李雨通，黃郭明，蘇緯強(qiáng)，王秀梅

（二灘水力發(fā)電廠，四川 攀枝花617000）

0 前言

某大型水電站作為國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的標(biāo)志性工程，安裝了4臺(tái)15萬(wàn)kW軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量60萬(wàn)kW。每臺(tái)機(jī)組皆配置1套高壓油控制系統(tǒng)，采用PLC控制，以實(shí)現(xiàn)對(duì)高壓油頂起油泵的自動(dòng)控制。對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組而言，推力軸承負(fù)荷較大，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速較低時(shí)，推力瓦與鏡板間油膜較薄摩擦偏大，容易出現(xiàn)半干摩擦的危險(xiǎn)情況[1]。因此，在開(kāi)停機(jī)過(guò)程中，利用高壓油泵向推力瓦與鏡板之間注入高壓油從而形成油膜，可以有效避免瓦面與鏡板之間非潤(rùn)滑轉(zhuǎn)動(dòng)所造成的意外磨損，并且還有傳遞負(fù)荷的作用[2]。某大型水電站自投產(chǎn)以來(lái)，機(jī)組在停機(jī)過(guò)程中易發(fā)生高壓油切泵現(xiàn)象，會(huì)造成切泵瞬間油壓突降為零，對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)一定隱患。

1 高壓油泵停機(jī)切泵原因分析

1.1 高壓油頂起裝置結(jié)構(gòu)介紹

某大型水電站高壓頂起裝置系統(tǒng)由東方電機(jī)設(shè)計(jì)并制造，高壓油減載裝置采用雙泵冗余配置，油泵采用全封閉電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以維持軸瓦表面恒定油膜所需壓力，系統(tǒng)采用PLC控制實(shí)現(xiàn)主備切換。在機(jī)組啟動(dòng)、停機(jī)過(guò)程中高壓頂起裝置投入工作，高壓油泵將取自下導(dǎo)推力油盆流經(jīng)過(guò)濾器的潤(rùn)滑油加壓，經(jīng)過(guò)濾器、溢流閥、逆止閥等輔件，將穩(wěn)定壓力的高壓油[3]由20塊推力瓦中心的注油孔注射到推力瓦與鏡板之間，形成穩(wěn)定的油膜以防止機(jī)組在低轉(zhuǎn)速的情況下推力瓦磨損嚴(yán)重。高壓油頂起裝置系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 高壓油頂起裝置系統(tǒng)圖

1.2 停機(jī)切泵分析

高壓油泵啟停流程為：機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，在發(fā)出調(diào)速器啟動(dòng)令之前，投入高壓油頂起系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速增至≥90%Nr時(shí)切除；機(jī)組停機(jī)時(shí)，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速降至90%Nr時(shí)投入高壓油頂起系統(tǒng)，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速減至≤1%Nr時(shí)切除。同時(shí)，高壓油頂起系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量定值分別為：油泵出口壓力達(dá)7MPa、高壓油總管壓力達(dá)5MPa時(shí)接點(diǎn)閉合。但自某大型水電站機(jī)組投產(chǎn)以來(lái)，每臺(tái)機(jī)組在停機(jī)過(guò)程中，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速降至90%Nr投入高壓油頂起系統(tǒng)時(shí)，油泵出口及高壓油總管壓力均在2.6MPa～3.0MPa之間，導(dǎo)致高壓油泵自動(dòng)由主用泵切換至備用泵運(yùn)行。當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速緩慢降至50%～70%Nr時(shí)，高壓油總管壓力升至5MPa以上。此種現(xiàn)象有些學(xué)者認(rèn)為機(jī)組由停機(jī)到開(kāi)機(jī)時(shí)，推力軸承承受壓力為靜壓力，高壓油泵建壓較容易，當(dāng)由開(kāi)機(jī)到停機(jī)時(shí)，鏡板因在旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生動(dòng)摩擦，此時(shí)建壓較難。同時(shí)鏡板和推力瓦之間已有一層油膜，雖然壓力未達(dá)到定值，并不影響推力瓦的潤(rùn)滑及散熱[4]。

為進(jìn)一步查明高壓油泵在機(jī)組停機(jī)過(guò)程中，建壓失敗導(dǎo)致切泵的原因，選取了機(jī)組停機(jī)時(shí)有功功率、高壓油總管壓力、抬機(jī)量、導(dǎo)葉開(kāi)度以及轉(zhuǎn)速比5個(gè)參數(shù)，進(jìn)行分析，橫坐標(biāo)為停機(jī)過(guò)程具體時(shí)刻，縱坐標(biāo)為參量數(shù)值，為滿(mǎn)足各參數(shù)曲線(xiàn)集中分布，對(duì)各參數(shù)單位進(jìn)行縮放調(diào)整，實(shí)現(xiàn)歸一化目的。具體曲線(xiàn)分布圖，如圖2所示。

圖2 停機(jī)高壓油泵切泵時(shí)相關(guān)參數(shù)曲線(xiàn)圖

由圖2可知，機(jī)組在停機(jī)過(guò)程中，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速降至90%Nr時(shí)投入高壓油頂起裝置，由于高壓油泵超時(shí)未建壓，造成切泵，高壓油總管壓力瞬間為0，整個(gè)過(guò)程中，不難發(fā)現(xiàn)機(jī)組抬機(jī)量突增，隨著轉(zhuǎn)速下降，抬機(jī)量降低，高壓油壓力逐漸增大。所以造成停機(jī)過(guò)程中，高壓油泵不能正常建壓的主要原因是，當(dāng)導(dǎo)葉達(dá)到全關(guān)位置時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速約降至85%Nr，導(dǎo)葉全關(guān)時(shí)機(jī)組仍按水輪機(jī)方向旋轉(zhuǎn)的運(yùn)行工況，實(shí)質(zhì)上是一種反水泵工況，反水泵工況引起的水泵升力及轉(zhuǎn)輪室因存在真空導(dǎo)致的水錘力，均會(huì)產(chǎn)生一種負(fù)軸向力[5]。機(jī)組旋轉(zhuǎn)部件受到方向向上的軸向水推力，抬機(jī)量突增，導(dǎo)致鏡板被抬高，與推力瓦形成一定的間隙。高壓油流入推力瓦瓦面和鏡板之間的間隙，由于間隙變大，壓力很快被釋放，導(dǎo)致壓力僅有2.0MPa左右。隨著真空破壞閥向轉(zhuǎn)輪室補(bǔ)氣，破壞其真空度，加之機(jī)組轉(zhuǎn)速下降，軸向水推力逐漸減小，抬機(jī)量減小，鏡板和推力瓦的間隙也隨之變小，在間隙變小和機(jī)組轉(zhuǎn)速降低的共同作用下，推力瓦和鏡板之間高壓油流動(dòng)速度也變慢，導(dǎo)致壓力釋放較慢，從而使得高壓油壓力升高。

所以，機(jī)組停機(jī)時(shí)，水推力作用是造成高壓油頂起壓力值偏小的主要原因，由于某大型水電站發(fā)電機(jī)高壓油頂起系統(tǒng)油泵切換功能不可逆，當(dāng)主用泵切換至備用泵后，若備用泵故障或管路滲漏導(dǎo)致壓力低，高壓油頂起系統(tǒng)均無(wú)法正確判斷，只能持續(xù)由備用泵運(yùn)行直至機(jī)組轉(zhuǎn)速減至≤1%Nr時(shí)切除，對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)一定隱患。鑒于此，需將高壓油控制系統(tǒng)邏輯優(yōu)化，避免其停機(jī)切泵發(fā)生。

2 邏輯優(yōu)化

2.1 高壓油控制系統(tǒng)邏輯解讀

高壓油頂起裝置控制方式有手動(dòng)、自動(dòng)和切除3種。控制方式選擇切換開(kāi)關(guān)置于“手動(dòng)”運(yùn)行時(shí)，在現(xiàn)地控制柜上通過(guò)按鈕直接啟/停油泵并閉鎖自動(dòng)控制命令的輸出；當(dāng)切換開(kāi)關(guān)置于“切除”位置時(shí)，相應(yīng)高壓油泵退出運(yùn)行；置于“自動(dòng)”控制方式時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)通信方式遠(yuǎn)方啟/停高壓油泵，正常運(yùn)行情況下，控制方式設(shè)置在“自動(dòng)”控制方式。該電站機(jī)組無(wú)論是開(kāi)機(jī)流程中還是停機(jī)流程中，所調(diào)用的高壓油裝置啟動(dòng)程序都是相同的。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)下達(dá)啟動(dòng)令后，高壓油控制系統(tǒng)完成啟動(dòng)步驟如下：

（1）監(jiān)控系統(tǒng)判斷高壓油裝置在自動(dòng)方式且無(wú)報(bào)警，具備最小開(kāi)機(jī)條件，當(dāng)下達(dá)高壓油控制器PLC啟動(dòng)令，高壓油控制器PLC啟動(dòng)主用泵，10s內(nèi)判斷高壓油減載裝置正常運(yùn)行完成，如圖3所示。

（2）若高壓油泵無(wú)過(guò)載以及接觸器故障，則PLC在10s內(nèi)，將根據(jù)總管壓力開(kāi)關(guān)以及支管壓力開(kāi)關(guān)的壓力接點(diǎn)到達(dá)情況，進(jìn)行切泵條件判定。若總管壓力開(kāi)關(guān)接點(diǎn)未閉合、支管壓力開(kāi)關(guān)的壓力接點(diǎn)也未閉合，則進(jìn)行泵的主備切換。若泵切換至備用泵后，如在10s內(nèi)，仍未建壓，則不會(huì)進(jìn)行第二次切泵，將維持現(xiàn)泵運(yùn)行，并會(huì)進(jìn)行機(jī)組高壓油系統(tǒng)未建壓報(bào)警。

2.2 高壓油控制系統(tǒng)邏輯優(yōu)化

圖4 高壓油泵主備切換邏輯

考慮到某大型水電站開(kāi)機(jī)過(guò)程中并無(wú)高壓油泵切泵現(xiàn)象發(fā)生，切泵現(xiàn)象只在機(jī)組停機(jī)過(guò)程中發(fā)生，且自某大型水電站機(jī)組投產(chǎn)以來(lái)，每臺(tái)機(jī)組在停機(jī)過(guò)程中，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速降至90%Nr投入高壓油頂起系統(tǒng)時(shí)，油泵出口及高壓油總管壓力均在2.6～3.0MPa之間，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速緩慢降至50%～70%Nr時(shí)，高壓油總管壓力升至5MPa以上。為解決此問(wèn)題，現(xiàn)對(duì)機(jī)組停機(jī)過(guò)程中高壓油泵切泵邏輯進(jìn)行優(yōu)化，修改高壓油頂起總管油壓報(bào)警判據(jù)，即當(dāng)轉(zhuǎn)速在50%～90%Nr時(shí)，壓力判據(jù)為 2.5MPa，當(dāng)轉(zhuǎn)速在50%Nr以下時(shí)，壓力判據(jù)為5MPa。具體步驟如下：

（1）在機(jī)組現(xiàn)地LCU開(kāi)出量中，將新增DO點(diǎn)“N機(jī)組開(kāi)機(jī)流程執(zhí)行中（秒脈沖）”，并將脈沖信號(hào)送至高壓油控制系統(tǒng)PLC。且機(jī)組下位機(jī)開(kāi)機(jī)流程中，在下發(fā)“啟動(dòng)高壓油系統(tǒng)”前，增加機(jī)組LCU下發(fā)開(kāi)機(jī)流程執(zhí)行中脈沖給高壓油系統(tǒng)的程序段。實(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)流程與停機(jī)流程的選擇功能。

（2）在機(jī)組測(cè)速裝置中，修改其參數(shù)配置，將“機(jī)組轉(zhuǎn)速＜50%Nr”接入高壓油控制系統(tǒng)PLC中。

（3）啟用機(jī)組高壓油系統(tǒng)總管壓力開(kāi)關(guān)備用接點(diǎn)，將主接點(diǎn)設(shè)定整定值為5MPa、備用接點(diǎn)整定值為2.5MPa，并將備用接點(diǎn)接入PLC。

（4）修改機(jī)組高壓油控制系統(tǒng)PLC程序，在停泵程序段加入轉(zhuǎn)速信號(hào)及總管壓力信號(hào)。

通過(guò)邏輯優(yōu)化，可以成功避免某大型水電站機(jī)組停機(jī)過(guò)程中高壓油泵切換的現(xiàn)象。如圖5及表1所示列舉了機(jī)組在非開(kāi)機(jī)流程過(guò)程中，且“機(jī)組轉(zhuǎn)速＜50%Nr”未到達(dá)時(shí)，1號(hào)、2號(hào)高壓油泵油壓未建立的切泵判據(jù)，即壓力值小于2.5MPa。

圖5 高壓油泵非開(kāi)機(jī)流程部分切泵程序段

表1 高壓油控制系統(tǒng)PLC變量解釋

3 結(jié)論

本文對(duì)某大型水電站停機(jī)過(guò)程中，高壓油頂起裝置切泵原因進(jìn)行分析，并有效地對(duì)高壓油頂起裝置控制系統(tǒng)控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化，得到如下結(jié)論：

（1）軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)組在停機(jī)過(guò)程中，高壓油頂起裝置切泵的主要原因是，當(dāng)導(dǎo)葉全關(guān)時(shí)，機(jī)組旋轉(zhuǎn)部件受到方向向上的軸向水推力，造成推力瓦瓦面和鏡板之間的間隙瞬間變大，導(dǎo)致高壓油泵向推力瓦面注油出力降低，規(guī)定時(shí)間內(nèi)壓力未達(dá)到整定值，使得主備泵切換。

（2）為避免機(jī)組停機(jī)過(guò)程中高壓油泵主備切換，引入推力瓦燒毀的不安全因素，在高壓油控制系統(tǒng)邏輯中，對(duì)機(jī)組開(kāi)、停機(jī)狀態(tài)進(jìn)行判斷，進(jìn)而選擇對(duì)應(yīng)的高壓油啟動(dòng)控制程序，采用不同的壓力整定值作為判據(jù)，可成功避免機(jī)組停機(jī)過(guò)程中高壓油泵主備切換引發(fā)的安全隱患。