高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機調(diào)速系統(tǒng)的研究

高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機調(diào)速系統(tǒng)的研究

一、大型雙調(diào)節(jié)高油調(diào)速器工作油壓化的研究槳式自動駕駛系統(tǒng)主要應用于導向裝置的氣壓裝置、調(diào)速器、平衡裝置、事故壓力器和管道相關(guān)系統(tǒng)。它的工作壓通常不超過6.3mpa。隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展，許多非調(diào)速器行業(yè)采用標準液壓元件的集成技術(shù)，取得良好的成效，這也給水輪機調(diào)速系統(tǒng)的研發(fā)提供了思路。轉(zhuǎn)槳式水輪機調(diào)速系統(tǒng)由于槳葉控制部分的工作油壓受到了限制，一直以來都無法向工作油壓高壓化發(fā)展，因此高油壓調(diào)速系統(tǒng)的諸多優(yōu)點均無法在轉(zhuǎn)槳式水輪機調(diào)速系統(tǒng)中得到應用，不能不說是一種遺憾。即便采用雙油壓裝置來給導葉控制部分提供高壓油、給槳葉控制部分提供常規(guī)壓力油，也略顯復雜和浪費。轉(zhuǎn)槳式水輪機調(diào)速器難以采用高油壓技術(shù)的主要障礙是：槳葉接力器位于水輪機轉(zhuǎn)輪內(nèi)，隨轉(zhuǎn)輪一起旋轉(zhuǎn)，控制壓力油須通過具有旋轉(zhuǎn)密封的受油器才能進入槳葉接力器。由于現(xiàn)有轉(zhuǎn)槳式水輪機受油器的旋轉(zhuǎn)密封難以承受較高的工作壓力，漏油量較大，限制了轉(zhuǎn)槳式水輪機調(diào)速器工作油壓的提高，阻礙了高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機調(diào)速器的開發(fā)和應用。人們的思維定勢是：由于轉(zhuǎn)槳式水輪機調(diào)速器的導葉和槳葉液控部分，歷來都屬于一個液壓系統(tǒng)，要提高調(diào)速器的工作油壓，只有在研制出能夠耐受高壓的受油器后，才有可能。大型雙調(diào)節(jié)高油壓水輪機調(diào)速系統(tǒng)在重慶云陽門坎灘電站的成功投運，標志著大型雙調(diào)節(jié)調(diào)速系統(tǒng)工作油壓高壓化問題的有效解決。該型調(diào)速系統(tǒng)完全繼承了高油壓中小型水輪機調(diào)速系統(tǒng)和大型雙調(diào)節(jié)水輪機調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點，有力地推動了行業(yè)的技術(shù)進步，為行業(yè)的發(fā)展帶來了新的活力，也為水電廠節(jié)約成本、減員增效提供新的選擇。二、高油電調(diào)速器與高油從技術(shù)的層面講，高油壓調(diào)速器與傳統(tǒng)的低油壓調(diào)速器及油壓裝置相比，高油壓調(diào)速器應用了現(xiàn)代電液控制技術(shù)，減少了調(diào)速器的液壓放大環(huán)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠，具有優(yōu)良的速動性及穩(wěn)定性；采用液壓元件質(zhì)量可靠，標準化、專業(yè)化、國際化程度高。此外，高油壓調(diào)速器體積小、重量輕，電站布置方便、美觀。在經(jīng)濟方面，由于高油壓調(diào)速器采用囊式蓄能器儲能，其膠囊內(nèi)所充氮氣與液壓油相互隔離，密封極為可靠，高壓氮氣一般不會漏失，不需補充。高壓空氣系統(tǒng)及相互的補氣工作將從水電站中取消，不僅省去了高壓空氣機、高壓儲氣罐、全場管道系統(tǒng)、相關(guān)控制設(shè)備及相應副廠房等一次性投資；而且節(jié)省了廠用電、人工費及設(shè)備維修費等運行費用，從而給電站帶來可觀的經(jīng)濟效益。由于高壓空壓機及自動補氣系統(tǒng)較易出現(xiàn)故障，是電站安全運行的薄弱環(huán)節(jié)，因此取消高壓空氣系統(tǒng)將為電站減員增效、提高電站運行的自動化水平創(chuàng)造良好條件。此外，高油壓調(diào)速器還具有用油量少，油質(zhì)不容易劣化，標準液壓件價格便宜等優(yōu)點，均可節(jié)省電站的運行維修費用。三、導葉、槳葉的液壓控制部分由于高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機調(diào)速器全面采用了囊式蓄能器、標準液壓件等現(xiàn)代高油壓技術(shù)，因而具備一般高油壓調(diào)速器的全部技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢。此外，與低油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機調(diào)速器及其油壓裝置相比，高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機調(diào)速器還具有其特殊的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢。眾所周知，低壓轉(zhuǎn)槳式水輪機調(diào)速器的導葉、槳葉液控部分共用一套油壓裝置。這樣，一方面受油器的漏油會影響廠用電消失時油壓裝置的保壓時間；另一方面槳葉液控系統(tǒng)容易經(jīng)由轉(zhuǎn)輪混入水分，加速油質(zhì)劣化。上述情況不僅會影響槳葉控制系統(tǒng)的可靠性，同時會影響導葉控制系統(tǒng)的可靠性。由于轉(zhuǎn)槳式水輪機在出現(xiàn)事故時能否可靠停機，完全取決于導葉能否可靠關(guān)閉，所以導葉控制可靠性的影響將直接影響機組安全。反觀高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機調(diào)速器，由于其導葉液壓控制部分是一個獨立的液壓系統(tǒng)，擁有獨立的油壓裝置，所以徹底排除了受油器漏油和油混水對導葉控制系統(tǒng)的影響，有效地提高了導葉控制系統(tǒng)的可靠性，從而有效地提高機組運行安全性。可見，導葉和槳葉的液壓控制部分各自獨立，不僅是在現(xiàn)有轉(zhuǎn)槳式水輪機上采用高油壓技術(shù)的必要選擇，同時還能有效地提高機組運行的可靠性。今后即使槳葉部分的工作油壓可以達到16MPa，上述雙液壓系統(tǒng)的方案仍然有其存在的價值。四、結(jié)構(gòu)布置方案設(shè)計為了在轉(zhuǎn)槳式水輪機現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)及工作油壓下，將高油壓技術(shù)最大限度地應用于轉(zhuǎn)槳式水輪機調(diào)速器，提出了雙液壓系統(tǒng)的高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機調(diào)速器方案，高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機調(diào)速器結(jié)構(gòu)框圖，如圖1。該方案的導葉液壓控制部分及其油壓裝置，按照工作油壓為16MPa的高油壓單調(diào)節(jié)進行設(shè)計。同時將工作油壓較低的槳葉液壓控制部分及其油壓裝置分離出來，構(gòu)成一套獨立的液壓系統(tǒng)。也就是說，導葉控制部分及其油壓裝置與槳葉控制部分及其油壓裝置是各自獨立的兩套液壓系統(tǒng)。槳葉系統(tǒng)同樣采用囊式蓄能器、標準液壓件等高油壓技術(shù)進行設(shè)計，但在實際運行中，將其工作油壓整定至水輪機受油器及槳葉接力器允許的最低工作油壓。這樣，就在適應現(xiàn)有轉(zhuǎn)槳式水輪機技術(shù)狀況條件下，成功的構(gòu)成了高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機調(diào)速器。五、系統(tǒng)的譜系統(tǒng)單元的組成、系統(tǒng)工作原則和結(jié)構(gòu)的配置1.高壓油儲存單元高油壓型水輪機調(diào)速系統(tǒng)的工作油壓為16MPa，壓力容器為囊式蓄能器。單個囊式蓄能器的最大容積只有150L，對整個調(diào)速系統(tǒng)來說顯得容量太小，但把囊式蓄能器并聯(lián)起來作為調(diào)速系統(tǒng)的高壓油儲存單元，就可以滿足調(diào)速系統(tǒng)的要求了。囊式蓄能器的具體數(shù)量可以根據(jù)實際接力器的容積進行調(diào)整，蓄能器與回油箱分開，在水電廠的位置可根據(jù)設(shè)計需要非常靈活地布置。與傳統(tǒng)的鋼制儲能罐相比，囊式蓄能器的優(yōu)勢非常明顯，不僅省去了高壓儲氣系統(tǒng)，而且不需要經(jīng)常補氣，提高了工作可靠性并減少了日常維護工作量?；赜拖渑c常規(guī)高油壓水輪機調(diào)速器保持相同的設(shè)計風格，將電機油泵組、過濾組件及調(diào)速器控制柜等布置在回油箱面板上。由于工作油壓的提高和大量標準液壓元件的集成使用，減小了回油箱的體積，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了調(diào)速系統(tǒng)的各元件的互換性。2.雙調(diào)節(jié)高油壓插裝閥控制方式導葉控制閥組的工作油壓為16MPa，采用比例閥、插裝閥及手動閥三路并聯(lián)的方式直接操作導葉接力器，其中比例閥用于接力器小范圍動作的自動調(diào)節(jié)，插裝閥用于接力器大范圍動作的自動調(diào)節(jié)。這種組合方式的主要優(yōu)點包括：適用于高油壓、大流量；便于集成，結(jié)構(gòu)緊湊；流量控制特性好；抗油污能力強、性能可靠、壽命長。也可采用比例閥與比例閥并聯(lián)或比例閥與數(shù)字閥并聯(lián)的方式作為接力器小范圍自動調(diào)節(jié)的控制，來適應水電廠對調(diào)速器控制部分的冗余要求。由于槳葉接力器受自身結(jié)構(gòu)限制，槳葉控制工作油壓不能太高。目前，國內(nèi)的相關(guān)機組槳葉控制油壓最高大多為6.3MPa，為適應這一特點，雙調(diào)節(jié)高油壓型調(diào)速系統(tǒng)是將系統(tǒng)工作油壓16MPa經(jīng)過減壓閥減壓至6.3Mpa后，再作為槳葉控制閥組的工作油源的。為了保證槳葉控制閥組工作油源的穩(wěn)定及可靠，消除可能因減壓閥故障對機組造成的破壞，還必須再做好相應的安全保護措施。因此，將槳葉閥組的工作油源經(jīng)過蓄能器穩(wěn)壓，同時采用過壓溢流的方式對槳葉接力器進行過壓保護并提供過壓報警信號，這樣處理之后槳葉工作油源就能滿足使用要求了。為了保證減壓閥故障導致的過壓溢流不影響系統(tǒng)工作油源的壓力，通過槳葉工作油源的壓力值是否過壓來判斷是否需要切斷槳葉工作油源是非常必要的，若槳葉控制閥組的工作油源被切斷，依靠用于穩(wěn)壓的囊式蓄能器給槳葉控制閥組提供工作油源，機組仍能繼續(xù)安全運行或正常停機，其系統(tǒng)原理如圖2。槳葉控制閥組采用比例閥和手動閥并聯(lián)的方式直接操作槳葉接力器。3.配壓閥過壓閥事故配壓閥的主要功能是截斷調(diào)速器至接力器的油源，同時給接力器關(guān)閉腔提供壓力油使之關(guān)閉。普通事故配壓閥存在油污能力差、易磨損的缺點，用于高壓后泄漏量會逐漸增大，影響整個調(diào)速系統(tǒng)的性能。插裝閥式事故配壓閥解決了以上問題，具有電氣接口和純機械過速保護裝置接口，為調(diào)速系統(tǒng)工作油壓高壓化提供輔助支持。4.槳葉控制信號電氣控制部分除根據(jù)機組工況和頻率發(fā)出調(diào)節(jié)信號，通過導葉液控柜控制導葉的動作外，還要發(fā)出協(xié)聯(lián)控制信號，通過槳葉控制柜控制槳葉的動作，以保證槳葉和導葉具有正確的協(xié)聯(lián)關(guān)系。采用FX2N系列PLC為核心構(gòu)成，PLC本體測頻，RS-485與上位機進行通訊，槳葉進行數(shù)字協(xié)聯(lián)。5.高油壓調(diào)速器結(jié)構(gòu)的設(shè)計槳葉控制部分的工作油壓，取決于水輪機受油器及槳葉接力器的允許工作油壓。槳葉部分油壓愈低，槳葉接力器工作容積愈大，因而所需蓄能器的總?cè)莘e（槳葉接力器工作容積6倍以上）也愈大，造價就愈高。故在條件許可時應采用較高的槳葉工作油壓，以使高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機調(diào)速器更加經(jīng)濟。高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機調(diào)速器一般采用分體式結(jié)構(gòu)。導葉和槳葉的液控柜通常置于其各自的油壓裝置的回油箱上，電控柜為標準柜，布置于機旁或中控室。導葉和槳葉的蓄能器組可以布置在各自的油壓裝置旁邊，也可以布置于其他合適位置。導葉和槳葉的蓄能器組與油壓裝置之間分別用油管連接。導葉液壓缸直接與水輪機導水機構(gòu)相連，液壓缸與液控柜間用無縫鋼管和高壓軟管共同連接。導葉用的高壓液壓缸可由水輪機廠家制造，也可由水輪機廠家提供相關(guān)的參數(shù)及連接尺寸，商請調(diào)速器廠家提供。6.采用清潔的油泵進行循環(huán)清洗，使第三2008年，兩臺大型雙調(diào)節(jié)高油壓水輪機調(diào)速系統(tǒng)在重慶云陽門坎灘電站調(diào)試完成并正式投運，從運行情況來看，出現(xiàn)的惟一問題為系統(tǒng)的油質(zhì)較差，造成減壓閥堵塞，以至于槳葉控制閥組無油壓供給，使得槳葉不能動作，經(jīng)過對減壓閥的清洗以及更換新的液壓油，調(diào)速系統(tǒng)恢復正常使用。由此也能反映出清潔的液壓油對調(diào)速系統(tǒng)正常運行的重要性，值得引起水電廠運行人員的重視。2009年8月，國家水輪機調(diào)速器質(zhì)量檢測中心對門坎灘電站的高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機調(diào)速器進行了專家現(xiàn)場測試，各項性能指標均達到或優(yōu)于現(xiàn)行國標GB/T9652.1-2007的技術(shù)要求。目前，水電廠運行人員對兩臺調(diào)速系統(tǒng)的平穩(wěn)運行非常滿意，給予了一致好評。六、高油壓調(diào)速器在轉(zhuǎn)槳式水輪機上的應用高油壓調(diào)速器因其十分顯著的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢，