時志能，何良超，馮國柱

(1. 湖南五凌電力科技有限公司，湖南 長沙 410004； 2. 大唐水電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，廣西 南寧 530031)

某水電站由船閘、發(fā)電廠房、溢流壩、開關(guān)站等組成；廠房內(nèi)安裝有四臺大型軸流轉(zhuǎn)槳式機組，單機容量150 MW，水輪機型號ZZA814a，額定水頭Hr=19.5 m，最大水頭Hmax=31.5 m，額定轉(zhuǎn)速nr=62.5 r/min；調(diào)速器型號為YZ-40/2-6.3-GK-1-04，工作油壓6.3 MPa。

當(dāng)運行毛水頭為24 m時，1號機組負荷在100 MW附近出現(xiàn)±3～5 MW波動，對比同時段其他機組相同負荷的導(dǎo)葉、槳葉開度發(fā)現(xiàn)，其導(dǎo)葉開度均偏小5%～8%；經(jīng)排查近一周的運行記錄，期間運行水頭約為22.0～26.0 m，1號機組在大負荷運行時的導(dǎo)葉開度較其他機組偏小5%～8%、槳葉開度偏小10%～20%，且滿負荷運行時水導(dǎo)擺度、上機架及頂蓋水平振動混頻峰峰值均較平時增大1～2倍。

1 缺陷排查

1.1 測量信號排查

結(jié)合機組故障運行的歷史數(shù)據(jù)，對比1號機組在不同時段、不同水頭、不同負荷條件下導(dǎo)槳葉開度及有功信號發(fā)現(xiàn)，調(diào)速器、監(jiān)控系統(tǒng)及機械指針的導(dǎo)葉開度和槳葉開度均變化一致；調(diào)速器、勵磁系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)顯示的機組有功均變化一致，說明導(dǎo)葉和槳葉開度傳感器、機組有功信號反饋正常[1]。

1.2 功率波動排查

當(dāng)運行毛水頭為24.9 m時，三種初始工況下導(dǎo)葉均置為手動狀態(tài)，根據(jù)表1對1號機組進行開機增負荷工況下的功率波動排查可知：①當(dāng)機組初始有功為74.84、148.06 MW時，機組有功隨著槳葉開度的單向增加而增大，槳葉開度達到極大值后再反向降低槳葉開度時，機組有功未發(fā)生明顯變化；②在119.58 MW初始工況下，槳葉開度先減少4.67%，機組有功未見明顯降低；當(dāng)單向調(diào)整槳葉開度大于初始工況值時，機組有功呈現(xiàn)單向增加趨勢；當(dāng)槳葉開度達到極大值42.2%后，單向減少導(dǎo)葉開度，機組有功也單向減小。

表1 不同導(dǎo)、槳葉開度下的機組功率變化

1.3 不同機組的有功對比測試

為進一步驗證1號機組帶負荷運行時導(dǎo)槳葉開度是否存在協(xié)聯(lián)故障，同步對4號機組開展有功差異對比。根據(jù)表2可知：①當(dāng)1號和4號機組功率相同時，1號機組導(dǎo)葉開度偏小約6%，槳葉開度約偏小18%；②當(dāng)4號機組與1號機組導(dǎo)葉和槳葉開度相同時，4號機組功率偏低21.5 MW；固定4號機組導(dǎo)葉開度，機組有功隨槳葉開度減小而減低，隨槳葉開度增加而增大；③4號機組在導(dǎo)葉開度為64.68%工況下，機組有功從116.2 MW升至150.9 MW時，槳葉開度增至73.4%，較原協(xié)聯(lián)工況增加23.3%。

表2 毛水頭22.39 m下不同機組有功及導(dǎo)槳葉開度差異對比

綜上所述，雖然1號機組的導(dǎo)葉和槳葉傳感器、機組有功信號無故障，但在運行過程中，機組槳葉單向增加可使其功率增大，反向減少槳葉開度時其功率幾乎不變；與4號機組在相同導(dǎo)槳葉開度、有功的結(jié)果對比分析，1號機組在實際運行過程中，導(dǎo)葉和槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系存在失聯(lián)特征[2]。

2 機組穩(wěn)定性測試

由表3可知，1號機組在毛水頭24.8 m單向增負荷工況下，上導(dǎo)、推力軸承處的擺度均呈現(xiàn)緩慢增長趨勢，水導(dǎo)擺度變化較為平穩(wěn)；除頂蓋垂直振動緩慢增長外，其余振動測點的峰峰值均變化不大；總體而言，各擺度和振動測點在機組單向增負荷過程中無異常突變現(xiàn)象。

表3 機組振動測試數(shù)據(jù)對比

機組在升至滿負荷后的減負荷試驗工況下，有功在120 MW以下出現(xiàn)了功率波動及異常振動現(xiàn)象。當(dāng)負荷從150 MW減至120 MW時，上導(dǎo)和推力軸承處的擺度測點峰峰值、尾水管進口壓力脈動均發(fā)生突變，增長趨勢明顯；當(dāng)機組負荷繼續(xù)減少時，上導(dǎo)和推力軸承處的擺度變化相對緩慢，但水導(dǎo)擺度幾乎呈線性增長，其峰峰值增加超過1倍。當(dāng)負荷減至80 MW時，機組有功波動越發(fā)明顯，上機架-X水平振動、推力軸承體-X垂直、頂蓋-X垂直振動比150 MW工況的各對應(yīng)測點峰峰值增長約2～5倍。

3 故障分析與處理

為實現(xiàn)軸流轉(zhuǎn)槳式或燈泡貫流式水輪機槳葉與導(dǎo)葉的協(xié)聯(lián)配合，槳葉一般通過缸動式或操作架式結(jié)構(gòu)，將缸體或操作架的直線運動轉(zhuǎn)換為槳葉的旋轉(zhuǎn)運行，由于受槳葉水力矩限制，大型軸流轉(zhuǎn)槳式機組的槳葉操作機構(gòu)常采用操作架式結(jié)構(gòu)[3-4]。圖1為1號機組的操作架結(jié)構(gòu)示意圖，活塞桿的上下位移帶動操作架產(chǎn)生直線運動，卡環(huán)為兩瓣式結(jié)構(gòu)，僅承受操作架的軸向受力，限位套由8顆螺栓緊固，從而達到將卡環(huán)與操作架聯(lián)成一體的目的。

圖1 操作架結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)1號機組功率及導(dǎo)槳葉的排查結(jié)果，槳葉關(guān)閉方向異常是引發(fā)導(dǎo)葉和槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系破壞、機組功率波動、水力條件惡化及異常振動的直接原因。結(jié)合轉(zhuǎn)輪操作架的結(jié)構(gòu)分析[5-6]，由于在開機增負荷過程中機組運行穩(wěn)定狀況良好，未出現(xiàn)異常振動和功率波動現(xiàn)象，排除轉(zhuǎn)輪槳葉某個或某幾個耳柄松動的可能性。結(jié)合對機組導(dǎo)葉和槳葉的電氣反饋、機械反饋的排查結(jié)果，卡環(huán)與限位套存在松動或部分破裂脫落，可能是造成機組槳葉反饋與實際開度不一致、功率波動和異常振動的根本所在。

因1號機組故障發(fā)生在汛期來臨之前，經(jīng)多方討論，電廠在機組流道排空的情況下，通過在泄水錐局部開孔并用針式攝像頭對卡環(huán)位置的狀況進行取證，結(jié)果顯示卡環(huán)的一瓣已經(jīng)脫落、限位套損壞、活塞桿靠近卡環(huán)側(cè)已部分磨損?？紤]到故障的嚴(yán)重性及發(fā)電需求，必須將轉(zhuǎn)輪在安裝間進行解體后才能修復(fù)，且由于電廠缺少活塞桿及操作架備件，部件需返廠加工，修復(fù)時間長。經(jīng)主機廠進一步復(fù)核，將轉(zhuǎn)輪葉片與輪轂體通過鋼板焊接的方式將槳葉固定于70%開度，機組采用定槳運行模式，待枯水期再進行大修，盡可能減少主汛期的電量損失。槳葉固定焊接后，機組經(jīng)穩(wěn)定性測試后能夠滿足運行要求。

4 結(jié) 語

1)定期通過狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)對機組的振動、擺度數(shù)據(jù)進行分析，以便后期對故障進行溯源。

2)聯(lián)合主機廠對卡環(huán)緊固的操作架結(jié)構(gòu)進行評估，從卡環(huán)材質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計、安裝方面考慮對操作架與活塞桿的連接方式進行優(yōu)化。