抽水蓄能電站機組C級檢修后的故障分析與處理

王青華，孟繁聰，姜朝暉，楊 斌

（1.華東電力試驗研究院有限公司，上海 200437；2.華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇宜興 214200）

0 引言

華東宜興抽水蓄能電站裝有4臺單機容量為250MW可逆式水泵水輪機組，總裝機容量為1GW，受華東電網(wǎng)和地方省網(wǎng)雙重調度，擔任調峰、填谷、調相及事故備用任務。水泵水輪機為立軸、單級混流式，額定轉速為375r／min，水輪機運行最高凈水頭為410.7m，最低凈水頭為344.0m，額定凈水頭為363m。機組為懸式結構，設有上導、下導和水導軸承，推力軸承為預壓應力多彈簧支撐結構。

4臺機組在1年內(nèi)先后投產(chǎn)運行，3號和1號機組自首次投產(chǎn)運行到第3年的C級檢修，先后出現(xiàn)因軸瓦間隙引起的故障。其中3號機組故障比較嚴重，導致上導軸瓦溫度嚴重超標而更換了軸瓦；1號機組上導軸瓦溫度也發(fā)生異常，嚴重威脅到機組的安全運行。

1 3號機組上導軸瓦溫度異常分析

2011年3月10日至16日，3號機組進行C級檢修，17日22：06在機組完成發(fā)電工況熱運行試驗后，機組負荷降至19MW時，發(fā)電機斷路器（GCB）拉閘解列后轉速開始下降，而此時監(jiān)控系統(tǒng)顯示上導軸瓦溫度突然上升。機組停穩(wěn)后，吊起風罩，打開上導軸承，取出14塊巴氏合金瓦塊進行全面檢查。經(jīng)檢查，3號機組上導軸承的全部軸瓦表面沿機組發(fā)電工況大軸旋轉方向，均出現(xiàn)大小一致的整周被刮擦現(xiàn)象，而且刮擦面發(fā)亮，在軸瓦面旋轉終點處發(fā)現(xiàn)有烏金燒結現(xiàn)象。

檢查大軸與上導軸瓦工作面的接觸情況，大軸軸頸處表面沒有受損現(xiàn)象，但發(fā)現(xiàn)在上導軸瓦的油槽內(nèi)，沿大軸圓周散布著許多金屬碎屑和少量金屬顆粒。分析認為，這些碎屑和顆?？赡苁菑氖軗p的上導軸瓦表面脫落而來。

通過查詢設備實時監(jiān)測系統(tǒng)（SIS）的歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)機組在進行發(fā)電工況熱運行試驗一段時間以后，上導軸瓦溫度開始有上升的趨勢，但變化并不明顯，直到機組GCB跳閘解列后，上導軸瓦溫度才急劇上升。通過分析現(xiàn)場振動監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，機組軸系各處的擺度幅值，在整個熱運行試驗中均比較穩(wěn)定。而對上導軸瓦的擺度幅值進行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)頻譜中出現(xiàn)多倍頻成分，其中1倍頻成分占多數(shù)，這說明在上導軸瓦附近，已經(jīng)表現(xiàn)出了軸頸與上導軸瓦發(fā)生輕度碰磨的頻譜分布特征。而在機組解列后，上導軸瓦擺度頻譜中的多倍頻成分立即增加，從而使得上導瓦處大軸擺度通頻幅值陡增，此時上導軸瓦工作面可能已經(jīng)與軸頸發(fā)生嚴重的碰磨。

經(jīng)過對現(xiàn)場機組部件受損情況的分析和已有相關數(shù)據(jù)的比對，分析認為3號機組上導軸瓦碰磨現(xiàn)象發(fā)生的誘因是在機組發(fā)電熱運行試驗結束GCB拉閘，上導軸承附近電磁拉力消失的同時，原來與這部分力相平衡的機械不平衡力和水推力，對主軸造成了沖擊。在C級檢修期間，機組正好處以冷態(tài)，下導軸瓦間隙的縮小和機組軸系狀態(tài)的某些改變則是發(fā)生碰磨的根本原因。為此，拆卸3號機組的上導和下導軸承，排盡含雜質的軸承油、清理金屬碎屑，調整機組軸系中心，在確認軸線間隙合格后，將GCB拉閘負荷設定在10MW以下，于3月24日再次開機，在先后完成發(fā)電方向空轉和抽水調相（SCP）工況熱運行后，于20：15—21：10進行了帶負荷發(fā)電試驗，期間，上導軸瓦和下導軸瓦附近各個測點的擺度典型波形如圖1所示。

由圖1各個測點的擺度波形可看出，3號機組在發(fā)電過程中，大軸下導軸承基本以1倍頻振動為主，上導仍含有部分倍頻成分，但上下導波形穩(wěn)定、大小均勻。期間，機架的振動和擺度一樣，也很穩(wěn)定，說明該機組的擺度和振動均正常。在隨后的不同試驗工況期間，各個測點的溫度也正常，尤其在帶負荷發(fā)電停機GCB拉閘瞬間，未再見上導軸瓦溫度急劇上升現(xiàn)象，機組正常運行后也能順利完成抽水等運行工況。

2 1號機組啟動后瓦溫異常分析

2011年4月18日1號機組C級檢修結束，翌日進行20min的發(fā)電方向空轉，測得各點的振動值和擺度值大小均合格，并在各個測點溫度都正常的情況下，進行了SCP工況和220MW負荷發(fā)電工況試驗。

圖1 修后3號機組發(fā)電期間擺度波形圖

4月20日17：17，1號機組由靜態(tài)變頻勵磁（SFC）拖動，轉速逐漸上升，進行泵工況和200MW負荷發(fā)電工況試驗，17：22并網(wǎng)進入SCP工況，大約運行50min后，18：13停機。期間，各個測點的擺度值如表1所示，其監(jiān)測點的波形圖如圖2所示；振動值如表2所示，其監(jiān)測點波形圖如圖3所示。

表1 抽水調相工況下各測點擺度值μm

表2 抽水調相工況下各測點振動值1）mm／s

圖2 抽水調相工況下各測點擺度典型波形圖

圖3 抽水調相工況下各測點振動典型波形圖

圖2 顯示上導和水導擺度波形比較亂，但基本的波形還是能看得出，這主要是因為上導和水導擺度的1倍頻比較?。幌聦[度波形因為基本以1倍頻為主，所以波形特征比較明顯。圖3上下機架波形特征比頂蓋處的振動明顯，這是因為上下機架主要以1倍頻為主，而頂蓋振動幅值比較小，且頻率成分因為干擾變復雜顯得凌亂。

從表1和表2各測點數(shù)據(jù)來看，該工況下機組振動和擺度幅值均非常小，表示1號機組軸系運行非常穩(wěn)定。但是在此次SCP工況期間，上導軸瓦1號瓦塊和11號瓦塊的進出口油溫發(fā)現(xiàn)異常，即進油側溫度高于出油側溫度。由于1號機組剛進行過C級檢修，故懷疑是瓦塊與軸頸磨合不充分所致。又由于異常點的溫度并不太高，所以暫時不對該異常情況處理，待完成發(fā)電工況試驗后再做決定。

18：23 1號機組發(fā)電方向啟動，轉速迅速升至375r／min后并網(wǎng)，18：26負荷升至220MW，在該負荷下連續(xù)運行約1h，19：38停機。在220MW負荷發(fā)電工況期間，各測點的擺度值如表3所示，振動值如表4所示，由表3和表4的數(shù)值可以看出，在這期間所測各點的幅值較小，機組擺度和振動良好。

表3 220MW負荷發(fā)電工況下各測點擺度值μm

表4 220MW負荷發(fā)電工況下各測點振動值 mm／s

1號機組在此次帶220MW負荷發(fā)電運行期間，發(fā)現(xiàn)該工況初期上導軸瓦的1號瓦塊和11號瓦塊進油側溫度均比出油側溫度低，但到該工況結束前，出油側溫度與進油側溫度又都相差不大，分析表3和表4中的數(shù)據(jù)，認為1號和11號瓦塊的溫度異常與機組擺度及振動無直接關系。

為了檢測SCP工況期間1號瓦塊和11號瓦塊溫度的實際值，1號機組于19：46再次由SFC拖動，4min后達到375r／min，并網(wǎng)進入SCP工況，20：36機組解列停機。此次SCP工況期間，軸系運行平穩(wěn)，但上導軸瓦的1號瓦塊和11號瓦塊的進油側溫度仍比出油側溫度高。分析其原因，可能是測溫探頭熱電阻（RTD）溫度檢測器異常、溫度測點位置安裝不合適或者瓦塊間隙異常等原因造成。

在此次SCP工況結束后，查詢1號機組C級檢修前SCP工況下上導軸瓦11號瓦塊溫度歷史數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)進油側溫度均比出油側溫度高，但在發(fā)電工況下則基本正常。由于此次C級檢修期間已對RTD探頭進行過現(xiàn)場校驗屬于合格，故在排除RTD探頭裝置異常外，分析認為可能是RTD探頭測點的位置安裝不合適，也可能是瓦塊間隙發(fā)生了異常，應該作重點檢查。

當晚1號機組停穩(wěn)后打開上導軸瓦蓋板，發(fā)現(xiàn)RTD測點位置安裝正確，故對上導軸瓦的1號瓦和11號瓦的進油側和出油側進行間隙測量，測量結果為軸瓦間隙偏小，隨即將這兩塊瓦抽出，對其進出油側進行研磨，然后回裝。

4月20日1：30左右1號機組開始泵工況運行，至7：00左右停機。整個泵工況期間，上導軸瓦1號和11號瓦塊的進油側和出油側溫度恢復正常——進油側溫度低于出油側溫度。為了檢驗發(fā)電工況下各個測點的真實溫度，1號機組于9：02啟動，轉速迅速升至375r／min，9：03并網(wǎng)發(fā)電，AGC投入，負荷在170MW左右波動，至9：47，推力瓦、上導軸瓦和下導軸瓦的各測點溫度正常（進油側溫度低于出油側穩(wěn)定），如圖4所示。圖4中，內(nèi)側數(shù)字為軸瓦號，外側數(shù)字為測溫點序號，最外側數(shù)字為各測點溫度值。

圖4 處理后發(fā)電工況穩(wěn)定時的各瓦溫測點溫度

3 兩起故障的共性分析

3號機組在C級檢修期間，因上導軸瓦間隙過小，導致C級檢修后的各項試驗工況下，上導軸瓦均存在輕微碰摩的頻譜特征，由于碰摩程度不是很嚴重，因此軸瓦溫度并不是非常高。如果大軸在穩(wěn)定運行而不受外界沖擊的情況下，上導軸瓦各個測點瓦溫將會穩(wěn)定在某一幅值附近，這也是該機組C級檢修后并網(wǎng)前其它試驗工況能夠順利過關的原因。但在發(fā)電工況結束前，由于GCB拉閘動作瞬間，機組受到來自電磁力瞬間消失的沖擊，原本過于狹小的軸瓦與軸頸間隙難以承受大軸的沖擊，使得軸頸擠壓軸瓦表面，最終導致上導軸瓦因溫度過高而無法工作的惡性事故。

1號機組雖然在C級檢修期間各軸瓦的測量間隙均符合要求，但在測量時只選擇軸瓦的中間部分（由于設計要求，該部位與軸頸的距離最小）作為測量點，這樣，如果因軸瓦在制造過程中出現(xiàn)誤差——瓦面兩側的高度和中間高度相差不大，則導致整個軸瓦間隙不合格。1號機組上導軸瓦進油側和出油側的實際溫度與理論溫度不符主要緣于此。1號機組的1號瓦和11號瓦的溫度異常在排除RTD故障嫌疑后，針對這兩塊軸瓦進出油側瓦間隙偏小的缺陷，進行研磨處理。處理完畢回裝后，機組泵工況和發(fā)電工況期間，1號瓦和11號瓦的瓦溫均恢復正常（出油側溫度高于進油側溫度）。

4 建議

和其它大型旋轉機械一樣，大型抽水蓄能機組均配備滑動軸承，為保證這些旋轉機械的轉動部件正常工作，滑動軸承的軸瓦與軸頸必須建立合適的油膜，此油膜不但可以潤滑軸瓦與軸頸的工作環(huán)境、帶走其間因摩擦產(chǎn)生的熱量，而且可以起到緩沖轉子傳遞給軸承的壓力和支撐轉子穩(wěn)定運行的作用。但是建立合適的油膜，軸瓦與軸頸之間保持合理的間隙是首要條件。3號機組和1號機組在C級檢修后發(fā)生的兩起故障案例，均因軸瓦與軸頸之間的間隙不合理所致。

另外，在1號機組瓦溫異常的診斷過程中，耗時過長，其中的一個主要原因是因為上、下導瓦的分塊瓦的進出油側溫度測點并沒有完全監(jiān)測。如果每個分塊瓦的進出油側均布置了RTD溫度探頭，類似的故障就會很容易地排除。因此建議：

1）在抽水蓄能機組導瓦的每個分塊瓦的進出油側，均設置RTD測溫探頭，方便運行人員對機組進行實時監(jiān)測，保證機組的運行安全。

2）對導瓦間隙進行測量時，需將每個分塊瓦的進出油側間隙一并測量。