摘要：为了解决天荒坪抽水蓄能电站水泵水轮机空载运行振动问题, KVAERNER公司对水轮机导水机构进行技术改造,指导加装了导叶不同步装置(即MGV装置), 本文着重介绍了该装置的工作原理、装配过程、调试程序及其分析, 并以此证明MGV装置的应用收到了预期效果。

关键词：导叶装置 天荒坪电站

　　天荒坪抽水蓄能电站首台机组试运行期间, 由于水头低于540m, 机组在水轮机工况同期转速500r/min下无法稳定运行。其时, 接力器行程范围为160～165mm, 对应的导叶转角约4.5°, 转速摆动频率超过0.07Hz。当用开度限制机构限制导叶时运行稳定的转速低于475rpm。而在自动调节工况时转速摆动逐步增加, 这就给机组的并网发电或由调相工况转发电运行以及水轮机工况的甩负荷停机造成了极大困难。经分析, 这是由于低水头段空载开度相对较大,并网前机组在其临界点即飞逸线运行时未能避开“S”不稳定区的缘故。为使机组能达到合同的有关标准，应天荒坪电站建设工程公司的要求，水泵水轮机的制造商挪威国KVAERNER公司1999年3月在挪威科技学会水力研究室进行了加装导叶不同步装置（Misaligned guide vanes, 以下简称MGV装置）的一系列模型试验。该研究室具备的一套试验台是1994年专门为天荒坪水泵水轮机配置的，其工作水头为10～16M，最大流量为0.3 m³/s。进行模型试验的目的是为了进一步证实加装MGV装置能够稳定水泵水轮机空载等工况的运行性能，同时验证所加装的小接力器满足所须最大液压力矩的设计要求。

一、模型试验

1．KVAERNER公司提供了1994年11月未加MGV装置的水泵水轮机全特性流量特性图, KVAERNER公司认为，该试验资料表明，在飞逸转速区域尽管是处于边缘状态，但仍可认为是稳定的，参见图一。由于真机运行工况与模型试验的差异是客观存在的,事实证明这种边界状态是不能被接受的。

2．当然，KVAERNER公司也认为在导水叶上加装MGV装置的试验结果的确表明了，模型在空载运行时的工况得到较大幅度的改善，其全特性流量特性曲线参见图二。加装MGV装置所进行的△α=18°,22°和26°的一系列试验表明, 在5# 和18# 导叶上加装MGV装置较之于其他导叶更其稳定,△α也相对更大一些。

3．同时，KVAERNER公司还提供了在试验台上所进行的用球阀节流的空载运行工况试验资料。KVAERNER公司认为这种方法对高转速机组的效果更显著, 同样有利于天荒坪水泵水轮机空载运行工况的改善, 而且所增加的工作量也要少得多。但由于中方坚持采用加装MGV装置的方案, 部分开启球阀使水轮机稳定运行的方法未被采纳。

二、MGV装置的工作原理

　　德国VOITH公司在比利时COO—Ⅱ抽水蓄能电站的水泵水轮机首先使用了“预开导叶法”，即先把两个圆周上对称的导叶打开23°且保持到其他导叶打开至某一特定开度后再进入同步操作，在其他导叶较小开度时就能得到相应的流量和速度。由于在导叶较小开度时避开了“S”不稳定区的机组其运行稳定性能得到明显改观，即运行范围已不在“S”区。新特性曲线在给定的运行范围内，除了最低水头的一个极小区域外不再出现反水泵运行工况。在运行水头范围内导叶所有开度线与各种负荷的转矩线都只有一个清晰的交点，亦即相对应的n1’ = 常数，这意味着运行工况必然是稳定的。机组并网后，为了保持负载工况下的稳定性，其他导叶在控制环的操作下继续开启而两个预开启导叶仍保持不变。当达到某一功率（COO—Ⅱ电站为80MW）或导叶开启至一个特定角度后，预开启导叶才与其他导叶同步随功率增大继续开启至最大。在机组卸负荷时，两个预开启导叶先于其他导叶设定在相应负荷的一个特定开度（COO—Ⅱ电站65MW）。当然，预开启导叶对机组的效率会产生一定的影响，例如，在选定的预开启角为23°的情况下，效率会下降约2%。但是，因为预开启仅发生在部分负荷的工况下，此时2%的下降率相对于部分负荷时的低效率已经微不足道了。

图三预开导叶原理图

“预开导叶法”的工作原理为（参见图三）：

1．对称设置的两个导叶的拐臂改装为一个象剪刀一样的双连杆结构，连杆Ⅰ中部铰接于导

叶上，其一端连接在控制环上，另一端与单接力器的活塞杆相连接。连杆Ⅱ的一端固定在导叶上，另一端连接在单接力器的缸体上。

2．单接力器只能运动至两端部位置，在其运动时，连杆Ⅰ、Ⅱ可以相对转动，而引起所控制导叶相对于其他导叶的预开启（关闭）或者与其他导叶一起动作。

3．控制环的所有动作同时传递给这两个预开启导叶在内的所有导叶。

4．通过一组压油管路、一组电磁伐及一个控制伐，将控制环的位置传递辅助信号至各接收部位以达到预开启相关特定导叶的目的。

5．预开启导叶上装有限位块，能够对控制伐的伐杆起限位作用，当机组自部分负荷至满负荷区间运行时能够防止预开启导叶超过其最大开度。

预开启导叶法能够在低水头段稳定空载时的转速，缩短机组并网所须的时间，既减小了工况转换期间的能量消耗，又提高了做旋转备用的稳定性。尽管某些动力参数相对无预开启导叶的大，但COO—Ⅱ机组模型试验和真机试验的测定值都证实没有超过设计值。同时，由调相转发电及关机时的运行条件也大为改善。这在欧洲卢森堡的维也丹（Vianden）抽水蓄能电站也曾有过成功的实践。挪威KVAERNER公司把“预开导叶法”的原理应用于天荒坪抽水蓄能电站的水泵水轮机并称之为“MGV”装置。

12

1

14

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1---导叶轴柄; 2---连杆臂托架; 3---导叶臂; 4---导叶轴延伸杆; 5---锁定环;

6---推力环; 7---摩擦垫; 8---定位销; 9---销钉; 10---螺杆;

11---螺帽; 12---螺钉; 13---液压缸; 14---调整块。 ( 图四)

三、MGV装置的装配

1．在5# 和18# 导叶轴柄（如图四，项1）上端加装一导叶轴延伸杆（项2），其实施步骤：

1）延伸杆与导叶轴柄之间加摩擦垫（项7）；

2）用卡环式嵌套将延伸杆与导叶轴柄准确定位后用两棵临时长柄螺杆及螺帽 (项11) 将

其把合紧固 ( 扭紧力矩为1990NM ) 在一起 ( 延伸杆上钻有与导叶轴相对应的七个螺孔和两个销钉引孔,如图四 )。

3）利用销钉引孔钻铰锥销孔并用2棵Φ25锥销（项8）定位，然后拆除长螺杆、螺帽及

嵌套等调整工具。

* 如上所述, 延伸段与导叶轴的联结系采用“摩擦 定位销”联合传递力矩的方式。

2．将具有自润滑衬套式径向支撑的连杆臂托架 (项2, 其下部连杆与控制环连接 ) 精确装

配就位，这种衬套可避免连杆臂托架的重量转移到导叶上, 而是转移至下部装配在导叶轴套上具有双向轴承的推力环 (项6), 以保证连杆臂托架几无摩阻力矩, 始终能与其他导叶保持同步。

3．锁定环装配:

1) 在导叶轴延伸杆顶部位置放置摩擦垫（即项7）, 以使不同步导叶和其他导叶一样,靠摩擦力传递力矩, 用摩擦位移来保证其他零部件的安全, 既起“剪断销”的作用, 又能避免发生导叶失控现象时的事故扩大；

2）装配焊有调整块（项14）的导叶臂（项3）；

3）在延伸轴上装配锁定环（项5），并用2棵永久长柄螺杆（项10）及螺帽 ( 项11 ) 紧固, 扭紧力矩为1990NM；

4）在锁定环和延伸段上配钻2个孔并钻铰Φ25锥销（项8）定位。

4．松开螺帽转动调整导叶臂至合适位置装配两个双头轴承的液压缸:

1) 液压缸两端均设置有自由轴承;

2) 液压缸直径为Φ180/80×200mm, 容积8.04升, 活塞杆操作速度不小于25mm/s), 装配时须施加预压3.5Mpa;

3) 这种双液压缸装置是按无弯矩设计的, 其所可能产生的轴向力大约为1.5KN, 这是可以忽略不计的;

4) 液压缸可使导叶达到的最大开度角为22°, 并在模型最终试验时调整确定。

5．对称压紧所有螺帽 ( 扭紧力矩为1990NM ), 同时检查锥销的紧固程度应合乎要求。

6．将调整块钻孔定位。

7．安装相应的操作油管路 (如图五, 详见控制系统说明。)

四、控制系统说明(参见图六)

1． SCV（Solenoid Control Valve ）系一双向电磁液压控制阀, 具有控制水轮机使其处于MGV装置“投入”或“退出”的功能, PMV（Pilot Mode Valve ）是一液压弹力回复的导向阀, SCV与PMV组成每台机一套的总控制阀组，设置于机坑内壁的阀座上。

2．MCV（Main Control Valve ）为一NG10型主控制阀 (如图五, 项2)，5# 和18# 导叶各设置一个,分别设置于5# 和8# 导叶部位处机坑内壁的支架上 (项19)。

3．控制油源自调速器柜内的Shut – down Valve（关闭阀）以Φ12/Φ8管路进入机坑连接至机坑内壁的SCV、PMV控制阀组，再从阀组以Φ12/Φ8管路通向5# 和18# 导水叶的主控制伐MCV, 控制油压设计值为5.0～5.4Mpa。

4．压力油源取自调速器机械柜后部Φ100的压力油管，以Φ25/Φ20管路进入机坑并连接至5# 和18# 导水叶处的控制伐MCV。

5．回油以Φ25/Φ20管路自控制伐排向油压装置的集油箱。

6．装设了必要的位置限制器, 即限制开关(LS), 其功能是限制、报警及联锁。其中四个(每台水轮机), 分别设置在如图五所示位置 (项25, 其中设置在连杆臂上的系用于测定摩擦位移的 ); 相应于NG10主控制阀阀杆的凸轮装置设置在5# 和18# 导叶臂上 (即每台水轮机共有2个), 用于限制导叶的预开角度不超过32°(图五, 项3 )。

五、MGV装置的工作条件及控制程序

1．根据设计, 加装MGV装置的调速器系统对下述运行方式是有效的:

1) 机组同期前空载额定转速运行;

2) 机组在甩负荷后的空载额定转速运行;

3) 机组并网运行;

4) 机组背靠背启动方式。

2---主控制阀; 3---凸轮; 5---T型接头; 9---T型接头; 11---Φ16×2液压管;

12---1/2”液压软管; 13---1/2”液压软管; 14---3/4”液压软管; 19---支架;

22---支架板; 24---凸轮柄; 25---限制开关; 32---Φ20×2液压管 ( 图五 )

2．对天荒坪电站而言,采用下述的整定值:

1) 空载额定转速/ 同期运行水头 ≤ 550M;

图六

2) 背靠背启动水头 ≤550 m;

3) 甩负荷水头 ≤550 m;

4) 并网运行水头 ≤550 m。

3．由模型试验确定的导叶最大预开启角度为22°,导叶关闭方向液压缸操作时间为:

Tmin = 8sec (即相当于2.75°/s的速度);

Tmax = 11sec ( 即相当于2.0°/s的速度); 同时, 为避免损坏液压缸, 控制环最小动作

时间亦限制为相当于其速度不超过1.3°/s。

5． 水轮机工况的动作过程

1) 开机程序

① 机组以水轮机方式启动, 主接力器控制导叶同步开启;

② 机组转速上升至90%额定转速时, 小接力器(液压缸)全开启,其时,主接力器与小接力器的合成开启开度约等于70%导叶全开度;

③ 机组进入空载稳定运行工况;

④ 合发电机负荷开关GCB同期并网发电运行,小接力器全关, 所有导叶处于主接力器控制下的同步开启状态。

2) 停机程序

① 跳GCB甩负荷,机组转空载运行;

② 所有导叶同步关至空载开度,小接力器全开;

③ 停机或转SCT运行, 主接力器和小接力器同时全关。

3) 机组在以下工况转换时小接力器不参与调节:

停机(ST)→水轮机方向调相(SCT)→发电(GO)→水轮机方向调相(SCT)→停机(ST)。

一般认为, 预开导叶法对SCT→GO→SCT的工况转换也能取得较好的效果, 但在天荒坪电站却不明显, 还相对增加了机组转动和固定部件的振动。所以，在这些工况转换时取消了MGV装置“投入”的设定。

6．MGV动作逻辑图( 图七)

图七

该逻辑图是个“与门”形

ON 式, 即在以下条件均予满足的情况下, MGV装置具备投入的功能:

1) 机组工作水头低于550m;

2) 机组在水轮机工况运行;

3) 机组在非调相工况运行;

4) 小接力器行程在其最小与

最大值范围内, 相当于导叶转角1°～2°与10°之间。图中:

Y≥Ymin H----- 机组工作水头;

Hmin ----- 550 m(数据采自机组LCU, 误差≤±1m);

H≤Hmin Y----- 导叶转角;

Ymin --- 1°～2°;

Ymax --- 10°

Condenser “OFF” Condenser“OFF”----- 机组在非调相工况运行;

Turbine mode----- 机组在水

Y≤Ymax 轮机工况运行;

Off –set----- 退出;

Turbine mode ON----- 投入。

六、调试及分析

1．在KVAERNER公司主持下于1999年9月24日分别在551.95 m 水头工况下（其时上

库水位890.22 m ，下库水位338.27m ）进行了未投入MGV装置及投入MGV装置的试验：

1) 从图八可以看出，MGV装置未投入时，机组转速升至500r/min 开始出现震荡，略高于500r/min(约507r/min)震荡加剧，转速最大升速达522.9 rpm , 振幅近50r/min, 机组已不能稳定运行。

2) 从图九则可明显看到，MGV装置投入，导叶主接力器行程达到58mm时,机组转速已达到500r/min , 而主接力器行程为187.9mm, 机组转速升至548.5 rpm 时（即机组过速工况）仍能稳定运行。

2． 1999年10月11日机组在519.71 m水头工况下（其时上库水位862.91 m ，下库水位

343.2 m ）再次进行了试验:

图八

1) 从图十可见，当MGV装置未投入时，机组达到额定转速时即产生波动，最大转速波峰达513.3 r/min, 振幅约50r/min ( 其时主接力器最大行程为188.2mm), 即机组出现剧烈震荡并造成停机。

2) 从图十一则可看到，在同样的水头工况下当MGV装置投入时，机组转速升至538.1 r/min , 主接力器行程达到202.8mm才开始出现震荡而失去稳定运行状态。

3) 同时, 所检测机组在各种工况下的振动情况如下表：

从上表可以看出，MGV装置投入时, 顶盖、水导轴承的振动增幅较大, 而大轴摆度变化不大。这是由于投入不同步导叶的过程中, 导叶与水流的撞击相对加剧的缘故, 但机组的稳定运行工况还是得到保证的。

4) 根据几台机运行情况, 机组并网后空载运行及150MW负荷以下( 任意水头) 的运行工况均不是很理想, MGV装置的投入也不能有所改善。所以, MGV装置在机组并网运行后均设置于“切除”状态。

还需要注意的是:

1. 经常观察在正常运行期间关闭导叶至全关位置或停机工况时5# 和18# 导叶是否出现残

留值, 以免残留值的出现导致对当时运行工况的控制指令发生可能的差错。

2.由于投入MGV装置的停机过程将造成通过进水阀系统更多的压力泄漏, 这样, 进水阀

的密封环会加快磨损。

尽管如此, 实践证明了, 采用“MGV”装置以后, 机组在水轮机工况启动至并网的全过程和甩负荷停机过程都收到了预期效果。

图九

图十

图十一

图十二

图十三