水輪發(fā)電機組調(diào)速油管路水擊的產(chǎn)生、防范與處理

黃奎，孟周銀，葉文波

(中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

0 引言

葛洲壩電站投運于20世紀80年代，其中二江電廠共有7臺水輪發(fā)電機組，其中#3～#7為哈爾濱電機廠(以下簡稱哈電)生產(chǎn)的機組。2016年5月，#5機組水輪機和發(fā)電機改造增容完成，在蝸殼無水條件下進行改造后的低油壓試驗，事故油源與差動閥之間的事故油源油管、差動閥與事故配壓閥之間的事故配壓閥控制的油源油管發(fā)生水擊現(xiàn)象。

水擊是在有壓管道中，液體流速發(fā)生急劇變化所引起的壓強大幅度波動的現(xiàn)象。水擊的發(fā)生一方面對管路、閥門、法蘭及密封直接造成沖擊，另一方面可能引起共振造成事故擴大［1］。結(jié)合其他類型機組的檢修經(jīng)驗，對#5機組調(diào)速油管路水擊現(xiàn)象產(chǎn)生的原因進行分析，并提出防范水擊產(chǎn)生的方法以及水擊發(fā)生時現(xiàn)場處理措施。

1 電站參數(shù)與管路布局

葛洲壩電站#5機組采用WBST－150型微機式步進電機雙調(diào)節(jié)調(diào)速器，即由導(dǎo)葉和輪葉共同調(diào)節(jié)流量。

1．1 調(diào)速系統(tǒng)布局

如圖1所示，調(diào)速器的導(dǎo)葉關(guān)腔油路從壓力油罐、主配壓閥、事故配壓閥到接力器關(guān)腔，導(dǎo)葉開腔油路從接力器開腔、分段關(guān)閉閥、事故配壓閥、主配壓閥到集油槽。在正常開關(guān)機的過程中，事故配壓閥相當于一個通路，不對油路產(chǎn)生任何影響。在事故停機或者低油壓停機過程中，油閥或差動閥動作，事故配壓閥動作，接力器關(guān)腔通壓力油，開腔通回油，導(dǎo)葉快速關(guān)閉。

1．2 低油壓動作原理

事故低油壓是由于壓油泵故障或者其他原因?qū)е轮鲏毫τ凸迚毫档偷绞鹿实陀蛪簞幼鲏毫r，從事故油罐取油源使事故配壓閥動作，從而快速關(guān)閉導(dǎo)葉，達到防止機組飛逸的目的。葛洲壩電站#5機組通過差動閥狀態(tài)的改變來實現(xiàn)低油壓的動作。

圖1 葛洲壩電站#5機組調(diào)速系統(tǒng)示意Fig．1 Speed control system of No．5 unit in Gezhouba Power Station

2 水擊現(xiàn)象

與差動閥連接的主管路和閥門布置如圖2所示。

圖2 差動閥管路布置示意Fig．2 Schematic arrangement of the differential valve piping

2016年5月，#5機組水輪機和發(fā)電機改造、回裝完成后，在蝸殼無水條件下進行改造后低油壓試驗，事故油源與差動閥之間的事故油源油管(圖2中截止閥5所在管路)、差動閥與事故配壓閥之間的事故配壓閥控制油源油管(圖2中截止閥4所在管路)發(fā)生水擊現(xiàn)象，油液在管道中來回竄動、發(fā)出劇烈聲響，管道發(fā)生強烈共振。

3 水擊產(chǎn)生的原因

針對此次水擊現(xiàn)象，結(jié)合其他類型機組試驗中的經(jīng)驗，本文對調(diào)速油管路水擊產(chǎn)生的原因進行分析。

3．1 管道中的空氣

#5機組在回裝前，調(diào)速系統(tǒng)管道進行過清洗。由于管道閥門布置等原因，充油后管道中會不可避免地留存有空氣。在升壓至0．5 MPa左右時，通過緩慢操作導(dǎo)葉和輪葉使其開、關(guān)3～5次，可排出管道內(nèi)的空氣。但是無論如何調(diào)節(jié)導(dǎo)葉或者輪葉，油罐到事故配壓閥之間的管道不在操作油路上，因此不能排出該段油路中殘余的空氣。當管道中存在空氣，動作壓力較高，閥芯快速動作時，空氣在被油液壓縮后易推動油液在管道中來回振蕩，發(fā)生水擊，嚴重時將與管道發(fā)生共振。

當管道如圖3管路1所示呈U形布置時，閥門在自重狀態(tài)下處于關(guān)閉狀態(tài)，在調(diào)速管路充油的過程中閥門側(cè)容易殘存空氣。

圖3 管道布置示意Fig．3 Schematic layout of the pipeline

3．2 緊急停機

在導(dǎo)葉全關(guān)時，接力器活塞與端蓋、控制環(huán)與限位塊頂死(不同機組的限位方式不同)。此時如果發(fā)生緊急關(guān)機或者事故停機，閥芯快速動作產(chǎn)生沖擊油壓，當高壓油液到達接力器關(guān)腔時，會由于沒有緩沖對接力器造成沖擊，嚴重的會引起水擊和共振。

3．3 調(diào)速系統(tǒng)進氣

當集油槽油位低于壓油泵進口管路管口或者壓力油罐油位低于主供油管路管口，會造成調(diào)速系統(tǒng)進氣，使部分或者整個管路產(chǎn)生水擊，甚至產(chǎn)生嚴重共振，破壞整個調(diào)速系統(tǒng)管路。

4 防范水擊產(chǎn)生的措施

針對以上水擊產(chǎn)生的原因，本文給出以下幾種防范措施［2－3］。

4．1 升壓時盡可能排盡管內(nèi)空氣

可以通過以下3種措施，盡可能排盡管內(nèi)的空氣:(1)對于主配壓閥控制導(dǎo)葉和輪葉正常開關(guān)的油路，可以在升壓過程中通過多次緩慢開關(guān)導(dǎo)葉或者輪葉排出管路中殘余的空氣;(2)升壓時微開主供油閥，使系統(tǒng)隨壓力油罐一起升壓;(3)如果由于管路布置等原因?qū)е鹿苈分袣埩粲锌諝?，可以在較低油壓時，使事故配壓閥動作，并配合防止系統(tǒng)進氣的操作以排除管路中殘留的空氣。

4．2 采用合理的管路布置方式

采用合理的管路布置方式，可以盡可能排盡管道內(nèi)的空氣:(1)采用圖3管路2的布置方式，由于油重氣輕，氣體會在充油的過程中往上走繼而被排出;(2)在緊挨著閥門的上游管路最高點增加放氣閥，當空氣淤積時可手動排除管路的空氣。

4．3 避免在全關(guān)位置緊急關(guān)機

在試驗時，如果主配壓閥緊急關(guān)機或者事故配壓閥動作，應(yīng)注意檢查導(dǎo)葉是否處于全關(guān)狀態(tài)。如果全關(guān)，應(yīng)先將導(dǎo)葉開啟一個小角度(如10%)。對于輪葉的操作亦如此。

4．4 防止系統(tǒng)進氣

定期校驗集油槽和壓力油罐油位計、壓油泵效率、啟停壓力。無論在試驗過程中還是在機組正常運行時，應(yīng)監(jiān)視油位是否正常，防止系統(tǒng)進氣，避免產(chǎn)生水擊。特別是在緊急開關(guān)機過程中，應(yīng)專人監(jiān)視壓力油罐油位，防止系統(tǒng)進氣。

5 水擊產(chǎn)生后處理措施

當水擊產(chǎn)生后，可以通過以下幾種措施，消除或者減小水擊的影響。

5．1 關(guān)上游閥門

當調(diào)速管路局部產(chǎn)生水擊現(xiàn)象甚至共振時，應(yīng)首先關(guān)閉水擊管路上游側(cè)的閥門，防止共振范圍擴大，影響整個機組甚至其他機組。葛洲壩電站#5，#6，#7機組共用一個壓力油罐，若#5機組發(fā)生水擊時應(yīng)立即關(guān)閉#5機至事故油罐的閥門，防止因此影響到#6，#7正常運行的機組。

5．2 開關(guān)中間閥門

葛洲壩電站二江電廠哈電機組在事故油源與差動閥之間的事故油源油管上設(shè)置有1個手動閥門，當水擊發(fā)生時，油液在管路中振蕩，管道共振越來越嚴重時，通過反復(fù)開關(guān)該閥門，可打破油液在管路中有規(guī)律地振蕩，從而達到減小振蕩、消除共振的目的。

5．3 對于設(shè)有排氣閥的管路排除空氣

當振蕩基本消失，關(guān)閉上游閥門，管道中油壓泄到安全壓力時，對于設(shè)有排氣閥的管路，可以通過排氣閥排除空氣，以防止水擊再次產(chǎn)生。

6 結(jié)論

在導(dǎo)輪葉緊急開關(guān)機試驗、事故停機試驗、低油壓試驗、過速停機試驗等機組大修后必須進行的試驗項目中，都涉及閥芯快速動作，存在產(chǎn)生水擊的風險。水擊發(fā)生后，一方面對管路、閥門、法蘭及密封直接造成沖擊，另一方面可能引起共振造成事故擴大。因而，新電站在設(shè)計和施工時，應(yīng)該考慮如何讓充油時管道中不淤積空氣;檢修人員在進行試驗時，應(yīng)該通過合理操作、防范水擊的產(chǎn)生;水擊或者共振發(fā)生后，應(yīng)處理得當，防止事故的擴大，并消除有規(guī)律的振蕩。