夏 飛, 劉 虎

(四川圣達(dá)水電開發(fā)有限公司,四川 樂山 614900)

沙灣水電站位于四川省樂山市沙灣區(qū)葫蘆鎮(zhèn),為大渡河干流下游梯級(jí)開發(fā)中的第一級(jí),距上游已建的銅街子水電站 11.5 km,距樂山市區(qū)約44.5 km。電站采用一級(jí)混合式(河床式廠房加長尾水渠)開發(fā),安裝 4臺(tái) 120 MW軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組,總裝機(jī)容量 480 MW,屬國家大(二)型規(guī)模電站。

沙灣水電站調(diào)速系統(tǒng)采用由 HGS-H22-150-4.0型調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)與 HGS-E222型調(diào)速器微機(jī)調(diào)節(jié)器配合組成的微機(jī)型電液調(diào)速器,適用于大型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組和貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的自動(dòng)調(diào)節(jié)和自動(dòng)控制。該調(diào)速系統(tǒng)具有可靠性高、運(yùn)行速度快、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。但是,該系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜,對各個(gè)元件的精度要求較高,一旦其中一個(gè)元件損壞將造成整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。在實(shí)際運(yùn)行過程中,沙灣水電站四臺(tái)機(jī)組均不同程度的出現(xiàn)了導(dǎo)葉(輪葉)主配壓閥抽動(dòng)問題,造成機(jī)組的不穩(wěn)定運(yùn)行。為此,筆者提出了一種全新的調(diào)速器主配設(shè)計(jì)思路——轉(zhuǎn)動(dòng)式主配。

1 沙灣水電站調(diào)速器主配抽動(dòng)原因及其危害

1.1 沙灣水電站調(diào)速器主配抽動(dòng)原因分析

沙灣水電站調(diào)速器是由許多精密元件構(gòu)成的一個(gè)復(fù)雜控制系統(tǒng)。這種復(fù)雜系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)水輪機(jī)的精確控制。但是其也對各個(gè)元件的穩(wěn)定性提出了極高的要求。由于水電站運(yùn)行工況受外界環(huán)境影響較大,這種穩(wěn)定性往往難以保證。

沙灣水電站目前投運(yùn)的四臺(tái)機(jī)組均出現(xiàn)過主配壓閥抽動(dòng),導(dǎo)致導(dǎo)葉(輪葉)來回動(dòng)作的情況。通常情況下,主配抽動(dòng)的原因主要分為以下幾個(gè)方面:

(1)主配機(jī)械位置未能復(fù)中。

造成主配機(jī)械位置不能復(fù)中的主要原因包括:①機(jī)組運(yùn)行過程中的振動(dòng)造成主配開關(guān)機(jī)時(shí)調(diào)節(jié)螺母或機(jī)械中位調(diào)整螺母位置發(fā)生變化;②壓力油油質(zhì)較差,造成主配活塞卡阻;③主閥位移傳感器發(fā)生零點(diǎn)漂移,造成機(jī)械中位和電氣中位不一致;④機(jī)組振動(dòng)過大,造成主配活塞和殼體相對位置來回變化。

通過主配的局部結(jié)構(gòu)示意圖(圖 1)可知,如果導(dǎo)葉主配未處于中間位置,且調(diào)速器沒有調(diào)整信號(hào)開出,主配開(關(guān))腔將會(huì)一直給油,關(guān)(開)腔將會(huì)一直排油,導(dǎo)葉將會(huì)一直朝開(關(guān))的方向動(dòng)作。在開度調(diào)節(jié)模式下,調(diào)速器將會(huì)發(fā)出關(guān)(開)的調(diào)整信號(hào),使導(dǎo)葉開度保持穩(wěn)定。如果主配一直不能復(fù)中,這個(gè)過程將會(huì)不斷重復(fù),從而導(dǎo)致出現(xiàn)主配的抽動(dòng)現(xiàn)象。

圖1 主配壓閥局部示意圖

(2)主配竄油。

主配活塞與殼體之間的相對運(yùn)動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致兩者配合的徑向間隙變大(圖 1),活塞對油口的密封性變差,形成進(jìn)油腔向回油腔、進(jìn)油腔向工作油口、工作油口向回油腔的竄油。由于沙灣水電站進(jìn)油口油壓和工作油口油壓大小具有以下關(guān)系:

式中 P為進(jìn)油口油壓,MPa;P1為關(guān)腔油口油壓,MPa;P2為開腔油口油壓,MPa。

所以,主配工作油腔與回油腔之間的竄油量具有以下關(guān)系:

式中 Q1為關(guān)腔油口與回油腔的竄油量(m L);Q2為開腔油口與回油腔的竄油量(m L)。

通過以上分析可知,關(guān)腔竄油量大于開腔竄油量,這將會(huì)導(dǎo)致關(guān)腔油壓比開腔油壓下降快,接力器原有壓力平衡被打破,活塞將會(huì)由開腔向關(guān)腔運(yùn)動(dòng),導(dǎo)葉(輪葉)將會(huì)朝著開的方向運(yùn)動(dòng)。同樣,在 PID調(diào)節(jié)的作用下將會(huì)形成主配抽動(dòng)。

(3)主閥位移傳感器調(diào)節(jié)死區(qū)太小。

圖2 主配壓閥整體示意圖

由圖 2可知,主配輔助接力器下腔與壓力油直接接通。正常情況下,當(dāng)主配處于中間位置時(shí),其上下腔壓力油所產(chǎn)生的壓力差等于主配活塞的重力。但是,由于油壓裝置壓力油壓強(qiáng)會(huì)逐漸變小,所以下腔油壓變小,活塞在重力的作用下將會(huì)向下移動(dòng)直至達(dá)到新的壓力平衡。此時(shí)主閥位移傳感器將會(huì)監(jiān)測到活塞位置的變化,如果主閥位移傳感器調(diào)節(jié)死區(qū)小,在負(fù)反饋?zhàn)饔孟?將會(huì)控制活塞回到中間位置,這種過程將會(huì)反復(fù)進(jìn)行,從而造成主配抽動(dòng)。

(4)調(diào)速器控制信號(hào)脈寬過大。

如果控制信號(hào)脈沖寬度過大,每一次調(diào)節(jié)都會(huì)造成過調(diào)節(jié),執(zhí)行機(jī)構(gòu)永遠(yuǎn)達(dá)不到調(diào)節(jié)要求,從而造成這種調(diào)節(jié)過程的不斷反復(fù)進(jìn)行,形成主配抽動(dòng)。

(5)其它原因引起的主配抽動(dòng)。

水頭波動(dòng)較大、信號(hào)綜合輸出波動(dòng)、局部閉環(huán)系統(tǒng)故障、測頻回路精度較差等也會(huì)造成主配抽動(dòng)。但針對沙灣水電站的實(shí)際情況,對于這些方面的原因筆者在此不做詳細(xì)陳述。

為了確認(rèn)沙灣水電站主配抽動(dòng)的具體原因,維護(hù)人員做了以下試驗(yàn):

(1)將導(dǎo)葉“手動(dòng) /自動(dòng)”切換把手切至“手動(dòng)”位置,此時(shí)主配抽動(dòng)消失,機(jī)組出現(xiàn)嚴(yán)重的“溜負(fù)荷”現(xiàn)象。

(2)在導(dǎo)葉把手為“自動(dòng)”位置的狀態(tài)下,減小調(diào)速器控制信號(hào)脈沖寬度,主配抽動(dòng)的問題沒有任何改善。

通過以上試驗(yàn)分析可知,造成主配抽動(dòng)的主因是主配機(jī)械位置未復(fù)中。在主閥位移傳感器認(rèn)定的機(jī)械零位時(shí),接力器關(guān)腔與壓力油接通,開腔與回油接通,導(dǎo)葉自動(dòng)關(guān)閉,形成“手動(dòng)”位置的“溜負(fù)荷”現(xiàn)象。為此,維護(hù)人員調(diào)整了主配的機(jī)械中位。調(diào)整后,主配抽動(dòng)明顯變小,但是并未完全消失;“溜負(fù)荷”現(xiàn)象基本消失。由此可以判斷,主配活塞竄油亦是引起主配抽動(dòng)的原因之一。

1.2 主配抽動(dòng)的危害

主配抽動(dòng)問題是沙灣水電站建廠之初就一直存在的“頑疾”,極大的阻礙了電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。主配抽動(dòng)對水電站的影響主要表現(xiàn)在以下幾方面:

(1)由于主配的頻繁抽動(dòng),將會(huì)造成接力器的來回動(dòng)作。接力器活塞與殼體之間頻繁摩擦,長此以往,將會(huì)加劇接力器內(nèi)部磨損,甚至造成接力器內(nèi)部拉傷,使其內(nèi)部竄油。這種情況在沙灣水電站 1號(hào)機(jī)得以驗(yàn)證,不利于機(jī)組的安全運(yùn)行。

(2)主配抽動(dòng)將會(huì)造成調(diào)速器壓力油使用量大增,油泵頻繁打油,壓力油溫變高,油質(zhì)變差,嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全運(yùn)行。

(3)接力器的來回動(dòng)作將會(huì)控制導(dǎo)葉來回動(dòng)作,造成負(fù)荷波動(dòng),這種負(fù)荷波動(dòng)將會(huì)形成超欠發(fā)。這種情況在枯水期低負(fù)荷時(shí)表現(xiàn)尤為明顯,不利于機(jī)組的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

(4)主配抽動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致主配活塞與殼體之間間隙變大,造成主配內(nèi)部竄油。而這種竄油反過來將會(huì)加劇主配抽動(dòng),形成惡性循環(huán),不利于機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 轉(zhuǎn)動(dòng)式主配的可行性探究

2.1 轉(zhuǎn)動(dòng)式主配的設(shè)計(jì)原理

沙灣水電站主配抽動(dòng)問題是傳統(tǒng)電液型調(diào)速器的通病,很難通過調(diào)整參數(shù)的方法從根本上解決。不僅如此,傳統(tǒng)直線位移型主配還存在封油效果差、主配活塞易發(fā)卡、加工精度要求高等缺點(diǎn)。為此,筆者提出了一種全新的主配設(shè)計(jì)理念—— 轉(zhuǎn)動(dòng)式主配,其具體工作過程見圖 3。

圖3 轉(zhuǎn)動(dòng)式主配壓閥工作原理圖

該主配設(shè)計(jì)理念是使主配由傳統(tǒng)的直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)橛伤欧姍C(jī)控制的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由圖 3可知,當(dāng)主配處于中間位置時(shí),主配壓力油口和回油口均被主配活塞封閉,接力器開腔和關(guān)腔處于封閉狀態(tài),控制導(dǎo)葉保持靜止。在伺服電機(jī)的控制下,主配活塞沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定的角度,此時(shí)主配外殼左端壓力油管通過活塞內(nèi)通孔與活塞上腔接通,右端回油管通過活塞內(nèi)通孔與活塞下腔接通,由于主配活塞上腔接機(jī)組接力器開腔,下腔接機(jī)組接力器關(guān)腔,此時(shí)接力器開腔與壓力油接通,關(guān)腔與回油接通,以此控制接力器朝開的方向動(dòng)作,機(jī)組開機(jī)。同理,在伺服電機(jī)的控制下,主配活塞沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定的角度,此時(shí)主配外殼右端壓力油管通過活塞內(nèi)通孔與活塞下腔接通,左端回油管通過活塞內(nèi)通孔與活塞上腔接通,此時(shí)接力器關(guān)腔與壓力油接通,開腔與回油接通,接力器朝關(guān)的方向動(dòng)作,機(jī)組關(guān)機(jī)。

2.2 轉(zhuǎn)動(dòng)式主配的優(yōu)勢

此設(shè)計(jì)從根本上顛覆了傳統(tǒng)主配的設(shè)計(jì)理念,克服了傳統(tǒng)主配的許多缺點(diǎn),具體表現(xiàn)為:

(1)系統(tǒng)簡單。此款主配直接通過伺服電機(jī)進(jìn)行控制,不需要復(fù)雜的油路系統(tǒng),從制造到安裝將會(huì)大大節(jié)約人力、物力。

(2)系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可靠性高。由于此主配系統(tǒng)精簡,所需要保證的精度和配合的環(huán)節(jié)大大減少,從而使安全系數(shù)大大提高。

(3)加工精度要求低。較復(fù)雜的傳統(tǒng)主配而言,此款主配所需要精加工的面大大減少,加工結(jié)構(gòu)簡單。

(4)調(diào)節(jié)精度高,動(dòng)態(tài)特性好?，F(xiàn)代伺服電機(jī)具有線性度好、反應(yīng)靈敏、可靠性高并具有斷電自復(fù)中功能。傳統(tǒng)主配所存在的中間位置不易保持、主配抽動(dòng)等問題均能得到有效的解決。

(5)封油特性好。此款主配活塞和外殼之間的相對運(yùn)動(dòng)由直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)檗D(zhuǎn)動(dòng),配合精度大大提高,可以更好的實(shí)現(xiàn)壓力油的封閉。

(6)制造成本低。由于此款主配較傳統(tǒng)主配系統(tǒng)構(gòu)造簡單,所需設(shè)備減少,設(shè)備加工難度變低,成本大大降低。

總之,轉(zhuǎn)動(dòng)式主配較傳統(tǒng)主配有較大優(yōu)勢。但是,筆者在文中僅僅提出了其設(shè)計(jì)雛形,對于其在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用還需做進(jìn)一步的工作。

3 結(jié) 語

由于傳統(tǒng)主配的設(shè)計(jì)存在一定的不合理性,沙灣水電站主配抽動(dòng)問題一直無法根除。這種抽動(dòng)在許多電廠中都存在,不利于水輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。除此之外,傳統(tǒng)主配還具有系統(tǒng)復(fù)雜、制造加工難度大、穩(wěn)定性較差、主配活塞容易發(fā)卡等缺點(diǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)式主配從根本上顛覆了傳統(tǒng)主配的直線運(yùn)動(dòng)方式,在許多方面都具有較大優(yōu)勢,這種設(shè)計(jì)將會(huì)為未來水輪機(jī)調(diào)節(jié)器的發(fā)展提供一種新思路。

[1]劉志華.自復(fù)中伺服電機(jī)調(diào)速器在銅街子電站中的運(yùn)用[J].四川水力發(fā)電,2008,27(2):68-70.

[2]魏守平.水輪機(jī)調(diào)節(jié)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社.2009.