和電液換向閥的電磁鐵線圈接受電站監(jiān)控系統(tǒng)控制信號進行操作。正常運行時,導葉接力器的開啟、關閉操作,由調速器主配壓閥控制。當機組甩負荷時,若調速器發(fā)生事故、拒動,機組轉速上升至額定轉速的115%(具體整定值,由調保計算來確定),經0.5s延時后,需緊急關閉導葉接力器,避免事態(tài)擴展。此時,專用電液換向閥激勵,油路發(fā)生切換,關閉來自調速器兩操作油管的液壓油;裝置直接接通調速系統(tǒng)壓力油,進入接力器關閉腔,接力器開啟腔接通回油。此時,接力器活塞兩邊形成壓力差,使接力器緊急關閉。機組緊急關閉的時間,需根據水輪發(fā)電機組的性能參數,由調保計算來確定。機組性能參數不同,關閉時間也不同。現(xiàn)場調整插裝閥開口的大小,從而達到調整流量、調整緊急關閉時間的目的。水輪發(fā)電機組的機械液壓過速保護裝置,可以直接控制過速限制裝置,關閉水輪機導葉接力器。過速限制裝置的專用電液換向閥的外控油口X0,接到機械液壓過速保護裝置的機動換向閥。正常運行時,專用電液換向閥的外供控制油,是經過外控油口X0、機動換向閥接通壓力油。當水輪發(fā)電機組發(fā)生了二級過速,例如機組轉速上升到150%(具體整定值,由調保計算來確定)以上額定轉速,使機械液壓過速保護裝置動作后,機動換向閥油路發(fā)生切換,專用電液換向閥的外供控制油通過機動換向閥與回油相通,使專用電液換向閥主閥動作,直接控制過速限制裝置關閉水輪機導葉接力器,以達到機械液壓過速保護裝置直接控制過速限制裝置關閉水輪機導葉接力器的目的。如果水輪發(fā)電機組控制系統(tǒng)沒有配置機械液壓過速保護裝置,必須將外控油口X直接接通壓力油,或將專用電液換向閥的外供控制油改為內供控制油。機組正常運行時,兩段關閉的功能切除,兩段關閉裝置僅作為調速器主配壓閥控制油的通道。一旦機組甩負荷,調速器或過速限制裝置緊急關閉,導葉接力器關閉至預先設定的拐點開度時,電磁換向閥激勵,兩段關閉投入:當調速器主配壓閥緊急關閉時,接力器開啟腔液壓油經調速器主配壓閥接通回油;當調速器故障、過速限制裝置緊急關閉時,接力器開啟腔液壓油經過速限制裝置接通回油。通過調整插裝閥開口大小改變流過的流量,使流量減小,關閉速度減慢,關閉時間延長。這樣,在整個關機過程中,機組引水系統(tǒng)的壓力變化比較平緩,抑制尾水管真空度,避免發(fā)生抬機現(xiàn)象,保證機組運行的安全可靠性。機組兩段關閉時間和接力器拐點開度的位置,需根據水輪發(fā)電機組的性能參數,由調保計算確定。集成插裝閥式過速限制和兩段關閉裝置的結構特點:(1)采用標準插裝閥,系統(tǒng)設計靈活、可靠性高、穩(wěn)定性好;(2)采用疊裝、插裝技術和一體式閥塊體,代替管路實現(xiàn)元件間的連接,大幅度減少了系統(tǒng)裝配工作量,減少泄漏點,縮短執(zhí)行器響應時間,降低系統(tǒng)維修成本;(3)采用兩個電磁換向閥,自動控制過速限制保護和兩段關閉保護的投入;(4)快速測試接頭能隨時監(jiān)測接力器開啟腔、關閉腔中的油壓;(5)將過去繁瑣的管路連接優(yōu)化為集成式閥塊體,使得對外只有7個外接油口,連接方便,可以有效避免過去有些機組中出現(xiàn)的因管網布置不合理而影響元件的正常功用;(6)關閉時間連續(xù)可調,調節(jié)范圍廣,可滿足機組的現(xiàn)場設定要求;(7)采用可靠的、批量生產的、單一功能的元件,經過正確、合理的配置,組成無外泄漏的裝置,其互換性、通用性、標準化程度都非常高,而且裝置可在2.5~10.0MPa范圍內可靠工作,耐壓等級可提高至21MPa,這是此裝置的一個突出特點。4試驗合格評價集成插裝閥式過速限制和兩段關閉裝置,在工廠內裝配成整體。出廠前均已按試驗大綱要求進行一系列試驗并合格。在工地安裝時,裝置不需解體、清洗,但為了裝置的安全可靠運行,裝置在電站安裝時,需要按下列措施,對調速系統(tǒng)管路、油壓設備進行嚴格清洗,達到調速系統(tǒng)用油清潔度要求,可有效保證裝置的安全使用。4.1水平管路的鋪設插裝式過速限制和兩段關閉裝置,是串接在調速系統(tǒng)中。無論是新機組還是改造項目,現(xiàn)場安裝時,調速系統(tǒng)中所有管道與管道、管道與管件、管道與接頭、管道與法蘭間的焊接接頭,應采用氬弧焊焊接或氬弧焊打底,電弧焊填充的焊接方法,并由取得相應適焊范圍合格證的工人施焊。調速系統(tǒng)中使用的各油氣管路在成型焊接后,必須將其內部清理干凈,不得殘留氧化皮、焊碴等臟污物質。液壓系統(tǒng)壓力油來自壓力油罐,回油均通過管路排至回油箱。在管路的鋪設中,盡量減少彎道,水平段管路應水平,不得出現(xiàn)前低后高的情況。管道配好后組裝前,必須對所有管道進行徹底清洗。管道清洗采用以下方式:(1)機械清洗:用鋼刷反復刷或用鋼絲繩來回拉等機械方法清除焊渣、內表面氧化物等污染物。(2)酸洗:最好采用循環(huán)沖洗方法對系統(tǒng)所有管路進行沖洗。酸洗應包括以下4個步驟:脫脂處理、酸洗、中和處理和鈍化處理。脫脂、酸洗、鈍化處理之后需用壓力水沖洗,并進行快速干燥和噴涂油液,以防再次銹蝕。(3)管道沖洗:管道沖洗時可用汽輪機油,也可用與汽輪機油相容的低粘度油液,但切忌使用煤油作清洗液。為保證沖洗的效果,應采用盡可能大的沖洗流量,管路中的油液應呈紊流狀態(tài)。4.2精密過濾系統(tǒng)調速系統(tǒng)適用GB11120所規(guī)定的L-TSA46,或粘度與之相近的汽輪機油。裝置是按最大程度允許含污染的標準進行設計、制造的。由于系統(tǒng)油液是調速系統(tǒng)最重要載體,不但插裝式過速限制和兩段關閉裝置使用,調速器更要使用。為最大程度地提高液壓閥元件的使用壽命,建議對系統(tǒng)用油進行精密的過濾,過濾精度應達到ISO標準16/13,最好能達到14/11。新油污染問題往往被人們忽略。實際上,由于油液在分裝、運輸和儲存過程中會受到各種污染,在許多情況下新油的污染度都超過了液壓元件的污染耐受度,因此,新油注入系統(tǒng)前必須過濾。過濾裝置可采用精過濾車或其它精過濾裝置。系統(tǒng)首次投運前,除對油液進行精密過濾外,還應對整個系統(tǒng)所有管路進行循環(huán)清洗,并在循環(huán)過程中對油進行檢測,油液達到要求后才能進行正式的調試、運行。用油必須潔凈,還應定期化驗油質,保證用油質量。4.3快速開啟可選用的空氣開啟調速系統(tǒng)供油主閥門,給系統(tǒng)充油。首次通油或檢修后通油時,調速系統(tǒng)的管路中存在許多空氣,而由于空氣具有壓縮性,在管路或元件中形成氣體彈簧,運行中將造成系統(tǒng)振蕩;另外,油液中混雜的氣體形成氣泡,氣泡內的空氣在壓力的作用下被壓縮而溫度升高,將其附近的油液烤焦而碳化,碳化物加劇零件的磨損;氣泡在高壓下爆裂,會在零件表面產生空化現(xiàn)象等,這些均會極大降低液壓系統(tǒng)中元件的使用壽命。為避免或盡量減少以上情況的發(fā)生,須在壓力較低(最好在1.0MPa以下)的情況下,緩慢打開系統(tǒng)供油閥門,通油后首先應緩慢手動或電手動操作接力器從全關到全開,再從全開到全關,并反復進行數次,以排除管路中的空氣,為正式運行作好準備。機組正常停機后,為實現(xiàn)快速開機,處于備用狀態(tài)的機組最好不要關閉調速系統(tǒng)的壓力油源。否則,空氣可能進入操作油管路系統(tǒng)而導致開機運行時管路系統(tǒng)震蕩。如果需長時間停機而切斷系統(tǒng)油源,須在接力器全關、鎖錠投入、機組完全停止后,再關閉主油閥,切斷進入調速系統(tǒng)的壓力油路。4.4功能試驗和設定時間的整定集成插裝閥式過速限制和兩段關閉裝置,在電站不需要特別調試,調試工作主要集中在功能試驗和設定時間的整定上。調試工作在進水口閥門(或閘門)關閉狀態(tài)下,先進行靜態(tài)調試。靜態(tài)調試合格后,在調速系統(tǒng)工作狀態(tài)下,檢驗各功能、設定時間是否滿足要求,若不滿足系統(tǒng)設定時間要求,再進行微調設定。5主缸壓板的速度限制和兩段式關閉裝置的操作和維護5.1溫度、電壓集成插裝閥式過速限制和兩段關閉裝置,只是調速系統(tǒng)的一個組成部分。裝置投入運行前,應檢查調速系統(tǒng)壓力、油位、油溫、電壓等是否正常。油溫會影響油液的粘度,進而影響系統(tǒng)的工作性能。電加熱器不能對系統(tǒng)的油液進行均勻加熱,而當油液循環(huán)不充分時,會造成加熱器附近的油液被烤焦而出現(xiàn)析碳現(xiàn)象,析出的碳會影響系統(tǒng)的性能、加劇液壓元件的磨損。因此,投運前油溫偏低時應采用油泵循環(huán)打油的方式對油液進行加熱,以獲得系統(tǒng)一致的油溫。5.2系統(tǒng)的單元結構集成插裝閥式過速限制和兩段關閉裝置,為全液壓組合式系統(tǒng),整個裝置為模塊式結構,液壓元件均設置在閥塊上,閥塊內部流道尺寸較大,通流能力強,只要正常運行,液壓系統(tǒng)維護工作量極低。5.3延長使用壽命即使是最好的設備,如果只使用而不維護保養(yǎng),也會發(fā)生故障,而不得不停機檢修。因此,日常維護保養(yǎng)和檢查是必不可少的。保養(yǎng)可使設備處于良好的性能狀態(tài),延長使用壽命。日常維護中應注意清掃灰塵,以保持液壓系統(tǒng)清潔。在設備運行過程中,注意監(jiān)視系統(tǒng)壓力、油溫是否在要求的范圍內。機組每運行一段時間,尤其是新投運或大修后投運一段時間,應檢查電磁閥端子、元件等的固定螺釘,以防松動而接觸不良,影響機組安全運行。5.4液壓缸的清洗、保管,好在執(zhí)法裝置上幾乎集成了插裝閥、電磁閥、電液閥等液壓系統(tǒng)的所有液壓元件,其工作狀態(tài)直接影響整個裝置的工作狀態(tài),因此,對裝置的維護,是插裝式過速限制和兩段關閉裝置維護的關鍵之一。集成插裝閥式過速限制和兩段關閉裝置是按免維護而設計的,在動作、功能正確的前提下,最好不要拆卸維護。如長時間運行后需檢修維護,檢修時需要拆卸各液壓元件,被拆下的液壓元件需放置于橡皮、紙墊等較軟而平整、清潔的物體上,其表面不得有細小而堅硬的東西,以避免配合表面被壓劃傷,影響密封。裝置上集成有插裝閥和電液控制元件,電液控制元件的電氣插頭及連線,是閥組與電氣控制連接,并保證系統(tǒng)安全、可靠運行的關鍵部件,任何時候均應保證所有電氣連接件(線)完好。插裝閥、電磁閥、電液閥均是精密液壓控制元件,所有零件加工精度高、間隙小、表面粗糙度高,而且工作可靠,一般情況下不需要分解拆卸,如確需分解拆卸,則應在鋪墊了橡皮或相應的具有防碰措施的清潔的工作臺上進行。拆下的零件應妥善保管、不得碰撞?；匮b前應對所有零件進行清洗,清洗時不得使用纖維容易脫落的織物擦拭。5.5做