尼爾基發(fā)電廠軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)槳葉頻繁抽動(dòng)的分析及處理

吳 勇，張廣濤，李宏偉

（1．嫩江尼爾基水利水電有限責(zé)任公司，黑龍江齊齊哈爾161005;2．武漢大學(xué)，湖北武漢 430072）

1 問(wèn)題提出

尼爾基發(fā)電廠位于嫩江干流中游，為河床式電站，共裝有4臺(tái)同型號(hào)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)型號(hào)為ZZA833－LH－640，額定水頭22．0 m，額定流量317．53 m3/s．單機(jī)容量 62．5 MW，總裝機(jī)250 MW．

軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)為雙調(diào)節(jié)調(diào)速系統(tǒng)．調(diào)速器型號(hào)為DFWST－150－6．3－STARS，為微機(jī)調(diào)節(jié)器+電液隨動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，電液隨動(dòng)系統(tǒng)采用交流伺服電機(jī)+自復(fù)中直線位移轉(zhuǎn)換器+引導(dǎo)閥+主配壓閥+導(dǎo)葉/槳葉接力器結(jié)構(gòu)，操作油為L(zhǎng)－TSA－46號(hào)透平油，工作油壓6．3 MPa，主配壓閥盤(pán)直徑150 mm．

尼爾基水輪機(jī)受油器主要部件有：上操作油管，上、中、下3道浮動(dòng)瓦，上、下油缸，甩油盆等．其中3道浮動(dòng)瓦是實(shí)現(xiàn)槳葉自動(dòng)調(diào)節(jié)的關(guān)鍵，每道浮動(dòng)瓦外緣與瓦座間設(shè)計(jì)有2 mm總間隙，瓦端面設(shè)計(jì)為0．15～0．20 mm間隙，使其能夠在瓦槽內(nèi)徑向滑動(dòng)和微小軸向浮動(dòng)，以降低操作油管擺動(dòng)對(duì)瓦內(nèi)表面的沖擊破壞．

整個(gè)槳葉調(diào)速系統(tǒng)包括壓力油源、槳葉調(diào)速器、受油器供排油管路、受油器、操作油管、槳葉接力器、槳葉操作機(jī)構(gòu)等部分．

尼爾基發(fā)電廠自2006年投產(chǎn)后，由于水庫(kù)來(lái)水量較少，機(jī)組一直在低水頭運(yùn)行（設(shè)計(jì)運(yùn)行水頭范圍9．91～33．2 m）．直到2009年8月首次運(yùn)行在26～29 m高水頭，巡回檢查發(fā)現(xiàn)，2號(hào)機(jī)組水輪機(jī)在額定出力附近時(shí)，槳葉反饋傳感器顯示槳葉開(kāi)度有較大幅頻繁擺動(dòng)（每秒1次以上），同時(shí)觀察到槳葉手動(dòng)操作把手同樣在反復(fù)不停地抽動(dòng)．而此時(shí)導(dǎo)葉的位置卻十分穩(wěn)定．由于槳葉頻繁抽動(dòng)造成壓力油罐油面下降很快，油泵不停地啟動(dòng)，很快造成整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)油溫過(guò)高，實(shí)測(cè)油溫達(dá)到60℃以上，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行．其他3臺(tái)機(jī)組槳葉也有不同程度的抽動(dòng)現(xiàn)象，每臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行工況和抽動(dòng)頻率不同．

2號(hào)機(jī)停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)：機(jī)械零件無(wú)異常;槳葉反饋傳感器和槳葉調(diào)速系統(tǒng)信號(hào)無(wú)異常;自復(fù)中裝置、引導(dǎo)閥等動(dòng)作靈活，無(wú)異常;試驗(yàn)槳葉調(diào)速器零位漂移正常;協(xié)聯(lián)參數(shù)檢查也正常．

2號(hào)機(jī)重新開(kāi)機(jī)試驗(yàn)，從機(jī)組空載運(yùn)行到并網(wǎng)逐步增加負(fù)荷，一直將負(fù)荷調(diào)整到50%額定出力附近，槳葉可自動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行．繼續(xù)向上增加負(fù)荷，槳葉開(kāi)始出現(xiàn)抽動(dòng)現(xiàn)象．達(dá)到額定出力時(shí)抽動(dòng)現(xiàn)象更加明顯，此時(shí)將調(diào)速器槳葉控制按鈕切至機(jī)、手動(dòng)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)槳葉開(kāi)度明顯開(kāi)始下降，下降至一定開(kāi)度后才實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定．

試驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)組出力即流量變化對(duì)槳葉的抽動(dòng)有直接影響，流量和水頭共同作用下的水推力與槳葉的操作力矩有相互影響．

繼續(xù)對(duì)2號(hào)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，觀察槳葉開(kāi)關(guān)腔管路壓力變化，手動(dòng)操作開(kāi)啟槳葉然后復(fù)歸，發(fā)現(xiàn)開(kāi)側(cè)腔管路壓力快速降至零．推測(cè)槳葉開(kāi)側(cè)的調(diào)速系統(tǒng)存在嚴(yán)重漏油現(xiàn)象，致使在槳葉受到水流偏關(guān)力矩的作用下不能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能和穩(wěn)壓，造成開(kāi)側(cè)腔的油壓泄露，引起槳葉向?qū)嶋H的偏關(guān)位置漂移．調(diào)速器在自動(dòng)運(yùn)行工況下由于槳葉開(kāi)度與導(dǎo)葉開(kāi)度要保持一定的協(xié)聯(lián)關(guān)系，所以當(dāng)槳葉向關(guān)側(cè)漂移時(shí)，超出調(diào)速器設(shè)定的范圍后，槳葉的調(diào)節(jié)系統(tǒng)就自動(dòng)調(diào)整槳葉的開(kāi)度直至滿(mǎn)足協(xié)聯(lián)關(guān)系，如此反復(fù)就造成槳葉的頻繁抽動(dòng)．在調(diào)速器機(jī)、手動(dòng)狀態(tài)下槳葉的開(kāi)度下降一定程度后水推力對(duì)槳葉形成的偏關(guān)力矩與槳葉改變位置后的油壓對(duì)槳葉的力矩實(shí)現(xiàn)平衡，槳葉就達(dá)到了穩(wěn)定．

2 分解檢修結(jié)果及故障原因分析

槳葉抽動(dòng)的原因就是槳葉調(diào)速系統(tǒng)存在嚴(yán)重漏油點(diǎn)．通過(guò)查閱相關(guān)文獻(xiàn)［1－4］、圖紙，經(jīng)分析，初步認(rèn)定漏點(diǎn)可能出現(xiàn)在受油器的浮動(dòng)瓦、槳葉接力器的上蓋板的復(fù)合密封及上蓋板法蘭處．

通過(guò)對(duì)2號(hào)機(jī)組分解檢修，首先發(fā)現(xiàn)槳葉抽動(dòng)的直接原因是受油器上、中、下3道浮動(dòng)瓦軸向密封嚴(yán)重失效，3道瓦內(nèi)表面和上操作油管對(duì)應(yīng)表面均有嚴(yán)重刮痕和凹凸，并有燒瓦跡象;浮動(dòng)瓦端面也有明顯的刮痕和毛刺;實(shí)測(cè)上操作油管工作面以及浮動(dòng)瓦的端面均有一定橢圓變形．

浮動(dòng)瓦在設(shè)計(jì)上既需要有良好的密封性，又要有良好的浮動(dòng)性以減小在運(yùn)行過(guò)程中磨損．所以浮動(dòng)瓦的端面間隙以及與操作油管的配合間隙不能過(guò)大和過(guò)小．原設(shè)計(jì)的端面間隙為0．15～0．20 mm，通過(guò)對(duì)浮動(dòng)瓦端面的磨損嚴(yán)重程度及瓦端部出現(xiàn)變形情況的分析，設(shè)計(jì)間隙可能偏小，在某些工況下會(huì)產(chǎn)生卡阻，無(wú)法實(shí)現(xiàn)瓦的自由浮動(dòng)．原設(shè)計(jì)的浮動(dòng)瓦與操作油管配合間隙為0．10～0．16 mm，對(duì)于操作油管的轉(zhuǎn)動(dòng)與軸向移動(dòng)，配合間隙應(yīng)該滿(mǎn)足使用要求．但是從瓦與操作油管的表面均有嚴(yán)重的刮痕與凹凸不平情況分析，可能是機(jī)組運(yùn)行初期油質(zhì)不好，油內(nèi)混有硬質(zhì)雜質(zhì)如鐵屑造成．有燒瓦的跡象應(yīng)該是機(jī)組運(yùn)行中軸電流超標(biāo)放電造成．操作油管有局部的變形，經(jīng)過(guò)測(cè)量操作油管的壁厚只有12～14 mm，可能是管壁太薄使上操作油管在加工中就已經(jīng)產(chǎn)生橢圓變形，或者在運(yùn)行中由于強(qiáng)度不夠而產(chǎn)生橢圓變形，再加上機(jī)組運(yùn)行中的擺度過(guò)大，都加劇了操作油管與浮動(dòng)瓦的互相磨損．

在隨后的分解過(guò)程中又發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)上的缺陷．

1）槳葉接力器上蓋板法蘭處密封位置錯(cuò)誤．正常密封條應(yīng)該裝在法蘭螺栓的內(nèi)側(cè)，以保證槳葉接力器上腔與主軸回油腔間的密封，但密封卻裝在了螺栓的外側(cè)，起不到上腔與回油腔密封的作用，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行中接力器上腔（即槳葉的開(kāi)側(cè)腔）密封不嚴(yán)，發(fā)生泄壓現(xiàn)象．

2）上蓋板的復(fù)合密封圈有刮痕和缺肉的現(xiàn)象．刮痕同樣是運(yùn)行初期油質(zhì)不好造成的．而上活塞桿與下操作油管的法蘭結(jié)合面沒(méi)有導(dǎo)角，在安裝過(guò)程中使上蓋板與上活塞桿間的復(fù)合密封圈發(fā)生損壞．密封圈缺肉可能是安裝過(guò)程中由于法蘭缺少導(dǎo)角，在上蓋板套入上活塞桿的過(guò)程中發(fā)生輕微碰撞導(dǎo)致的．

3 檢修處理措施

鑒于以上對(duì)受油器部分的分析，參考相關(guān)文獻(xiàn)［5－7］，并通過(guò)與制造廠家協(xié)商，可采取以下改造措施．

1）為保證浮動(dòng)瓦運(yùn)行中的自由浮動(dòng)性，將瓦端面間隙進(jìn)一步增大，調(diào)整為0．20～0．25 mm，并在安裝前進(jìn)行預(yù)裝，保證工人用手能夠自由推動(dòng)浮動(dòng)瓦．

2）在浮動(dòng)瓦內(nèi)徑上增加3條減壓槽，增加油流阻力和保證軸瓦間的潤(rùn)滑，在不降低原徑向端面密封的基礎(chǔ)上，減小兩腔之間竄油或向油缸外竄油．

3）浮動(dòng)瓦上端面和下端面各加設(shè)一道密封槽，裝密封膠條預(yù)設(shè)極微小壓縮量．也可不裝設(shè)密封條，僅當(dāng)作一道減壓槽．在不影響瓦擺動(dòng)下增強(qiáng)端面油流阻力提高密封效果．

4）操作油管壁厚由12～14 mm增為18～20 mm，提高油管的剛性強(qiáng)度，防止加工過(guò)程中以及運(yùn)行中碰撞引起變形，保持浮動(dòng)瓦與操作油管轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的圓滑．

5）在接力器上蓋板螺栓內(nèi)側(cè)重新加工一道密封，在接力器活塞桿與操作油管的法蘭外緣加工倒角．安裝時(shí)在倒角處涂抹透平油并嚴(yán)格控制上蓋板套入槳葉接力器桿時(shí)的穩(wěn)定，防止碰撞損傷復(fù)合密封圈．

6）為減小機(jī)組運(yùn)行過(guò)程操作油管擺度對(duì)浮動(dòng)瓦的碰撞與磨損，將操作油管的盤(pán)車(chē)標(biāo)準(zhǔn)由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的0．30 mm，提高到0．15 ～0．20 mm．

4 結(jié)語(yǔ)

在進(jìn)行了上述技術(shù)改造和施工控制后，2號(hào)機(jī)在運(yùn)行中，槳葉抽動(dòng)現(xiàn)象在各工況下均基本消除，開(kāi)關(guān)腔油壓保持良好;水輪機(jī)與調(diào)速器在正常工況下均能長(zhǎng)期保持穩(wěn)定運(yùn)行．

［1］陳德新，閆水保，周兵．軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)振動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與分析［J］．華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，21（2）：34－37．

［2］李建善．水輪發(fā)電機(jī)調(diào)速器主配壓閥抽動(dòng)故障分析與處理［J］．小水電，2011（4）：168－170．

［3］劉念．水電機(jī)組并網(wǎng)前接力器大幅抽動(dòng)問(wèn)題分析［J］．湖南電力，2010，30（3）：43 －44．

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［5］凌宇．水輪發(fā)電機(jī)組受油器結(jié)構(gòu)故障分析及其改進(jìn)［J］．新建設(shè)：現(xiàn)代物業(yè)上旬刊，2011（8）：34 －35．

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［7］王光耀．大化水電廠受油器浮動(dòng)瓦燒瓦原因分析及處理［J］．紅水河，2010，29（2）：64 －65．