高油压转桨式水轮机调速系统的研究

高油压转桨式水轮机调速系统的研究

一、大型双调节高油调速器工作油压化的研究桨式自动驾驶系统主要应用于导向装置的气压装置、调速器、平衡装置、事故压力器和管道相关系统。它的工作压通常不超过6.3mpa。随着液压技术的不断发展，许多非调速器行业采用标准液压元件的集成技术，取得良好的成效，这也给水轮机调速系统的研发提供了思路。转桨式水轮机调速系统由于桨叶控制部分的工作油压受到了限制，一直以来都无法向工作油压高压化发展，因此高油压调速系统的诸多优点均无法在转桨式水轮机调速系统中得到应用，不能不说是一种遗憾。即便采用双油压装置来给导叶控制部分提供高压油、给桨叶控制部分提供常规压力油，也略显复杂和浪费。转桨式水轮机调速器难以采用高油压技术的主要障碍是：桨叶接力器位于水轮机转轮内，随转轮一起旋转，控制压力油须通过具有旋转密封的受油器才能进入桨叶接力器。由于现有转桨式水轮机受油器的旋转密封难以承受较高的工作压力，漏油量较大，限制了转桨式水轮机调速器工作油压的提高，阻碍了高油压转桨式水轮机调速器的开发和应用。人们的思维定势是：由于转桨式水轮机调速器的导叶和桨叶液控部分，历来都属于一个液压系统，要提高调速器的工作油压，只有在研制出能够耐受高压的受油器后，才有可能。大型双调节高油压水轮机调速系统在重庆云阳门坎滩电站的成功投运，标志着大型双调节调速系统工作油压高压化问题的有效解决。该型调速系统完全继承了高油压中小型水轮机调速系统和大型双调节水轮机调速系统的优点，有力地推动了行业的技术进步，为行业的发展带来了新的活力，也为水电厂节约成本、减员增效提供新的选择。二、高油电调速器与高油从技术的层面讲，高油压调速器与传统的低油压调速器及油压装置相比，高油压调速器应用了现代电液控制技术，减少了调速器的液压放大环节，结构简单，工作可靠，具有优良的速动性及稳定性；采用液压元件质量可靠，标准化、专业化、国际化程度高。此外，高油压调速器体积小、重量轻，电站布置方便、美观。在经济方面，由于高油压调速器采用囊式蓄能器储能，其胶囊内所充氮气与液压油相互隔离，密封极为可靠，高压氮气一般不会漏失，不需补充。高压空气系统及相互的补气工作将从水电站中取消，不仅省去了高压空气机、高压储气罐、全场管道系统、相关控制设备及相应副厂房等一次性投资；而且节省了厂用电、人工费及设备维修费等运行费用，从而给电站带来可观的经济效益。由于高压空压机及自动补气系统较易出现故障，是电站安全运行的薄弱环节，因此取消高压空气系统将为电站减员增效、提高电站运行的自动化水平创造良好条件。此外，高油压调速器还具有用油量少，油质不容易劣化，标准液压件价格便宜等优点，均可节省电站的运行维修费用。三、导叶、桨叶的液压控制部分由于高油压转桨式水轮机调速器全面采用了囊式蓄能器、标准液压件等现代高油压技术，因而具备一般高油压调速器的全部技术经济优势。此外，与低油压转桨式水轮机调速器及其油压装置相比，高油压转桨式水轮机调速器还具有其特殊的技术经济优势。众所周知，低压转桨式水轮机调速器的导叶、桨叶液控部分共用一套油压装置。这样，一方面受油器的漏油会影响厂用电消失时油压装置的保压时间；另一方面桨叶液控系统容易经由转轮混入水分，加速油质劣化。上述情况不仅会影响桨叶控制系统的可靠性，同时会影响导叶控制系统的可靠性。由于转桨式水轮机在出现事故时能否可靠停机，完全取决于导叶能否可靠关闭，所以导叶控制可靠性的影响将直接影响机组安全。反观高油压转桨式水轮机调速器，由于其导叶液压控制部分是一个独立的液压系统，拥有独立的油压装置，所以彻底排除了受油器漏油和油混水对导叶控制系统的影响，有效地提高了导叶控制系统的可靠性，从而有效地提高机组运行安全性。可见，导叶和桨叶的液压控制部分各自独立，不仅是在现有转桨式水轮机上采用高油压技术的必要选择，同时还能有效地提高机组运行的可靠性。今后即使桨叶部分的工作油压可以达到16MPa，上述双液压系统的方案仍然有其存在的价值。四、结构布置方案设计为了在转桨式水轮机现有的结构及工作油压下，将高油压技术最大限度地应用于转桨式水轮机调速器，提出了双液压系统的高油压转桨式水轮机调速器方案，高油压转桨式水轮机调速器结构框图，如图1。该方案的导叶液压控制部分及其油压装置，按照工作油压为16MPa的高油压单调节进行设计。同时将工作油压较低的桨叶液压控制部分及其油压装置分离出来，构成一套独立的液压系统。也就是说，导叶控制部分及其油压装置与桨叶控制部分及其油压装置是各自独立的两套液压系统。桨叶系统同样采用囊式蓄能器、标准液压件等高油压技术进行设计，但在实际运行中，将其工作油压整定至水轮机受油器及桨叶接力器允许的最低工作油压。这样，就在适应现有转桨式水轮机技术状况条件下，成功的构成了高油压转桨式水轮机调速器。五、系统的谱系统单元的组成、系统工作原则和结构的配置1.高压油储存单元高油压型水轮机调速系统的工作油压为16MPa，压力容器为囊式蓄能器。单个囊式蓄能器的最大容积只有150L，对整个调速系统来说显得容量太小，但把囊式蓄能器并联起来作为调速系统的高压油储存单元，就可以满足调速系统的要求了。囊式蓄能器的具体数量可以根据实际接力器的容积进行调整，蓄能器与回油箱分开，在水电厂的位置可根据设计需要非常灵活地布置。与传统的钢制储能罐相比，囊式蓄能器的优势非常明显，不仅省去了高压储气系统，而且不需要经常补气，提高了工作可靠性并减少了日常维护工作量。回油箱与常规高油压水轮机调速器保持相同的设计风格，将电机油泵组、过滤组件及调速器控制柜等布置在回油箱面板上。由于工作油压的提高和大量标准液压元件的集成使用，减小了回油箱的体积，节约了生产成本，提高了调速系统的各元件的互换性。2.双调节高油压插装阀控制方式导叶控制阀组的工作油压为16MPa，采用比例阀、插装阀及手动阀三路并联的方式直接操作导叶接力器，其中比例阀用于接力器小范围动作的自动调节，插装阀用于接力器大范围动作的自动调节。这种组合方式的主要优点包括：适用于高油压、大流量；便于集成，结构紧凑；流量控制特性好；抗油污能力强、性能可靠、寿命长。也可采用比例阀与比例阀并联或比例阀与数字阀并联的方式作为接力器小范围自动调节的控制，来适应水电厂对调速器控制部分的冗余要求。由于桨叶接力器受自身结构限制，桨叶控制工作油压不能太高。目前，国内的相关机组桨叶控制油压最高大多为6.3MPa，为适应这一特点，双调节高油压型调速系统是将系统工作油压16MPa经过减压阀减压至6.3Mpa后，再作为桨叶控制阀组的工作油源的。为了保证桨叶控制阀组工作油源的稳定及可靠，消除可能因减压阀故障对机组造成的破坏，还必须再做好相应的安全保护措施。因此，将桨叶阀组的工作油源经过蓄能器稳压，同时采用过压溢流的方式对桨叶接力器进行过压保护并提供过压报警信号，这样处理之后桨叶工作油源就能满足使用要求了。为了保证减压阀故障导致的过压溢流不影响系统工作油源的压力，通过桨叶工作油源的压力值是否过压来判断是否需要切断桨叶工作油源是非常必要的，若桨叶控制阀组的工作油源被切断，依靠用于稳压的囊式蓄能器给桨叶控制阀组提供工作油源，机组仍能继续安全运行或正常停机，其系统原理如图2。桨叶控制阀组采用比例阀和手动阀并联的方式直接操作桨叶接力器。3.配压阀过压阀事故配压阀的主要功能是截断调速器至接力器的油源，同时给接力器关闭腔提供压力油使之关闭。普通事故配压阀存在油污能力差、易磨损的缺点，用于高压后泄漏量会逐渐增大，影响整个调速系统的性能。插装阀式事故配压阀解决了以上问题，具有电气接口和纯机械过速保护装置接口，为调速系统工作油压高压化提供辅助支持。4.桨叶控制信号电气控制部分除根据机组工况和频率发出调节信号，通过导叶液控柜控制导叶的动作外，还要发出协联控制信号，通过桨叶控制柜控制桨叶的动作，以保证桨叶和导叶具有正确的协联关系。采用FX2N系列PLC为核心构成，PLC本体测频，RS-485与上位机进行通讯，桨叶进行数字协联。5.高油压调速器结构的设计桨叶控制部分的工作油压，取决于水轮机受油器及桨叶接力器的允许工作油压。桨叶部分油压愈低，桨叶接力器工作容积愈大，因而所需蓄能器的总容积（桨叶接力器工作容积6倍以上）也愈大，造价就愈高。故在条件许可时应采用较高的桨叶工作油压，以使高油压转桨式水轮机调速器更加经济。高油压转桨式水轮机调速器一般采用分体式结构。导叶和桨叶的液控柜通常置于其各自的油压装置的回油箱上，电控柜为标准柜，布置于机旁或中控室。导叶和桨叶的蓄能器组可以布置在各自的油压装置旁边，也可以布置于其他合适位置。导叶和桨叶的蓄能器组与油压装置之间分别用油管连接。导叶液压缸直接与水轮机导水机构相连，液压缸与液控柜间用无缝钢管和高压软管共同连接。导叶用的高压液压缸可由水轮机厂家制造，也可由水轮机厂家提供相关的参数及连接尺寸，商请调速器厂家提供。6.采用清洁的油泵进行循环清洗，使第三2008年，两台大型双调节高油压水轮机调速系统在重庆云阳门坎滩电站调试完成并正式投运，从运行情况来看，出现的惟一问题为系统的油质较差，造成减压阀堵塞，以至于桨叶控制阀组无油压供给，使得桨叶不能动作，经过对减压阀的清洗以及更换新的液压油，调速系统恢复正常使用。由此也能反映出清洁的液压油对调速系统正常运行的重要性，值得引起水电厂运行人员的重视。2009年8月，国家水轮机调速器质量检测中心对门坎滩电站的高油压转桨式水轮机调速器进行了专家现场测试，各项性能指标均达到或优于现行国标GB/T9652.1-2007的技术要求。目前，水电厂运行人员对两台调速系统的平稳运行非常满意，给予了一致好评。六、高油压调速器在转桨式水轮机上的应用高油压调速器因其十分显著的技术经济优势，