水力发电机组分段关闭装置故障分析及解决方案

张华峰

摘要：文中所述电站装有四台轴流转桨型式水轮发电机，是一座以发电为主，调峰调谷的水电站。考虑到电站调峰调频，出力变化比较频繁，为减小水锤对机组的不利影响，设置了机组导叶分段关闭装置。下面简要分析一下分段关闭装置中节流阀的故障及解决方法。

关键词：分段关闭装置;节流阀;针塞

一、概述

该电站自1985年投产以来，一直使用JDST-150型调速器进行调节，由于调速器年代久远，调节精度差，调速系统分段关闭装置经常性发生故障，主要表象为一段关闭时间经常变化、分段关闭装置不投入。

二、出现的问题

该电站水轮发电机组正常运行，由于晚上处于用电低谷，接到调度命令后，机组正常甩负荷，其余几台机组甩负荷后，机组转速在调速器的作用下逐步恢复额定转速，二号机组转速却迅速上升不见回落。最终事故配压阀动作，事故停机。事后从录像中观察发现二号机在整个机组甩负荷过程中，调速环有相应动作，但是动作非常缓慢。

三、分段关闭原理

电网出现故障，机组突然甩负荷时，调速器应快速关闭导叶，经过一段时间的调节过程，机组恢复到空载开度。在调节过程中，水轮机的最高转速值很重要，它影响到机组的稳定运行和使用寿命。为此，要求导叶快速关闭。在甩负荷的同时，由于导叶的快速关闭，过水系统流量会急剧变化，以致产生水击，即形成最大压力上升或最大压力下降，从而影响过水系统的安全。目前，采用导叶分段关闭装置来协调水击压力和机组转速的跃升。甩负荷时，尽管导叶全关闭时间相同，但采用不同的导叶关闭规律时，产生的水压和转速上升率将不相同。理论分析表明，在一定的导叶关闭时间内，存在着一种使水压上升率最小的导叶关闭规律，这种关闭规律称为最优关闭规律，一般表现为一条不规则的曲线。虽然采用微机技术有可能实现最优关闭，但是，从保证可靠性出发，目前还是采用机械液压分段关闭装置来逼近最優关闭曲线。通常采用两段折线关闭装置，一般第一段关闭速度较大，第二段关闭速度较小。由于第一段关闭速度比直线关闭时的关闭速度大，对于降低转速上升值有明显的作用。同时，采用两段关闭还可以减轻或防止轴流式水轮机组的抬机现象。众所周知，拐点的位置对水压和转速上升值有很大影响，而该电站为轴流转桨式机组，流量为455m?/秒。突然关闭导叶，水锤现象明显，对机组也有较大的不利影响。通过调速器分段关闭装置可以有效降低水锤现象对机组不利的影响，实现分段关闭的功能，则由调速系统的分段关闭装置执行。根据一定的导叶关闭规律和一定的导叶关闭时间，接力器快速关闭至全关位置，经过自动调节过程，当机组转速回复或接近甩负荷前的转速时，接力器会打开导叶至空载开度，以逐步达到新的平衡工况。

该电站所使用的分段关闭装置由分段关闭引导阀、分段关闭限位阀和装有调整块的扇形轮组成，通过调整调整块，可改变分段关闭拐点位置。实现的装置比较简单，只需要在接力器开侧的排油管上装设一个节流阀。控制节流阀是否投入可以用电磁配压阀启动，也可以由机械装置启动。如当接力器行程到达一定的位置时，通过接在调速环上钢丝绳的位移或者接力器上斜坡面或者凸轮推动连杆机构使节流阀投入，减小开侧排油的管道截面面积，从而降低排油速度，导叶的关闭速度随之减慢。通过调整限位阀上的螺母，进而调整接力器的后段（慢速）时间。截面越小，水锤越小，关闭时间就越长。反之也成立！原理图如下：

四、故障分析

这次事故发生后，检修人员结合机组当时的状态对事故的原因进行了分析。关闭速度过慢，综合考虑应该是开侧接力器的排油口变小所致。检修人员把分段关闭装置相关部位拆开，发现事故是由于调速器的分段关闭装置的引导阀的针塞滑动发卡，不能自由移动，当机组甩去负荷后，调速器一直处于第二段关闭状态，致使接力器关闭导叶时间慢，机组转速急剧上升。同时，发现引导阀针塞缸体内有较多杂质，经鉴定，为透平油内所含杂质。由于杂质的存在，不但针阀不能自由滑动，而且针阀和缸体各自的摩擦面也各有轻微划伤。

五、解决方法

该电站2号水轮发电机组原来调速器运行了20余年，由于技术落后再加上运行时间太长，调速器磨损严重，精度也越来越差。首先需要将针塞取出，用透平油清洗干净。用800#的砂纸进行打磨。确保针塞放入缸体后滑动自如。针对高压油有杂质问题，在进油管前加装一道细滤网，减少杂质对两段关闭阀的影响。针对回复弹簧弹力可能偏小的问题，决定在回复弹簧的底座加上一个4毫米的垫片，增加动作时弹簧的压缩量，以增大弹簧力，有利于关闭阀的回复。

为了使新调速器各部件与调速器更协调，工作更平稳，进行了全面的更换。包括油管、法兰盘等。集油槽清洗干净，透平油也重新过滤干净，降低油中杂质含量。确保调整检修后调速器稳定性安全性方面万无一失。

六、改进后运行情况

对两段关闭阀的改进后，机组经过一年多时间的运行，经历多次甩负荷的工况，机组并没有因为调速器的两段关闭阀发卡而出现转速超升的现象。这说明我们对两段关闭阀的改进是有针对性的，是有效的。同时每过段时间都对透平油取样化验，随时了解油质变化。经过对调速器的两段关闭阀进行改进，避免了出现甩负荷后无法控制机组转速上升而对机组造成的不必要的损害，确保了发电机组的安全稳定运行。

参考文献

[1]安监[2008]23号，国家电网公司电力安全工作规程（水电厂动力部分）[A].

[2]太平湾发电厂企业标准（QJ/TPW 03.001～017-2014）：太平湾电站机械设备检修技术规程[S].

[3]太平湾发电厂企业标准（QJ/TPW 03.018～028-2014）：太平湾电站机械设备检修工艺规程[S].

[4]发电企业设备检修导则：DL/T 838-2003[S].