杜凱堂

(五凌電力有限公司五強(qiáng)溪水電廠，湖南 長(zhǎng)沙 410000))

五強(qiáng)溪保安機(jī)組尾水閘門跌落故障分析及處理

Analysis and treatment of tail gate abnormal shutdown for Wuqiangxi security unit

杜凱堂

(五凌電力有限公司五強(qiáng)溪水電廠，湖南 長(zhǎng)沙 410000))

通過對(duì)五強(qiáng)溪電廠某保安機(jī)組的故障分析和對(duì)尾水閘門的實(shí)際運(yùn)行情況的分析，指出尾水閘門提升拉桿上的聯(lián)接柱銷與裝配孔配合間隙過大是造成故障的主要原因，并提出了快速處理方案、改進(jìn)措施。

尾水閘門；故障關(guān)閉；快速處理方案

2014年4月3日，五強(qiáng)溪水電廠保安機(jī)組C級(jí)檢修完成后首次開機(jī)，在開機(jī)過程中發(fā)現(xiàn)，機(jī)組不能達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，部分設(shè)備損壞。經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)尾水閘門在機(jī)組開機(jī)過程中跌落至底，將尾水管出水口封堵。這種故障比較罕見，為便于對(duì)水電廠類似故障處理，文中對(duì)故障分析及處理情況進(jìn)行總結(jié)。

該水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量為15 MW，水輪機(jī)為混流式，型號(hào)為:HLA551－LJ－210〔1〕。發(fā)電機(jī)為懸式，型號(hào)為:SF15－22/4250〔2〕。水輪發(fā)電機(jī)組的結(jié)構(gòu)與國內(nèi)一般立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組類同。

水輪發(fā)電機(jī)組及流道均布置在水庫溢洪道的下方。

1 故障分析及處理過程

1.1 故障發(fā)生過程

2014年4月3日，上游水庫水位▽101.41 m，下游尾水位▽54.13 m。當(dāng)日10時(shí)06分，機(jī)組C級(jí)檢修完成后首次開機(jī)，采用手動(dòng)開機(jī)方式。當(dāng)導(dǎo)葉開度至25%時(shí)，發(fā)現(xiàn)機(jī)組轉(zhuǎn)速上升較慢，至215 r/min時(shí)轉(zhuǎn)速不能再上升，達(dá)不到額定轉(zhuǎn)速272.7 r/min；同時(shí)，機(jī)組啟動(dòng)1 min后，發(fā)電機(jī)軸上端法蘭處噴水。操作人員立即對(duì)機(jī)組進(jìn)行事故停機(jī)操作，關(guān)閉水輪機(jī)導(dǎo)葉，機(jī)組正常停機(jī)。同時(shí)對(duì)機(jī)組設(shè)備進(jìn)行了外觀檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)軸上端與補(bǔ)氣閥下面之間的大軸短管法蘭處橡膠密封墊被沖出，水輪機(jī)補(bǔ)氣閥部分固定螺栓被沖斷，其它設(shè)備未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

1.2 故障分析及檢查

專業(yè)人員對(duì)故障的原因進(jìn)行了分析。對(duì)發(fā)電機(jī)軸上端法蘭平板橡膠密封墊可能損壞的原因分析如下:運(yùn)行工況是下游尾水位為▽54.13 m，發(fā)電機(jī)軸上端法蘭密封墊處高程為▽58 m，正常情況下密封墊不可能損壞。專業(yè)人員有2種不同的看法:第一種觀點(diǎn)是密封墊老化導(dǎo)致故障，理由是:機(jī)組已運(yùn)行10多年，同時(shí)機(jī)組安裝時(shí)整體質(zhì)量不佳，因此密封墊老化的可能性較大。第二種觀點(diǎn)是巨大的壓力將密封墊沖出導(dǎo)致故障。理由是:發(fā)電機(jī)軸上端法蘭間的密封墊壓緊力較大，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，水不會(huì)到達(dá)密封墊處，即使老化，密封墊也不會(huì)從法蘭處沖出；同時(shí)，在機(jī)組的前期運(yùn)行中，當(dāng)尾水位超過▽58 m時(shí)，曾發(fā)生過一次大軸補(bǔ)氣閥往外噴水的事件，密封墊沒有損壞，這次下游尾水位為▽54.13 m，低于▽58 m，更加不具備密封墊損壞的條件，密封墊損壞的原因只能是，有一股巨大的壓力水將密封墊從法蘭間快速?zèng)_出，造成密封墊損壞。并認(rèn)為形成巨大壓力水的原因有:1)調(diào)速器調(diào)節(jié)參數(shù)發(fā)生變化或手動(dòng)開機(jī)操作方式不當(dāng)，形成巨大的水擊壓力；2)尾水管流水不暢，蝸殼內(nèi)的水流到轉(zhuǎn)輪室后，壓力能沒有轉(zhuǎn)化為動(dòng)能〔3〕，使發(fā)電機(jī)軸上端密封墊處壓力過大。上述2種原因都可能存在。

對(duì)于大軸補(bǔ)氣閥基礎(chǔ)螺栓被沖斷的原因，也有機(jī)組運(yùn)行或啟動(dòng)過程中損壞的可能。

機(jī)組開機(jī)不能達(dá)到額定轉(zhuǎn)速可能的原因有: 1)機(jī)組進(jìn)水口堵塞使壓力鋼管內(nèi)的水流量不夠，以前發(fā)生過由于機(jī)組進(jìn)水口堵塞，機(jī)組負(fù)荷帶不上去的情況；2)尾水管內(nèi)有堵塞物存在，水不能正常流出；3)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)故障，機(jī)組啟動(dòng)過程中導(dǎo)葉沒有打開。

針對(duì)這3種情況，確定做下列檢查:1)調(diào)速器參數(shù)檢查；2)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)檢查；3)機(jī)組進(jìn)水口檢查；4)機(jī)組尾水渠及尾水閘門檢查。以上檢查完成后，未發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷。

由于尾水管及尾水渠檢查困難較大，決定先對(duì)機(jī)組進(jìn)行啟動(dòng)試驗(yàn)，檢查有關(guān)運(yùn)行參數(shù)，再次分析尾水渠及尾水管是否存在缺陷。

由于不能排除尾水系統(tǒng)的故障，為保證設(shè)備安全，機(jī)組再次啟動(dòng)時(shí)，緩慢開啟水輪機(jī)導(dǎo)葉，同時(shí)密切觀察流道系統(tǒng)的壓力參數(shù)。

再次進(jìn)行機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)檢查，當(dāng)水輪機(jī)導(dǎo)葉開度開到20%后，機(jī)組轉(zhuǎn)速較慢，到215 r/min后轉(zhuǎn)速不再上升，機(jī)組運(yùn)行情況與第一次啟動(dòng)時(shí)相似，但發(fā)電機(jī)上端補(bǔ)氣管未發(fā)現(xiàn)有噴水現(xiàn)象。這次開機(jī)重點(diǎn)觀察了機(jī)組的相關(guān)水壓力參數(shù)。導(dǎo)葉開度在20%時(shí)，尾水肘管壓力為0.2 MPa，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，這個(gè)壓力應(yīng)該為0。蝸殼末端壓力表顯示為0.2 MPa，與尾水管肘管壓力表相同，上述水壓力數(shù)據(jù)說明，尾水管或尾水渠發(fā)生了堵塞。

潛水員下水檢查后，發(fā)現(xiàn)尾水閘門在全關(guān)位置，尾水閘門與拉桿脫開，拉桿損壞。

機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，尾水閘門是通過一拉桿懸掛在尾水渠內(nèi)。拉桿與尾水閘門的連接結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 尾水閘門與拉桿聯(lián)接圖

為了查出拉桿損壞、尾水閘門下落等原因，對(duì)拉桿和尾水閘門又進(jìn)行了全面檢查。對(duì)尾水閘門上部與拉桿聯(lián)接處檢查后，發(fā)現(xiàn)聯(lián)接柱銷懸掛在閘門的吊耳上，尾水閘門上部聯(lián)接處無損壞。對(duì)拉桿進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)拉桿叉頭的一側(cè)已斷裂，鎖定聯(lián)接柱銷的2塊鎖定板與銷接觸部分已完全磨掉。經(jīng)查閱相關(guān)圖紙，尾水閘門拉桿與聯(lián)接柱銷的配合為Ф120H11/C11，設(shè)計(jì)最大間隙為＋0.620 mm，設(shè)計(jì)最小間隙為＋0.180 mm。根據(jù)設(shè)備安裝和檢修中的實(shí)際情況，對(duì)于基本尺寸為Ф120的聯(lián)接柱銷，這種配合間隙較大，聯(lián)接柱銷在尾水閘門拉桿的裝配孔中很容易滑動(dòng)。保安機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，尾水閘門浸泡在下游尾水渠中，尾水閘門經(jīng)常搖晃振蕩，導(dǎo)致尾水閘門與拉桿的聯(lián)接柱銷在拉桿的裝配孔中滑動(dòng)，聯(lián)接柱銷與鎖定板產(chǎn)生碰撞、摩擦，久而久之，聯(lián)接柱銷失去鎖定，從拉桿的裝配孔中滑出，尾水閘門與拉桿分離。

根據(jù)分析得出:在機(jī)組啟動(dòng)中，聯(lián)接柱銷完全松脫，尾水閘門突然下落，由于水錘的作用，在機(jī)組補(bǔ)氣管內(nèi)形成巨大的壓力，將發(fā)電機(jī)軸上端法蘭間的平板橡膠密封墊沖出，并同時(shí)將位于發(fā)電機(jī)軸頂端的補(bǔ)氣閥基礎(chǔ)螺栓沖斷。

1.3 故障處理方案

由于下游尾水位較高，拉桿與尾水閘門的聯(lián)接部位位于水下，需要潛水員才能完成聯(lián)接操作。為不影響機(jī)組盡快并網(wǎng)發(fā)電，將制定了一個(gè)快速處理方案。對(duì)聯(lián)接裝置進(jìn)行了臨時(shí)改進(jìn)，將聯(lián)接柱銷的鎖定板改在聯(lián)接柱銷上，將1個(gè)長(zhǎng)條形板用螺栓固定在聯(lián)接柱銷的端面上作為臨時(shí)鎖定措施 (聯(lián)接示意圖如圖2)，尾水閘門提升后，機(jī)組一次啟動(dòng)成功。

圖2 尾水閘門與拉桿臨時(shí)聯(lián)接圖

2 建議

1)由于五強(qiáng)溪保安機(jī)組尾水閘門的運(yùn)行環(huán)境不佳，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，尾水閘門浸泡在尾水中，經(jīng)常處于微振蕩狀況，提升拉桿與尾水閘門的聯(lián)接結(jié)構(gòu)必須十分可靠。通過上面的分析，目前聯(lián)接柱銷與拉桿的裝配孔間隙太大，應(yīng)該選擇一個(gè)合適的數(shù)據(jù)。根據(jù)安裝經(jīng)驗(yàn)，對(duì)于Φ120的基本尺寸，配合間隙宜選擇IT8〔5〕，配合間隙0.063 mm，比現(xiàn)在的設(shè)計(jì)值 (0.180～0.620 mm)，明顯偏小。

2)不論是機(jī)組進(jìn)水口平板閘門還是機(jī)組尾水平板閘門，對(duì)于類似的結(jié)構(gòu)，應(yīng)定期檢查聯(lián)接柱銷的狀況和鎖錠板的完好情況。有疑問時(shí)應(yīng)及時(shí)加固或更換。

3)在水電廠類似平板閘門結(jié)構(gòu)中，不能為了檢修的方便，隨意加大拉桿柱銷裝配的配合間隙。

3 結(jié)束語

在水力發(fā)電系統(tǒng)中，尾水閘門的異常下落是很罕見的，目前公開的文獻(xiàn)中，沒有見過相關(guān)報(bào)導(dǎo)。

在水力管道系統(tǒng)中，如果水流速度突然發(fā)生改變，會(huì)在壓力管道內(nèi)產(chǎn)生水擊現(xiàn)象。水擊壓力的大小與管道內(nèi)的水流流量、初始速度、管道長(zhǎng)度、水流速度改變的時(shí)間密切相關(guān)。流量越大、初始速度越高、管道越長(zhǎng)產(chǎn)生的水擊壓力越大〔4〕。

2014年4月五強(qiáng)溪保安機(jī)組尾水閘門故障異常跌落故障發(fā)生在機(jī)組C級(jí)檢修完成后的首次開機(jī)，管道系統(tǒng)的流量不大，流速不快，產(chǎn)生的水擊壓力相對(duì)較小。但仍使發(fā)電機(jī)軸上端法蘭平板橡膠密封墊被沖出、大軸補(bǔ)氣閥部分固定螺栓被沖斷。如果機(jī)組運(yùn)行在大負(fù)荷高水頭工況，水擊力將增大數(shù)倍以上，可能會(huì)造成水輪機(jī)頂蓋損壞。因此機(jī)組運(yùn)行時(shí)，尾水閘門的可靠固定非常重要。如果機(jī)組進(jìn)水口工作閘門快速下落，僅僅甩掉機(jī)組所帶負(fù)荷，發(fā)電設(shè)備影響不大。而尾水閘門在運(yùn)行中突然關(guān)閉，可能會(huì)造成嚴(yán)重設(shè)備損壞乃至水淹廠房等嚴(yán)重后果。因此，為機(jī)組運(yùn)行安全穩(wěn)定運(yùn)行，一定要重視尾水閘門提升拉桿聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行維護(hù)工作。

〔1〕哈爾濱電機(jī)有限責(zé)任公司.水輪機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明書〔S〕.1997.

〔2〕哈爾濱電機(jī)有限責(zé)任公司.發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)說明書 〔S〕.1998.

〔3〕劉大凱.水輪機(jī) 〔M〕.北京:水利水電出版社，1997.

〔4〕趙振興，何建京.水力學(xué) 〔M〕.北京:清華大學(xué)出版社，2010.

〔5〕方昆凡.公差與配合實(shí)用手冊(cè) 〔M〕.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.01.011

TK730.8

B

1008-0198(2015)01-0042-03

杜凱堂 (1962)，男，高級(jí)工程師。長(zhǎng)期從事水電廠機(jī)電設(shè)備維護(hù)及技術(shù)管理工作。

2014-09-10