水輪發(fā)電機組自動化元件裝置的應(yīng)用

水輪發(fā)電機組自動化元件裝置的應(yīng)用

在過去的10年里，東能源技術(shù)負責(zé)人將先進技術(shù)應(yīng)用于發(fā)達國家，采用新技術(shù)和新材料，并開發(fā)了大量國內(nèi)外先進水平的自動元件（設(shè)備）。并根據(jù)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(shù)、新材料對許多傳統(tǒng)產(chǎn)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(yīng)用。東電控制公司先后為電廠提供過國外數(shù)十家自動化元件專業(yè)生產(chǎn)廠商的自動化元件、產(chǎn)品,在自動化元件、產(chǎn)品選型、安裝、調(diào)試、維護等方面積累了豐富的經(jīng)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(shè)置在水輪發(fā)電機組發(fā)生緊急事故停機時,若水輪機調(diào)速器失靈,無法及時關(guān)閉水輪機導(dǎo)葉切斷水流時,水輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)速就可能上升到飛逸轉(zhuǎn)速。為了限制機組過速,避免發(fā)生飛逸事故,必須設(shè)置過速限制裝置,在水輪機調(diào)速器失靈時緊急關(guān)閉水輪機導(dǎo)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(shè)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(shè)置尤為重要。此外,調(diào)速器或過速限制裝置緊急關(guān)閉水輪機導(dǎo)葉時,由于水流的慣性和轉(zhuǎn)輪的水泵作用,在轉(zhuǎn)輪室內(nèi)可能產(chǎn)生較高真空,引起下游水流反沖,產(chǎn)生很大的沖擊力,嚴(yán)重的會導(dǎo)致機組發(fā)生抬機現(xiàn)象,造成設(shè)備損壞。設(shè)置兩段關(guān)閉裝置,在導(dǎo)葉接力器緊急關(guān)閉到適當(dāng)開度時,投入兩段關(guān)閉裝置,改變水輪機導(dǎo)葉關(guān)閉速度,延長關(guān)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(guān)閉裝置,將上述兩種功能集成在一個閥塊上,安裝、調(diào)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(guān)閉控制。2插裝閥式過速限制和段段關(guān)閉裝置的背景傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的過速限制器和兩段關(guān)閉裝置,是采用幾個專用閥——事故配壓閥(SP)、油閥(YF)、兩段關(guān)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(diào)速器主配壓閥和水輪機導(dǎo)葉接力器之間。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的過速限制器和兩段關(guān)閉裝置,它有如下主要缺點:(1)管路復(fù)雜,安裝、布置、配管十分不便,電站安裝工作量大;(2)管路復(fù)雜,連接點多,滲漏點多,致使電廠達標(biāo)困難;(3)配管不當(dāng)會發(fā)生外泄或回油不暢,事故配壓閥難以復(fù)歸等故障;(4)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)為滑動活塞結(jié)構(gòu),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(guān)閉。我國過去水輪機調(diào)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(shè)計6.3MPa壓力等級的過速限制和兩段關(guān)閉裝置仍采用傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),除了上述缺點難以避免外,由于事故配壓閥、油閥和兩段關(guān)閉閥的閥體必須采用鑄鋼件,而鋼水流動性差,鑄造出結(jié)構(gòu)復(fù)雜的閥體并保證質(zhì)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(jié)構(gòu),進行全新的設(shè)計構(gòu)思。為了解決傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的過速限制器和兩段關(guān)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(guān)閉裝置的結(jié)構(gòu)改型換代開發(fā)工作,用插裝閥實現(xiàn)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的過速限制和兩段關(guān)閉裝置功能,第一代插裝閥式過速限制和兩段關(guān)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(chǎn)品:(1)從功能上分,有插裝閥式過速限制和兩段關(guān)閉裝置、插裝閥式過速限制器、插裝閥式兩段關(guān)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(chǎn)的集成插裝閥式過速限制和兩段關(guān)閉裝置,已在數(shù)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(guān)閉裝置設(shè)計啟發(fā),東電控制公司又用插裝閥設(shè)計了蝴蝶閥、球閥、筒形閥、油壓設(shè)備油源控制閥組等液壓控制產(chǎn)品。隨著國內(nèi)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(shè)計的過速限制和兩段關(guān)閉裝置、蝴蝶閥、球閥、筒形閥等液壓控制產(chǎn)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(guān)閉功能。3水輪發(fā)電機組緊急關(guān)閉集成插裝閥式過速限制和兩段關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)閉裝置有8個外接油口,其中:A1連接調(diào)速器主配壓閥開啟腔、B1連接調(diào)速器主配壓閥關(guān)閉腔;A2連接水輪機導(dǎo)葉接力器開啟腔、B2連接水輪機導(dǎo)葉接力器關(guān)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(dǎo)葉接力器的開啟、關(guān)閉操作,由調(diào)速器主配壓閥控制。當(dāng)機組甩負荷時,若調(diào)速器發(fā)生事故、拒動,機組轉(zhuǎn)速上升至額定轉(zhuǎn)速的115%(具體整定值,由調(diào)保計算來確定),經(jīng)0.5s延時后,需緊急關(guān)閉導(dǎo)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(guān)閉來自調(diào)速器兩操作油管的液壓油;裝置直接接通調(diào)速系統(tǒng)壓力油,進入接力器關(guān)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(guān)閉。機組緊急關(guān)閉的時間,需根據(jù)水輪發(fā)電機組的性能參數(shù),由調(diào)保計算來確定。機組性能參數(shù)不同,關(guān)閉時間也不同?，F(xiàn)場調(diào)整插裝閥開口的大小,從而達到調(diào)整流量、調(diào)整緊急關(guān)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(guān)閉水輪機導(dǎo)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(jīng)過外控油口X0、機動換向閥接通壓力油。當(dāng)水輪發(fā)電機組發(fā)生了二級過速,例如機組轉(zhuǎn)速上升到150%(具體整定值,由調(diào)保計算來確定)以上額定轉(zhuǎn)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(guān)閉水輪機導(dǎo)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(guān)閉水輪機導(dǎo)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?qū)Ｓ秒娨簱Q向閥的外供控制油改為內(nèi)供控制油。機組正常運行時,兩段關(guān)閉的功能切除,兩段關(guān)閉裝置僅作為調(diào)速器主配壓閥控制油的通道。一旦機組甩負荷,調(diào)速器或過速限制裝置緊急關(guān)閉,導(dǎo)葉接力器關(guān)閉至預(yù)先設(shè)定的拐點開度時,電磁換向閥激勵,兩段關(guān)閉投入:當(dāng)調(diào)速器主配壓閥緊急關(guān)閉時,接力器開啟腔液壓油經(jīng)調(diào)速器主配壓閥接通回油;當(dāng)調(diào)速器故障、過速限制裝置緊急關(guān)閉時,接力器開啟腔液壓油經(jīng)過速限制裝置接通回油。通過調(diào)整插裝閥開口大小改變流過的流量,使流量減小,關(guān)閉速度減慢,關(guān)閉時間延長。這樣,在整個關(guān)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(guān)閉時間和接力器拐點開度的位置,需根據(jù)水輪發(fā)電機組的性能參數(shù),由調(diào)保計算確定。集成插裝閥式過速限制和兩段關(guān)閉裝置的結(jié)構(gòu)特點:(1)采用標(biāo)準(zhǔn)插裝閥,系統(tǒng)設(shè)計靈活、可靠性高、穩(wěn)定性好;(2)采用疊裝、插裝技術(shù)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(yīng)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(guān)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(guān)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(wǎng)布置不合理而影響元件的正常功用;(6)關(guān)閉時間連續(xù)可調(diào),調(diào)節(jié)范圍廣,可滿足機組的現(xiàn)場設(shè)定要求;(7)采用可靠的、批量生產(chǎn)的、單一功能的元件,經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)化程度都非常高,而且裝置可在2.5~10.0MPa范圍內(nèi)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(guān)閉裝置,在工廠內(nèi)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(diào)速系統(tǒng)管路、油壓設(shè)備進行嚴(yán)格清洗,達到調(diào)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(shè)插裝式過速限制和兩段關(guān)閉裝置,是串接在調(diào)速系統(tǒng)中。無論是新機組還是改造項目,現(xiàn)場安裝時,調(diào)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(yīng)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(yīng)適焊范圍合格證的工人施焊。調(diào)速系統(tǒng)中使用的各油氣管路在成型焊接后,必須將其內(nèi)部清理干凈,不得殘留氧化皮、焊碴等臟污物質(zhì)。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(shè)中,盡量減少彎道,水平段管路應(yīng)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(fù)刷或用鋼絲繩來回拉等機械方法清除焊渣、內(nèi)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(yīng)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(yīng)采用盡可能大的沖洗流量,管路中的油液應(yīng)呈紊流狀態(tài)。4.2精密過濾系統(tǒng)調(diào)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(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計、制造的。由于系統(tǒng)油液是調(diào)速系統(tǒng)最重要載體,不但插裝式過速限制和兩段關(guān)閉裝置使用,調(diào)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(yīng)達到ISO標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(diào)試、運行。用油必須潔凈,還應(yīng)定期化驗油質(zhì),保證用油質(zhì)量。4.3快速開啟可選用的空氣開啟調(diào)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(diào)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(nèi)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(chǎn)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(yīng)緩慢手動或電手動操作接力器從全關(guān)到全開,再從全開到全關(guān),并反復(fù)進行數(shù)次,以排除管路中的空氣,為正式運行作好準(zhǔn)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(guān)閉調(diào)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(dǎo)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(guān)、鎖錠投入、機組完全停止后,再關(guān)閉主油閥,切斷進入調(diào)速系統(tǒng)的壓力油路。4.4功能試驗和設(shè)定時間的整定集成插裝閥式過速限制和兩段關(guān)閉裝置,在電站不需要特別調(diào)試,調(diào)試工作主要集中在功能試驗和設(shè)定時間的整定上。調(diào)試工作在進水口閥門(或閘門)關(guān)閉狀態(tài)下,先進行靜態(tài)調(diào)試。靜態(tài)調(diào)試合格后,在調(diào)速系統(tǒng)工作狀態(tài)下,檢驗各功能、設(shè)定時間是否滿足要求,若不滿足系統(tǒng)設(shè)定時間要求,再進行微調(diào)設(shè)定。5主缸壓板的速度限制和兩段式關(guān)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(guān)閉裝置,只是調(diào)速系統(tǒng)的一個組成部分。裝置投入運行前,應(yīng)檢查調(diào)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(dāng)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(yīng)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(jié)構(gòu)集成插裝閥式過速限制和兩段關(guān)閉裝置,為全液壓組合式系統(tǒng),整個裝置為模塊式結(jié)構(gòu),液壓元件均設(shè)置在閥塊上,閥塊內(nèi)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(shè)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(shè)備處于良好的性能狀態(tài),延長使用壽命。日常維護中應(yīng)注意清掃灰塵,以保持液壓系統(tǒng)清潔。在設(shè)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(nèi)。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(yīng)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(guān)閉裝置維護的關(guān)鍵之一。集成插裝閥式過速限制和兩段關(guān)閉裝置是按免維護而設(shè)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(guān)鍵部件,任何時候均應(yīng)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(yīng)在鋪墊了橡皮或相應(yīng)的具有防碰措施的清潔的工作臺上進行。拆下的零件應(yīng)妥善保管、不得碰撞?；匮b前應(yīng)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