剖析金寨抽水蓄能電站導(dǎo)葉傳動保護裝置

羅國虎

（安徽金寨抽水蓄能有限公司,安徽 六安 237333）

1 概述

安徽金寨抽水蓄能電站項目位于安徽省張沖鄉(xiāng)境內(nèi)，電站裝機4×300 MW，設(shè)計年發(fā)電量20.1億kW·h，年抽水耗電量26.8億kW·h，工程為一等大（1）型工程。電站樞紐工程主要由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房及開關(guān)站等組成。采用尾部式開發(fā)、兩洞四機布置。以兩回500 kV線路接入華東電網(wǎng)，具備調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、儲能、系統(tǒng)備用、黑啟動“六大功能”，在保障大電網(wǎng)安全、服務(wù)清潔能源消納、促進電力系統(tǒng)優(yōu)化運行中發(fā)揮著重要作用。抽水蓄能機組導(dǎo)水機構(gòu)作用是引導(dǎo)水流按一定方向進入轉(zhuǎn)輪，并通過改變導(dǎo)葉位置來改變流量，調(diào)整機組出力，并可靠的截斷水流。若該機構(gòu)無法可靠、安全的控制水流，則會引起機組過速等，甚至?xí)l(fā)更大的設(shè)備事故，因此設(shè)置安全保護裝置是十分必要的。

金寨抽水蓄能電站（以下簡稱金寨電站）采用的傳動保護裝置有剪斷銷、導(dǎo)葉摩擦裝置和導(dǎo)葉限位裝置。如圖1所示，活動導(dǎo)葉軸頭上方設(shè)置導(dǎo)葉臂、端蓋、導(dǎo)葉鍵及摩擦裝置等部件。剪斷銷位于導(dǎo)葉控制環(huán)連板與導(dǎo)葉轉(zhuǎn)臂之間。設(shè)置的摩擦裝置一端通過加緊螺栓把合，另外一端與雙連板通過連接銷連接。每個導(dǎo)葉均設(shè)置可靠的導(dǎo)葉限位塊，導(dǎo)葉限位塊根據(jù)在最不利的工作條件下，可能施加到導(dǎo)葉限位塊上的最大水力矩和沖擊力來設(shè)計；限位塊在保護裝置動作的情況下，防止松動的導(dǎo)葉反向和轉(zhuǎn)輪及相鄰導(dǎo)葉相碰；限位塊采用減震墊保護。導(dǎo)葉限位裝置采用與頂蓋一體化的設(shè)計方式。

圖1 導(dǎo)水機構(gòu)傳動部件結(jié)構(gòu)示意圖

2 保護裝置主要結(jié)構(gòu)部件

2.1 剪斷銷

金寨電站剪斷銷（見圖2）的材質(zhì)為熱鍛圓鋼35CrMo合金鋼，半精加工后進行熱處理，抗拉強度≥980 MPa，屈服強度σ0.2≥835 MPa；硬度不大于229 HB；并要求外表面進行100%UT探傷，按GB/T 4162規(guī)定的A級驗收。剪斷銷安裝在連接板與導(dǎo)葉臂之間，剪斷銷中心部位盲孔里設(shè)置M20內(nèi)螺紋孔，裝有剪斷銷剪斷檢測元件。剪斷銷的中間部位有個U型加工溝槽，是整個銷子受力的最弱點，要求對溝槽進行著色檢查，按NB/T 47013.5規(guī)定的Ⅱ級執(zhí)行，線性缺陷不大于4.0 mm，圓形缺陷不大于4.0 mm且數(shù)量在評定框內(nèi)不大于2個。

圖2 剪斷銷結(jié)構(gòu)示意圖

剪斷銷設(shè)計試驗理論剪斷力為F=（1±10%）569 280 N，GE 公司另行制造剪斷銷試 樣（d1=Φ35±0.05 mm、d1=Φ35.2±0.05 mm、d1=Φ35.4±0.05 mm），并委托北京普匯恒達材料測試有限公司進行剪斷試驗。依據(jù)GB/T 13683-1992《銷剪切試驗方法》對金寨電站剪斷銷式樣進行了測試，測試結(jié)果見表1。

表1 剪斷銷式樣受力測試結(jié)果

根據(jù)以上試驗測試數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出，剪斷銷試樣的受力不滿足設(shè)計要求，需增加受力截面直徑才有可能滿足設(shè)計要求。根據(jù)理論計算重新選擇了剪斷銷試件，最終確定直徑d=Φ37.03±0.05 mm。剪斷銷的剪切強度τ按一般取0.6～0.8屈服強度σ0.2的經(jīng)驗公式，τ=501～668 MPa。根據(jù)τ=F/S，S=π(d-d2)/4。將最終確定的剪斷銷直徑代入公式中可以從理論上驗證剪斷銷直徑d=Φ37.03±0.05 mm的剪切力滿足35CrMo合金鋼材質(zhì)剪斷強度要求。

2.2 摩擦裝置

金寨電站摩擦裝置由連接板、把緊螺栓、摩擦軸襯、導(dǎo)葉臂組成。設(shè)計時，根據(jù)導(dǎo)葉在正常旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)承受的最大阻力矩（水力矩與軸頸摩擦阻力矩之和）來確定摩擦裝置的摩擦力矩，摩擦力矩取最大阻力矩的1.1 倍。確定摩擦力矩大小后，根據(jù)連接板結(jié)構(gòu)尺寸，可初步計算連接板尾部的夾緊力。由于摩擦力大小與螺栓緊力有關(guān)，需使用專用的扭力扳手調(diào)整把和螺栓使其與導(dǎo)葉軸徑形成摩擦連接。同時運行過程中需要對該螺栓的進行檢測，防止螺栓松動造成摩擦力矩發(fā)生改變摩擦臂。摩擦環(huán)采用純銅結(jié)構(gòu)制造（見圖3），采用ZG275-485H合金結(jié)構(gòu)鋼制造而成，摩擦臂一側(cè)沿縱向開槽，采用雙頭螺栓抱緊在導(dǎo)葉軸頸上的摩擦環(huán)，另一側(cè)靠連接銷與雙連板鏈接，中間靠剪斷銷與導(dǎo)葉臂鏈接（見圖4）。

圖3 摩擦環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 摩擦裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 導(dǎo)葉限位裝置

金寨電站導(dǎo)葉臂為“Y”型叉頭結(jié)構(gòu)，限位塊焊接在頂蓋上，在導(dǎo)葉全開或全關(guān)位置可以頂?shù)巾斏w外緣，起到導(dǎo)葉限位的作用，保證導(dǎo)葉在摩擦裝置、剪斷銷同時失效后，旋轉(zhuǎn)位置不會超過正常旋轉(zhuǎn)范圍。設(shè)置非金屬材料墊塊起到震墊保護作用，非金屬材料板與限位塊之間保留5 mm 間隙，保證導(dǎo)葉在正常旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)不與限位塊干擾。

3 工作原理

來自接力器的操作力通過推拉桿、控制環(huán)、偏心銷、連桿、連接銷、摩擦臂、剪斷銷、導(dǎo)葉臂、導(dǎo)葉鍵、導(dǎo)葉軸達到控制活動導(dǎo)葉開度的增大或減小的目的，同時摩擦臂又通過摩擦環(huán)導(dǎo)葉臂、導(dǎo)葉鍵達到控制導(dǎo)葉防止快速大幅度擺動的目的。導(dǎo)葉臂為“Y”型叉頭加上緩沖減震墊的結(jié)構(gòu)，當(dāng)導(dǎo)葉在全關(guān)或者全開的位置時頂在頂蓋的外緣處，可以有效的防止導(dǎo)葉的過關(guān)或者過開，起到限制導(dǎo)葉開度的作用。當(dāng)相鄰導(dǎo)葉中間卡有異物或個別導(dǎo)葉摩阻過大時，剪斷銷剪斷，摩擦臂和導(dǎo)葉臂之間產(chǎn)生相對位移，摩擦環(huán)和導(dǎo)葉臂之間也產(chǎn)生滑動位移，致使活動導(dǎo)葉錯位。但此時摩擦環(huán)的摩擦力作用能有效控制導(dǎo)葉，發(fā)生錯位的活動導(dǎo)葉不會隨意快速擺動而碰撞相鄰導(dǎo)葉，避免導(dǎo)葉完全失控擴大故障。其余活動導(dǎo)葉則跟隨控制環(huán)繼續(xù)關(guān)閉，導(dǎo)水機構(gòu)其他部件受到保護不至于被破壞。

4 導(dǎo)葉摩擦裝置試驗

隨機抽取3套導(dǎo)葉摩擦保護裝置在試驗臺上進行重復(fù)試驗，已得到準確一致性高的起始動作力矩，導(dǎo)葉摩擦裝置是以導(dǎo)葉保護裝置設(shè)計的起始滑動力矩來確定摩擦臂把合螺母的擰緊力矩，作為導(dǎo)水機構(gòu)預(yù)裝和正式安裝時的摩擦臂把合螺栓的擰緊力矩，根據(jù)合同要求金寨電站導(dǎo)葉摩擦裝置需要進行摩擦力矩驗證。

4.1 試驗裝置

試驗裝置如圖5所示。

圖5 試驗裝置及試驗現(xiàn)場圖

4.2 實驗過程

將底座擺放在平臺上，根據(jù)底座上的孔進行擺放支座和擋塊。插入剪斷銷，把合導(dǎo)葉臂和連接板。按設(shè)計要求預(yù)緊把合螺栓同時測量螺栓的拉伸值，需注意的是每一個螺栓只能用于把合一個導(dǎo)葉臂，不能重復(fù)使用。將準備好的千斤頂頂在導(dǎo)葉臂小耳孔處的試驗工裝上。用百分表頂在導(dǎo)葉臂和連板上。用壓力泵給千斤頂加壓，泵的液壓缸通過叉頭對連接板施加力，逐漸提高壓力，當(dāng)連接板與導(dǎo)葉臂發(fā)生相對轉(zhuǎn)動時記錄壓力值。重復(fù)上述試驗步驟3次分別記錄壓力值。測出導(dǎo)葉臂內(nèi)孔與連接板銷孔距離，計算出摩擦力矩M。

5 結(jié)束語

金寨電站設(shè)備廠家對導(dǎo)葉剪斷銷、摩擦裝置和限位裝置進行專門的試驗，驗證了電站設(shè)計的剪斷銷、摩擦裝置的破斷力、摩擦力矩，符合合同及設(shè)計要求。剪斷銷、摩擦裝置及導(dǎo)葉限位裝置的多重保護的設(shè)置更好地保護了機組導(dǎo)水機構(gòu)運行的安全與穩(wěn)定。鑒于剪斷銷、摩擦裝置的重要性，建議在設(shè)備制造過程及出廠驗收過程中增加相關(guān)零部件的質(zhì)量驗收環(huán)節(jié)。