高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究

高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)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(dòng)駕駛系統(tǒng)主要應(yīng)用于導(dǎo)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(guò)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(biāo)準(zhǔn)液壓元件的集成技術(shù)，取得良好的成效，這也給水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研發(fā)提供了思路。轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)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(lái)都無(wú)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(diǎn)均無(wú)法在轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中得到應(yīng)用，不能不說(shuō)是一種遺憾。即便采用雙油壓裝置來(lái)給導(dǎo)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(fù)雜和浪費(fèi)。轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)，隨轉(zhuǎn)輪一起旋轉(zhuǎn)，控制壓力油須通過(guò)具有旋轉(zhuǎn)密封的受油器才能進(jìn)入槳葉接力器。由于現(xiàn)有轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)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(jī)調(diào)速器工作油壓的提高，阻礙了高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)調(diào)速器的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。人們的思維定勢(shì)是：由于轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)調(diào)速器的導(dǎo)葉和槳葉液控部分，歷來(lái)都屬于一個(gè)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)在重慶云陽(yáng)門(mén)坎灘電站的成功投運(yùn)，標(biāo)志著大型雙調(diào)節(jié)調(diào)速系統(tǒng)工作油壓高壓化問(wèn)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(jī)調(diào)速系統(tǒng)和大型雙調(diào)節(jié)水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，有力地推動(dòng)了行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，為行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)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(yīng)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(jiǎn)單，工作可靠，具有優(yōu)良的速動(dòng)性及穩(wěn)定性；采用液壓元件質(zhì)量可靠，標(biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、國(guó)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(jì)方面，由于高油壓調(diào)速器采用囊式蓄能器儲(chǔ)能，其膠囊內(nèi)所充氮?dú)馀c液壓油相互隔離，密封極為可靠，高壓氮?dú)庖话悴粫?huì)漏失，不需補(bǔ)充。高壓空氣系統(tǒng)及相互的補(bǔ)氣工作將從水電站中取消，不僅省去了高壓空氣機(jī)、高壓儲(chǔ)氣罐、全場(chǎng)管道系統(tǒng)、相關(guān)控制設(shè)備及相應(yīng)副廠房等一次性投資；而且節(jié)省了廠用電、人工費(fèi)及設(shè)備維修費(fèi)等運(yùn)行費(fèi)用，從而給電站帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。由于高壓空壓機(jī)及自動(dòng)補(bǔ)氣系統(tǒng)較易出現(xiàn)故障，是電站安全運(yùn)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(yùn)行的自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)液壓件價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，均可節(jié)省電站的運(yùn)行維修費(fèi)用。三、導(dǎo)葉、槳葉的液壓控制部分由于高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)調(diào)速器全面采用了囊式蓄能器、標(biāo)準(zhǔn)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(jì)優(yōu)勢(shì)。此外，與低油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)調(diào)速器及其油壓裝置相比，高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)調(diào)速器還具有其特殊的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。眾所周知，低壓轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)調(diào)速器的導(dǎo)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(huì)影響廠用電消失時(shí)油壓裝置的保壓時(shí)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(huì)影響槳葉控制系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)會(huì)影響導(dǎo)葉控制系統(tǒng)的可靠性。由于轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)在出現(xiàn)事故時(shí)能否可靠停機(jī)，完全取決于導(dǎo)葉能否可靠關(guān)閉，所以導(dǎo)葉控制可靠性的影響將直接影響機(jī)組安全。反觀高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)調(diào)速器，由于其導(dǎo)葉液壓控制部分是一個(gè)獨(dú)立的液壓系統(tǒng)，擁有獨(dú)立的油壓裝置，所以徹底排除了受油器漏油和油混水對(duì)導(dǎo)葉控制系統(tǒng)的影響，有效地提高了導(dǎo)葉控制系統(tǒng)的可靠性，從而有效地提高機(jī)組運(yùn)行安全性?？梢?jiàn)，導(dǎo)葉和槳葉的液壓控制部分各自獨(dú)立，不僅是在現(xiàn)有轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)上采用高油壓技術(shù)的必要選擇，同時(shí)還能有效地提高機(jī)組運(yùn)行的可靠性。今后即使槳葉部分的工作油壓可以達(dá)到16MPa，上述雙液壓系統(tǒng)的方案仍然有其存在的價(jià)值。四、結(jié)構(gòu)布置方案設(shè)計(jì)為了在轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)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(yīng)用于轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)調(diào)速器，提出了雙液壓系統(tǒng)的高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)調(diào)速器方案，高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)調(diào)速器結(jié)構(gòu)框圖，如圖1。該方案的導(dǎo)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?jiǎn)握{(diào)節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)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(lái)，構(gòu)成一套獨(dú)立的液壓系統(tǒng)。也就是說(shuō)，導(dǎo)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(dú)立的兩套液壓系統(tǒng)。槳葉系統(tǒng)同樣采用囊式蓄能器、標(biāo)準(zhǔn)液壓件等高油壓技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但在實(shí)際運(yùn)行中，將其工作油壓整定至水輪機(jī)受油器及槳葉接力器允許的最低工作油壓。這樣，就在適應(yīng)現(xiàn)有轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)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(jī)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(chǔ)存單元高油壓型水輪機(jī)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(gè)囊式蓄能器的最大容積只有150L，對(duì)整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)顯得容量太小，但把囊式蓄能器并聯(lián)起來(lái)作為調(diào)速系統(tǒng)的高壓油儲(chǔ)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(shí)際接力器的容積進(jìn)行調(diào)整，蓄能器與回油箱分開(kāi)，在水電廠的位置可根據(jù)設(shè)計(jì)需要非常靈活地布置。與傳統(tǒng)的鋼制儲(chǔ)能罐相比，囊式蓄能器的優(yōu)勢(shì)非常明顯，不僅省去了高壓儲(chǔ)氣系統(tǒng)，而且不需要經(jīng)常補(bǔ)氣，提高了工作可靠性并減少了日常維護(hù)工作量?；赜拖渑c常規(guī)高油壓水輪機(jī)調(diào)速器保持相同的設(shè)計(jì)風(fēng)格，將電機(jī)油泵組、過(guò)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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)葉控制閥組的工作油壓為16MPa，采用比例閥、插裝閥及手動(dòng)閥三路并聯(lián)的方式直接操作導(dǎo)葉接力器，其中比例閥用于接力器小范圍動(dòng)作的自動(dòng)調(diào)節(jié)，插裝閥用于接力器大范圍動(dòng)作的自動(dòng)調(diào)節(jié)。這種組合方式的主要優(yōu)點(diǎn)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(qiáng)、性能可靠、壽命長(zhǎng)。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(dòng)調(diào)節(jié)的控制，來(lái)適應(yīng)水電廠對(duì)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(guó)內(nèi)的相關(guān)機(jī)組槳葉控制油壓最高大多為6.3MPa，為適應(yīng)這一特點(diǎn)，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(guò)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(duì)機(jī)組造成的破壞，還必須再做好相應(yīng)的安全保護(hù)措施。因此，將槳葉閥組的工作油源經(jīng)過(guò)蓄能器穩(wěn)壓，同時(shí)采用過(guò)壓溢流的方式對(duì)槳葉接力器進(jìn)行過(guò)壓保護(hù)并提供過(guò)壓報(bào)警信號(hào)，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(dǎo)致的過(guò)壓溢流不影響系統(tǒng)工作油源的壓力，通過(guò)槳葉工作油源的壓力值是否過(guò)壓來(lái)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(jī)組仍能繼續(xù)安全運(yùn)行或正常停機(jī)，其系統(tǒng)原理如圖2。槳葉控制閥組采用比例閥和手動(dòng)閥并聯(lián)的方式直接操作槳葉接力器。3.配壓閥過(guò)壓閥事故配壓閥的主要功能是截?cái)嗾{(diào)速器至接力器的油源，同時(shí)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(diǎn)，用于高壓后泄漏量會(huì)逐漸增大，影響整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的性能。插裝閥式事故配壓閥解決了以上問(wèn)題，具有電氣接口和純機(jī)械過(guò)速保護(hù)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(hào)電氣控制部分除根據(jù)機(jī)組工況和頻率發(fā)出調(diào)節(jié)信號(hào)，通過(guò)導(dǎo)葉液控柜控制導(dǎo)葉的動(dòng)作外，還要發(fā)出協(xié)聯(lián)控制信號(hào)，通過(guò)槳葉控制柜控制槳葉的動(dòng)作，以保證槳葉和導(dǎo)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(cè)頻，RS-485與上位機(jī)進(jìn)行通訊，槳葉進(jìn)行數(shù)字協(xié)聯(lián)。5.高油壓調(diào)速器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)槳葉控制部分的工作油壓，取決于水輪機(jī)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(jià)就愈高。故在條件許可時(shí)應(yīng)采用較高的槳葉工作油壓，以使高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)調(diào)速器更加經(jīng)濟(jì)。高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)調(diào)速器一般采用分體式結(jié)構(gòu)。導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)柜，布置于機(jī)旁或中控室。導(dǎo)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(dǎo)葉和槳葉的蓄能器組與油壓裝置之間分別用油管連接。導(dǎo)葉液壓缸直接與水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)相連，液壓缸與液控柜間用無(wú)縫鋼管和高壓軟管共同連接。導(dǎo)葉用的高壓液壓缸可由水輪機(jī)廠家制造，也可由水輪機(jī)廠家提供相關(guān)的參數(shù)及連接尺寸，商請(qǐng)調(diào)速器廠家提供。6.采用清潔的油泵進(jìn)行循環(huán)清洗，使第三2008年，兩臺(tái)大型雙調(diào)節(jié)高油壓水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在重慶云陽(yáng)門(mén)坎灘電站調(diào)試完成并正式投運(yùn)，從運(yùn)行情況來(lái)看，出現(xiàn)的惟一問(wèn)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(wú)油壓供給，使得槳葉不能動(dòng)作，經(jīng)過(guò)對(duì)減壓閥的清洗以及更換新的液壓油，調(diào)速系統(tǒng)恢復(fù)正常使用。由此也能反映出清潔的液壓油對(duì)調(diào)速系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要性，值得引起水電廠運(yùn)行人員的重視。2009年8月，國(guó)家水輪機(jī)調(diào)速器質(zhì)量檢測(cè)中心對(duì)門(mén)坎灘電站的高油壓轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)調(diào)速器進(jìn)行了專家現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于現(xiàn)行國(guó)標(biāo)GB/T9652.1-2007的技術(shù)要求。目前，水電廠運(yùn)行人員對(duì)兩臺(tái)調(diào)速系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行非常滿意，給予了一致好評(píng)。六、高油壓調(diào)速器在轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)上的應(yīng)用高油壓調(diào)速器因其十分顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，