陳國仕，黃 波

（1.湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410023；2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長沙 410004）

1 引言

電站防止飛逸或限制飛逸轉(zhuǎn)速值的措施，有在進(jìn)水口安裝快速閘門的，也有在進(jìn)水管道上安裝進(jìn)水球閥或進(jìn)水蝶閥的。但這些方式對于燈泡貫流式機(jī)組都不適用，不僅造價高，實施起來也非常困難。在事故（緊急）情況下，燈泡貫流式機(jī)組通常由事故配壓閥切斷導(dǎo)葉主配油路，再由導(dǎo)水機(jī)構(gòu)控制環(huán)關(guān)閉側(cè)設(shè)置的重錘形成的關(guān)閉力矩和導(dǎo)葉的自關(guān)閉力，來實現(xiàn)導(dǎo)葉關(guān)閉操作，完成緊急停機(jī)。

重錘關(guān)機(jī)裝置可通過系統(tǒng)自動或人為手動控制事故配壓閥來實現(xiàn)事故（緊急）停機(jī)。重錘關(guān)機(jī)裝置是燈泡貫流式機(jī)組作為防止機(jī)組飛逸的最后一道防護(hù)措施，該裝置必須運行穩(wěn)定、安全可靠。

某燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組自2012年投產(chǎn)以來，一直不能正常地按設(shè)計完成重錘關(guān)機(jī)流程，存在著重大的安全隱患。近10年來，雖然多次對該裝置進(jìn)行了一些處理和改造，也取得了一定的成果，但一直未能徹底消除該重大隱患。

2 分析與處理

2.1 重錘關(guān)機(jī)裝置工作原理

2.1.1 燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組關(guān)機(jī)方式

燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)一般有兩種關(guān)閉方式，均可單獨完成關(guān)機(jī)操作。一是通過調(diào)速器導(dǎo)葉主配壓閥來進(jìn)行關(guān)機(jī)操作；二是通過事故配壓閥（重錘）來進(jìn)行關(guān)機(jī)操作。

事故配壓閥有手動、電氣自動和機(jī)械自動三種運行方式。手動方式主要用于調(diào)試過程中或工作人員發(fā)現(xiàn)運行機(jī)組異常且機(jī)組沒有自動停機(jī)的緊急情況；電氣自動方式主要是在事故配壓閥收到調(diào)速器事故低油壓故障信號或機(jī)組出現(xiàn)過速且調(diào)速器主配拒動的情況下；機(jī)械自動方式則是在機(jī)組轉(zhuǎn)速超過電氣過速限制并達(dá)到機(jī)械過速保護(hù)裝置動作值時，過速飛擺撞開機(jī)械過速保護(hù)裝置液控閥，直接控制事故配壓閥來實現(xiàn)關(guān)機(jī)。

2.1.2 重錘關(guān)機(jī)過程中油路情況

重錘關(guān)機(jī)也叫事故配壓閥關(guān)機(jī)。重錘關(guān)機(jī)動作時，事故配壓閥切斷調(diào)速器接力器開腔的壓力油源，阻斷調(diào)速器導(dǎo)葉主配壓閥開啟導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的通路；同時連通導(dǎo)葉接力器開啟腔至調(diào)速器回油箱的排油通路，將開啟腔的油排至回油箱。在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)關(guān)閉運動過程中，導(dǎo)葉接力器關(guān)腔產(chǎn)生負(fù)壓，利用該負(fù)壓打開連接回油箱的補(bǔ)油單向閥，將調(diào)速器回油箱的油補(bǔ)充到關(guān)閉腔，從而減少或消除關(guān)機(jī)運動過程中導(dǎo)葉接力器活塞產(chǎn)生的阻力。

2.2 重錘關(guān)機(jī)過程中的受力情況

重錘關(guān)機(jī)裝置能不能正常工作，其中一個重要的條件就是：關(guān)閉動力矩大于阻力矩，且要達(dá)到一定的量級。通常設(shè)計、制造單位對此做了充分的考慮和計算，但在制造和安裝過程中，由于各種誤差和問題的累積，可能導(dǎo)致阻力矩過大，關(guān)機(jī)動力矩不足，引發(fā)裝置運行異常。

2.2.1 主要動力

重錘關(guān)機(jī)過程中，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的關(guān)閉動力，來自安裝在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)控制環(huán)關(guān)閉側(cè)裝設(shè)的重錘自重和導(dǎo)葉在水壓作用下形成的自關(guān)閉力。

2.2.2 主要阻力

重錘關(guān)機(jī)過程中，系統(tǒng)的主要阻力有：①兩個導(dǎo)葉接力器在運動過程中，會在活塞處產(chǎn)生一定的油阻力，該阻力不僅隨著補(bǔ)油速度的減慢而增大，也隨著排油通道的擁堵而增大；②導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的導(dǎo)葉軸套、導(dǎo)葉拐臂連桿的軸承摩擦阻力，該阻力隨著各部軸承、軸套的老化磨損而增大；③控制環(huán)與外配水環(huán)的摩擦阻力，控制環(huán)的鋼珠因受力調(diào)整不當(dāng)，可能導(dǎo)致現(xiàn)場實際摩擦方式由設(shè)計的滾動摩擦變成滑動摩擦，使其阻力成幾何倍增，嚴(yán)重阻礙重錘關(guān)機(jī)；④導(dǎo)葉端面間隙超出設(shè)計值，產(chǎn)生額外的摩擦或刮擦，形成較大阻力；⑤導(dǎo)葉拐臂端面抗磨板磨損嚴(yán)重或間隙異常，造成阻力增大；⑥導(dǎo)葉接力器安裝位置出現(xiàn)偏差，對控制環(huán)產(chǎn)生偏離旋轉(zhuǎn)方向的分力，形成阻力；⑦控制環(huán)與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)外配不同心，控制環(huán)在旋轉(zhuǎn)過程中，受導(dǎo)葉連桿拉力和控制環(huán)運行間隙的變化影響，造成阻力增大。

圖1所示產(chǎn)生阻力的部位：①導(dǎo)葉端面；②導(dǎo)葉軸套；③導(dǎo)葉拐臂端面抗磨板；④導(dǎo)葉連桿軸；⑤導(dǎo)葉接力器軸；⑥控制環(huán)與外配滾動鋼珠。

圖1 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)剖面圖

其他主要阻力：⑦接力器內(nèi)阻力；⑧接力器傾斜引起的分力阻；⑨其他未知阻力。

2.2.3 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的不同結(jié)構(gòu)對受力的影響

如圖2所示，不同廠家生產(chǎn)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，其重錘布置位置存在一定的區(qū)別：本機(jī)組（A）重錘到機(jī)組中心的力臂相對較短，部分機(jī)組（B）所示的重錘距機(jī)組中心相對較長，要形成相同的旋轉(zhuǎn)力矩本機(jī)組的劣勢非常明顯，要使重錘轉(zhuǎn)矩達(dá)到計算要求，并留有充足的裕量的話，本機(jī)組中的重錘質(zhì)量就要做得更大一些。

圖2 兩種不同布置方式的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)

2.2.4 力系分析

重錘關(guān)機(jī)裝置要使導(dǎo)水機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)起來的最基本的力學(xué)條件，就是動力轉(zhuǎn)矩大于阻力轉(zhuǎn)矩，即

說明：力系符號對應(yīng)的力和等級詳見表1；力臂符號對應(yīng)的力臂和力詳見表2。

表1 力系構(gòu)成清單

表2 力臂清單

因該力系中很多力在運轉(zhuǎn)過程中不斷地發(fā)生變化，且空間變化很大，力系非常復(fù)雜。為便于在現(xiàn)場進(jìn)行簡要力學(xué)估算，現(xiàn)將這些力簡化到以控制環(huán)為平面的平面力系中，對該力系中可調(diào)的關(guān)鍵受力進(jìn)行分析：

動力分析：Fz（重錘）質(zhì)量最大（約10 t）、力臂長，轉(zhuǎn)矩大，可通過增減鋼板的方式進(jìn)行調(diào)整，需重點考慮；Fd（導(dǎo)葉自閉力）由機(jī)組自身性能決定，現(xiàn)場無法進(jìn)行調(diào)整以及量化，本次受力分析忽略不計；

阻力分析：f①、f②、f③、f④因其阻力相對很小，且當(dāng)f①、f②、f③出現(xiàn)問題時，導(dǎo)葉剪斷銷會被剪斷，正常情況下不會對機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉造成影響，受力分析過程中可忽略；f⑤雖然力臂長，但力很小，轉(zhuǎn)矩小，可進(jìn)行忽略；f⑨因其不明顯，對力系影響小，可忽略不計；f⑥（控制環(huán)約4 t）質(zhì)量較大，力臂較大，正常滾動摩擦?xí)r轉(zhuǎn)矩就較大，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，轉(zhuǎn)矩將成幾何倍增，該力大小直接受安裝調(diào)整質(zhì)量影響，在受力分析中應(yīng)重點考慮；f⑦接力器內(nèi)阻力可大可小，力臂最大，f⑦受液壓油系統(tǒng)各閥組管路影響很大，當(dāng)液壓油系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，可完全控制導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的運動，應(yīng)重點考慮；f⑧為接力器外阻力，隨著接力器的偏心值變大而增大，可通過調(diào)整進(jìn)行處理，作為次要考慮對象。

由于重錘關(guān)機(jī)裝置不僅要滿足關(guān)機(jī)功能，還要滿足在規(guī)定時間內(nèi)能順利完成關(guān)機(jī)。因此，我們在研究關(guān)鍵受力時，還需知曉合力矩M應(yīng)有足夠的裕量。

根據(jù)：M/J=α

M：合力矩；J：轉(zhuǎn)動慣量；α：角加速度

可知：合力矩越大，角速度越快；轉(zhuǎn)動慣量越小角速度越快。

基于系統(tǒng)中轉(zhuǎn)動慣量不變，故要提高角速度，就得增大合力矩，即增大動力矩或減小阻力矩，或兩項同時進(jìn)行。也就說，為滿足重錘關(guān)機(jī)的各項指標(biāo)，關(guān)機(jī)動力應(yīng)足夠大，而關(guān)機(jī)阻力則應(yīng)盡可能的小。基于關(guān)機(jī)速度過快時，可通過事故配壓閥插裝閥①的調(diào)整螺桿進(jìn)行調(diào)整，所以在力系分析和處理過程中，要在一定范圍內(nèi)盡可能地提高合力矩M。

2.3 影響重錘正常關(guān)機(jī)的主要因素

通常動力和阻力在設(shè)計階段均已進(jìn)行核算。當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時，大概率是阻力部分出現(xiàn)問題。故在缺陷處理過程中，應(yīng)優(yōu)先對阻力部分進(jìn)行處理。

當(dāng)設(shè)備的阻力調(diào)整、處理到最優(yōu)狀態(tài)時，會接近為一個常數(shù)，此時決定導(dǎo)水機(jī)構(gòu)關(guān)機(jī)時間的力學(xué)因素就只有動力的大小了。若問題還存在的話，再對動力部分進(jìn)行調(diào)整。由于導(dǎo)葉自閉力接近常數(shù)、不可調(diào)整，故當(dāng)阻力問題解決后，可通過增加重錘的重量來改變導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的關(guān)機(jī)能力和關(guān)機(jī)速度。

通過對相關(guān)力系的分析發(fā)現(xiàn)，既可調(diào)整變化，又對力系影響很大的關(guān)鍵作用力有Fz、f⑥、f⑦、f⑧，其對應(yīng)的設(shè)備為重錘、控制環(huán)（含鋼珠）、接力器及其液壓油系統(tǒng)（閥組、管路）。

根據(jù)分析結(jié)果，應(yīng)先對控制環(huán)的同心度和鋼珠受力進(jìn)行檢查調(diào)整，即對控制環(huán)壓板進(jìn)行調(diào)整，使其與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)外配水環(huán)同心，且受力均勻；再對接力器及其液壓油系統(tǒng)（閥組、管路）進(jìn)行處理，消除設(shè)備安裝制造過程中的問題；最后對重錘進(jìn)行增加配重試驗。同時，由于復(fù)核和計算工作不影響現(xiàn)場的具體施工，成本較低，我們可以優(yōu)先開展重錘質(zhì)量的復(fù)核計算以及對調(diào)速器液壓系統(tǒng)的設(shè)計原理進(jìn)行復(fù)核，查看是否存在計算和設(shè)計上的失誤。

2.4 處理方法和過程

2.4.1 重錘調(diào)整

經(jīng)廠家設(shè)計人員多次復(fù)核計算，認(rèn)為重錘重量符合要求。但為了證實阻力過大，2014年，對重錘進(jìn)行了增加配重試驗，在增加到原重錘質(zhì)量約1.6倍后，重錘關(guān)機(jī)正常，符合設(shè)計要求。

試驗證明，設(shè)備阻力過大，需進(jìn)一步查明阻力過大的部位。

2.4.2 接力器及其液壓油系統(tǒng)檢查處理

從接力器的布置方向可以看出，關(guān)機(jī)過程中，接力器活塞排油側(cè)面積S1遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于補(bǔ)油側(cè)面積S2，接力器運動過程中會形成較大阻力。

為解決這個問題，先將事故配壓閥中插裝閥①的閥芯壓緊彈簧縮短約15 mm，以減小回流油沖開閥芯的壓力，從而間接減小導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的關(guān)機(jī)阻力。試驗發(fā)現(xiàn)有一定的效果，但不明顯。

為進(jìn)一步排除插裝閥①對排油速度的影響，經(jīng)與廠家人員進(jìn)行討論后，取消插裝閥①的彈簧，再次試驗。試驗結(jié)果：在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)全開位置時，重錘關(guān)機(jī)基本不能動作；在開度為85%的時候，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)在重錘作用下開始動作，但關(guān)機(jī)速度過慢，不能滿足事故停機(jī)要求；在導(dǎo)葉開度80%時，重錘關(guān)機(jī)各項指標(biāo)滿足要求。

考慮到機(jī)組正常運行時，導(dǎo)葉開度極少超過80%，重錘關(guān)機(jī)裝置基本能保證設(shè)備運行。但是在正常運行時，事故配壓閥插裝閥①閥芯要保持關(guān)閉，取消彈簧后該閥只能保持全開。為確保插裝閥閥芯既能在正常運行時保持全關(guān)，又能在重錘關(guān)機(jī)時全開，廠家對事故配壓閥進(jìn)行了改造，加裝了一個液控單向閥②，如圖3所示。

圖3 事故關(guān)機(jī)液壓系統(tǒng)圖（改造后）

在進(jìn)行上述試驗時，還同步對接力器的安裝中心進(jìn)行了測量調(diào)整（主接力器的調(diào)整量為15 mm，副接力器的調(diào)整量為4 mm）；并對控制環(huán)進(jìn)行了檢查處理，更換了銹蝕和損壞的鋼珠。

至此，由于時間等因素影響，重錘關(guān)機(jī)異常問題的處理工作暫時告一段落。取得的最終成果為：導(dǎo)葉開度80%時，重錘關(guān)機(jī)運行正常，滿足要求。

2.4.3 控制環(huán)檢查調(diào)整

2022年5月，在該機(jī)組A修期間，檢修人員對控制環(huán)與外配水環(huán)的配合間隙進(jìn)行了測量，其間隙情況詳見圖4，上下總間隙高達(dá)5.75 mm。數(shù)據(jù)顯示控制環(huán)與外配水環(huán)的間隙極不均勻，且控制環(huán)底部有下垂現(xiàn)象，存在嚴(yán)重變形。

圖4 控制環(huán)與外配水環(huán)間隙

根據(jù)測量檢查情況，檢修人員對控制環(huán)壓板螺栓的受力進(jìn)行調(diào)整，以改變控制環(huán)相對外配水環(huán)的位置，使其間隙趨于均勻。調(diào)整完成后，順利完成了重錘關(guān)機(jī)試驗。在100%導(dǎo)葉開度下，重錘關(guān)機(jī)各項性能指標(biāo)符合設(shè)計和國標(biāo)要求。本次處理后，重錘關(guān)機(jī)異常的問題得到了徹底解決。

3 總結(jié)

基于該缺陷未出現(xiàn)在本電站的其他機(jī)組中，并結(jié)合整個缺陷處理過程得出以下結(jié)論：

造成本缺陷的原因是阻力過大，而造成阻力過大的根本原因是控制環(huán)與外配水環(huán)的同心度與受力調(diào)整不當(dāng)。由于施工人員在安裝、調(diào)整時，未充分考慮控制環(huán)自重變形對現(xiàn)場安裝的影響，導(dǎo)致控制環(huán)一直處于橢圓的變形運行工況，其阻力相對于設(shè)計的滾動摩擦力大幅增加，阻力矩增大，合力矩M變小，最終造成重錘關(guān)機(jī)異常。