1、導(dǎo)葉不同步裝置在天荒坪電站-應(yīng)用            摘要：為了解決天荒坪抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)空載運(yùn)行振動(dòng)問題, KVAERNER公司對(duì)水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行技術(shù)改造,指導(dǎo)加裝了導(dǎo)葉不同步裝置(即MGV裝置), 本文著重介紹了該裝置的工作原理、裝配過程、調(diào)試程序及其分析, 并以此證明MGV裝置的應(yīng)用收到了預(yù)期效果。 關(guān)鍵詞：導(dǎo)葉裝置 天荒坪電站  天荒坪抽水蓄能電站首臺(tái)機(jī)組試運(yùn)行期間, 由于水頭低于540m, 機(jī)組在水輪機(jī)工況同期轉(zhuǎn)速500r/min下無法穩(wěn)定運(yùn)行。

2、其時(shí), 接力器行程范圍為160165mm, 對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角約4.5°, 轉(zhuǎn)速擺動(dòng)頻率超過0.07Hz。當(dāng)用開度限制機(jī)構(gòu)限制導(dǎo)葉時(shí)運(yùn)行穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速低于475rpm。而在自動(dòng)調(diào)節(jié)工況時(shí)轉(zhuǎn)速擺動(dòng)逐步增加, 這就給機(jī)組的并網(wǎng)發(fā)電或由調(diào)相工況轉(zhuǎn)發(fā)電運(yùn)行以及水輪機(jī)工況的甩負(fù)荷停機(jī)造成了極大困難。經(jīng)分析, 這是由于低水頭段空載開度相對(duì)較大,并網(wǎng)前機(jī)組在其臨界點(diǎn)即飛逸線運(yùn)行時(shí)未能避開“S”不穩(wěn)定區(qū)的緣故。為使機(jī)組能達(dá)到合同的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)天荒坪電站建設(shè)工程公司的要求，水泵水輪機(jī)的制造商挪威國KVAERNER公司1999年3月在挪威科技學(xué)會(huì)水力研究室進(jìn)行了加裝導(dǎo)葉不同步裝置（Misaligned guid

3、e vanes, 以下簡(jiǎn)稱MGV裝置）的一系列模型試驗(yàn)。該研究室具備的一套試驗(yàn)臺(tái)是1994年專門為天荒坪水泵水輪機(jī)配置的，其工作水頭為1016M，最大流量為0.3 m3/s。進(jìn)行模型試驗(yàn)的目的是為了進(jìn)一步證實(shí)加裝MGV裝置能夠穩(wěn)定水泵水輪機(jī)空載等工況的運(yùn)行性能，同時(shí)驗(yàn)證所加裝的小接力器滿足所須最大液壓力矩的設(shè)計(jì)要求。一、模型試驗(yàn)1KVAERNER公司提供了1994年11月未加MGV裝置的水泵水輪機(jī)全特性流量特性圖, KVAERNER公司認(rèn)為，該試驗(yàn)資料表明，在飛逸轉(zhuǎn)速區(qū)域盡管是處于邊緣狀態(tài)，但仍可認(rèn)為是穩(wěn)定的，參見圖一。由于真機(jī)運(yùn)行工況與模型試驗(yàn)的差異是客觀存在的,事實(shí)證明這種邊界狀態(tài)是不能被

4、接受的。2當(dāng)然，KVAERNER公司也認(rèn)為在導(dǎo)水葉上加裝MGV裝置的試驗(yàn)結(jié)果的確表明了，模型在空載運(yùn)行時(shí)的工況得到較大幅度的改善，其全特性流量特性曲線參見圖二。加裝MGV裝置所進(jìn)行的=18°,22°和26°的一系列試驗(yàn)表明, 在5# 和18# 導(dǎo)葉上加裝MGV裝置較之于其他導(dǎo)葉更其穩(wěn)定,也相對(duì)更大一些。3同時(shí)，KVAERNER公司還提供了在試驗(yàn)臺(tái)上所進(jìn)行的用球閥節(jié)流的空載運(yùn)行工況試驗(yàn)資料。KVAERNER公司認(rèn)為這種方法對(duì)高轉(zhuǎn)速機(jī)組的效果更顯著, 同樣有利于天荒坪水泵水輪機(jī)空載運(yùn)行工況的改善, 而且所增加的工作量也要少得多。但由于中方堅(jiān)持采用加裝MGV裝置的方案,

5、 部分開啟球閥使水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的方法未被采納。二、MGV裝置的工作原理德國VOITH公司在比利時(shí)COO抽水蓄能電站的水泵水輪機(jī)首先使用了“預(yù)開導(dǎo)葉法”，即先把兩個(gè)圓周上對(duì)稱的導(dǎo)葉打開23°且保持到其他導(dǎo)葉打開至某一特定開度后再進(jìn)入同步操作，在其他導(dǎo)葉較小開度時(shí)就能得到相應(yīng)的流量和速度。由于在導(dǎo)葉較小開度時(shí)避開了“S”不穩(wěn)定區(qū)的機(jī)組其運(yùn)行穩(wěn)定性能得到明顯改觀，即運(yùn)行范圍已不在“S”區(qū)。新特性曲線在給定的運(yùn)行范圍內(nèi)，除了最低水頭的一個(gè)極小區(qū)域外不再出現(xiàn)反水泵運(yùn)行工況。在運(yùn)行水頭范圍內(nèi)導(dǎo)葉所有開度線與各種負(fù)荷的轉(zhuǎn)矩線都只有一個(gè)清晰的交點(diǎn)，亦即相對(duì)應(yīng)的n1 = 常數(shù)，這意味著運(yùn)行工況必然是穩(wěn)

6、定的。機(jī)組并網(wǎng)后，為了保持負(fù)載工況下的穩(wěn)定性，其他導(dǎo)葉在控制環(huán)的操作下繼續(xù)開啟而兩個(gè)預(yù)開啟導(dǎo)葉仍保持不變。當(dāng)達(dá)到某一功率（COO電站為80MW）或?qū)~開啟至一個(gè)特定角度后，預(yù)開啟導(dǎo)葉才與其他導(dǎo)葉同步隨功率增大繼續(xù)開啟至最大。在機(jī)組卸負(fù)荷時(shí)，兩個(gè)預(yù)開啟導(dǎo)葉先于其他導(dǎo)葉設(shè)定在相應(yīng)負(fù)荷的一個(gè)特定開度（COO電站65MW）。當(dāng)然，預(yù)開啟導(dǎo)葉對(duì)機(jī)組的效率會(huì)產(chǎn)生一定的影響，例如，在選定的預(yù)開啟角為23°的情況下，效率會(huì)下降約2%。但是，因?yàn)轭A(yù)開啟僅發(fā)生在部分負(fù)荷的工況下，此時(shí)2%的下降率相對(duì)于部分負(fù)荷時(shí)的低效率已經(jīng)微不足道了。12114132-主控制閥; 3-凸輪; 5-T型接頭; 9-T型接頭

7、; 11-16×2液壓管;12-1/2”液壓軟管; 13-1/2”液壓軟管; 14-3/4”液壓軟管; 19-支架;22-支架板; 24-凸輪柄; 25-限制開關(guān); 32-20×2液壓管 ( 圖五 )2對(duì)天荒坪電站而言,采用下述的整定值:1) 空載額定轉(zhuǎn)速/ 同期運(yùn)行水頭 550M; 圖七該邏輯圖是個(gè)“與門”形     ON   式, 即在以下條件均予滿足的情況下, MGV裝置具備投入的功能:        2007-05-11

8、0;       1) 機(jī)組工作水頭低于550m;          2) 機(jī)組在水輪機(jī)工況運(yùn)行;      3) 機(jī)組在非調(diào)相工況運(yùn)行;   4) 小接力器行程在其最小與  最大值范圍內(nèi), 相當(dāng)于導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角1°2°與10°之間。圖中:        

9、 YYmin             H- 機(jī)組工作水頭;           Hmin -  550 m(數(shù)據(jù)采自機(jī)組LCU, 誤差±1m);  HHmin             Y- 導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角;Condenser “OFF”

10、    Condenser“OFF”- 機(jī)組在非調(diào)相工況運(yùn)行; Turbine mode- 機(jī)組在水YYmax            輪機(jī)工況運(yùn)行;Off set- 退出;Turbine mode          ON- 投入。    六、調(diào)試及分析1在KVAERNER公司主持下于1999年9月24日分別在551.95 m 水

11、頭工況下（其時(shí)上庫水位890.22 m ，下庫水位338.27m ）進(jìn)行了未投入MGV裝置及投入MGV裝置的試驗(yàn)：  1) 從圖八可以看出，MGV裝置未投入時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速升至500r/min 開始出現(xiàn)震蕩，略高于500r/min(約507r/min)震蕩加劇，轉(zhuǎn)速最大升速達(dá)522.9 rpm , 振幅近50r/min, 機(jī)組已不能穩(wěn)定運(yùn)行。2) 從圖九則可明顯看到，MGV裝置投入，導(dǎo)葉主接力器行程達(dá)到58mm時(shí),機(jī)組轉(zhuǎn)速已達(dá)到500r/min , 而主接力器行程為187.9mm, 機(jī)組轉(zhuǎn)速升至548.5 rpm 時(shí)（即機(jī)組過速工況）仍能穩(wěn)定運(yùn)行。2  1999年10月11日機(jī)

12、組在519.71 m水頭工況下（其時(shí)上庫水位862.91 m ，下庫水位343.2 m ）再次進(jìn)行了試驗(yàn):圖八1) 從圖十可見，當(dāng)MGV裝置未投入時(shí)，機(jī)組達(dá)到額定轉(zhuǎn)速時(shí)即產(chǎn)生波動(dòng)，最大轉(zhuǎn)速波峰達(dá)513.3 r/min, 振幅約50r/min ( 其時(shí)主接力器最大行程為188.2mm), 即機(jī)組出現(xiàn)劇烈震蕩并造成停機(jī)。2) 從圖十一則可看到，在同樣的水頭工況下當(dāng)MGV裝置投入時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速升至538.1 r/min , 主接力器行程達(dá)到202.8mm才開始出現(xiàn)震蕩而失去穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。3) 同時(shí), 所檢測(cè)機(jī)組在各種工況下的振動(dòng)情況如下表：序號(hào)運(yùn)行工況頂蓋振動(dòng) mm/s軸承座振動(dòng)mm/s大軸擺度(X)

13、m大軸擺度(Y)m1MGV裝置切出0.2170.291298.8295.12MGV裝置投入7.681.8170.3157.6從上表可以看出，MGV裝置投入時(shí), 頂蓋、水導(dǎo)軸承的振動(dòng)增幅較大, 而大軸擺度變化不大。這是由于投入不同步導(dǎo)葉的過程中, 導(dǎo)葉與水流的撞擊相對(duì)加劇的緣故, 但機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行工況還是得到保證的。4) 根據(jù)幾臺(tái)機(jī)運(yùn)行情況, 機(jī)組并網(wǎng)后空載運(yùn)行及150MW負(fù)荷以下( 任意水頭) 的運(yùn)行工況均不是很理想, MGV裝置的投入也不能有所改善。所以, MGV裝置在機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行后均設(shè)置于“切除”狀態(tài)。還需要注意的是:1. 經(jīng)常觀察在正常運(yùn)行期間關(guān)閉導(dǎo)葉至全關(guān)位置或停機(jī)工況時(shí)5# 和18# 導(dǎo)葉是否出現(xiàn)殘留值, 以免殘留值的出現(xiàn)導(dǎo)致對(duì)當(dāng)時(shí)運(yùn)行工況的控制指令發(fā)生可能的差錯(cuò)。2.由于投入MGV裝置的停機(jī)過程將造成通過進(jìn)水閥系統(tǒng)更多的壓力泄漏, 這樣, 進(jìn)水閥的密封環(huán)會(huì)加快磨損。盡管如此, 實(shí)踐證明了