安康水力發(fā)電廠3號機組泄水錐脫落原因分析

周少兵

(安康水力發(fā)電廠，陜西 安康 725000)

安康水力發(fā)電廠3號機組泄水錐脫落原因分析

周少兵

(安康水力發(fā)電廠，陜西 安康 725000)

通過對3號機組水導(dǎo)擺度數(shù)值的分析，提出泄水錐脫落是造成機組各部擺度、振動增大的主要原因，并通過機組在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，推斷出泄水錐脫落的具體時間，指出泄水錐脫落是由于設(shè)計缺陷、安裝質(zhì)量問題、運行方式不合理、監(jiān)測手段不完善、檢修人員經(jīng)驗不足、分析處理問題能力不強等幾方面原因?qū)е碌?，并提出了針對性的防范措施?/p>

水導(dǎo)擺度；泄水錐；在線監(jiān)測系統(tǒng)；防范措施

安康水電廠機組為混流式，總裝機容量為4×200 MW+1×5.25 MW，轉(zhuǎn)輪型號為HL220-LJ-550。1990年12月首臺機組發(fā)電，1992年12月全部機組投產(chǎn)發(fā)電，主要擔負著系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用任務(wù)。

為了掌握機組的實時狀態(tài)信息及推行狀態(tài)檢修，3號機組于2008年安裝了1臺機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)PSTA2003。狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)投運后，對機組振動擺度等內(nèi)容的監(jiān)測取得了較理想的效果。通過分析狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)，可推斷出3號機組于2012年3月發(fā)生了泄水錐脫落故障。

1 泄水錐脫落過程

2011-08-05，運行人員發(fā)現(xiàn)3號機組在線穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)3號機水導(dǎo)擺度增大：X向547μm， Y向801μm。隨即監(jiān)視3號機水導(dǎo)瓦溫為43 ℃。因當時機組在汛期滿大負荷運行，所以沒有立即停機檢查，而是注意監(jiān)視3號機組水導(dǎo)瓦溫不超過規(guī)定，水導(dǎo)擺度不超過900μm。2011-11-04，3號機組小修，經(jīng)調(diào)整水導(dǎo)瓦間隙及機組中心軸線后測量水導(dǎo)擺度：X向320μm，Y向340μm。水導(dǎo)擺度與之前相比明顯降低。2012-07-02，又發(fā)現(xiàn)3號機水導(dǎo)擺度增大：X向480μm，Y向535μm。2013年3月份，在3號機大修時打開蝸殼及尾水管人孔門檢查，發(fā)現(xiàn)3號機泄水錐脫落，至此3號機水導(dǎo)擺度增大的原因才得以弄清。

2 在線監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

2010—2012年導(dǎo)軸承擺度和頂蓋水平振動的變化趨勢如表1所示。

表1 2010—2012年導(dǎo)軸承擺度和頂蓋水平振動的變化趨勢

2.1 數(shù)據(jù)特征

對表1和水導(dǎo)擺度波形、頻譜和軌跡圖中導(dǎo)軸承擺度變化趨勢，水導(dǎo)擺度的波形、頻譜和軌跡，以及相關(guān)的數(shù)據(jù)進行分析，可以得出以下幾點特征判斷。

(1) 將3號機目前狀態(tài)檢測數(shù)據(jù)與2009年機組大修后150 MW工況下水導(dǎo)擺度(X向200μm，Y向210μm)數(shù)據(jù)(現(xiàn)場百分表測量)相比較，發(fā)現(xiàn)機組水導(dǎo)擺度在相同工況下有增加的趨勢，Y向擺度值已超過標準允許最大值。其他各測點擺度、振動、溫度正常。

(2) 2012-03-02，3號機組帶200 MW負荷時，頂蓋水平振動突然增大許多，同時水導(dǎo)擺度相位、頂蓋水平振動相位發(fā)生突變。

(3) 3號機組在空載、開機或停機時，水導(dǎo)擺度、上導(dǎo)擺度明顯增大，而擺度振動的主要成分均為一倍頻，說明存在水力不平衡的情況。

(4) 水導(dǎo)擺度較大且繼續(xù)不斷變大，而瓦溫基本不變，可以斷定水導(dǎo)抗重螺栓在松動，軸瓦間隙在不斷變大。

2.2 數(shù)據(jù)分析結(jié)論

(1) 3號機泄水錐脫落的時間應(yīng)該在2012-03-02開機過程中機組帶滿負荷運行期間，強大的水流將脫落的泄水錐沖入尾水渠內(nèi)，尾水管里襯并沒有因為沖撞破壞(事后檢查尾水管并沒有損傷)。

(2) 泄水錐脫落后，頂蓋水平振動的一倍頻幅值及其相位發(fā)生突變。水導(dǎo)擺度持續(xù)增大且其相位突變，相位變化量大于100°。

(3) 機組在開機啟動時，隨著轉(zhuǎn)速的升高，水導(dǎo)、頂蓋、上導(dǎo)擺度急劇增大。在低負荷運行工況下，機組振動明顯。

(4) 泄水錐與轉(zhuǎn)輪上冠固定螺栓個別先松動或斷裂，機組存在水力及機械不平衡的因素，是水導(dǎo)擺度一直增大的根本原因。隨著長時間低負荷振動區(qū)的運行，最終因水力振動產(chǎn)生交變應(yīng)力，螺栓發(fā)生疲勞破環(huán)而全部斷裂，從而導(dǎo)致泄水錐脫落。

3 泄水錐脫落原因分析

3.1 設(shè)計缺陷

泄水錐與轉(zhuǎn)輪上冠之間采用普通螺栓連接，把合孔鉆好后未做進一步處理。這樣，螺栓擰緊后可能存在一定的間隙，從而使螺釘承受附加彎曲應(yīng)力，由于強度不夠，最終導(dǎo)致螺栓斷裂。

3.2 安裝質(zhì)量問題

螺栓在擰緊后未采取加裝鎖定、點焊等止退措施，同時轉(zhuǎn)輪上冠與泄水錐接合面未采用連續(xù)焊縫。當水力壓力脈動加劇產(chǎn)生共振時，引起泄水錐固定螺栓松動；螺栓松動后轉(zhuǎn)輪上冠與泄水錐僅靠它們之間的間斷焊縫連接，且焊縫本身存在局部應(yīng)力，經(jīng)過一段時間運行后致使間斷焊縫開裂；在間斷焊縫開裂后泄水錐因水力振動產(chǎn)生交變應(yīng)力，螺釘發(fā)生疲勞破環(huán)而斷裂，最終導(dǎo)致泄水錐脫落。

3.3 運行方式不合理

安康水電站機組主要承擔系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻及事故備用任務(wù)，機組開、停機頻繁且經(jīng)常在振動區(qū)內(nèi)運行(1～4號機組振動區(qū)負荷為0～100 MW，低水頭情況下為120～150 MW)。在此種運行工況下，由于轉(zhuǎn)輪出口處的旋轉(zhuǎn)水流及漩渦脫落和氣蝕等影響，在尾水管內(nèi)會引起水壓脈動。尤其是在尾水管內(nèi)出現(xiàn)大渦帶后，渦帶以接近固定的頻率在管內(nèi)轉(zhuǎn)動，引起水流低頻壓力脈動，從而引起尾水管壁、轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機構(gòu)、蝸殼的振動，機組水導(dǎo)軸承、頂蓋擺度增大。當其頻率與發(fā)電機或電力系統(tǒng)的自振頻率接近時，發(fā)生共振，最終導(dǎo)致泄水錐固定螺栓松動、焊口開裂。

3.4 監(jiān)測手段不完善

安康水電站狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)PSTA2003在泄水錐脫落后，機組水導(dǎo)擺度增大的情況下，沒有發(fā)告警信號。

3.5 檢修人員經(jīng)驗不足，分析處理問題能力不強

運行人員發(fā)現(xiàn)3號機組水導(dǎo)擺度增大，卻未做進一步分析處理，只是采用停機調(diào)整機組軸線及水導(dǎo)瓦間隙的方法來消除水導(dǎo)擺度的增大，未從根本上解決問題。另外，機組在春季進行過流部件檢查時，運行人員也未及時發(fā)現(xiàn)機組泄水錐脫落故障。

4 處理及防范措施

(1) 3號機組更換新的泄水錐，所有固定螺栓內(nèi)螺紋涂抹天山螺紋鎖固劑防松動。螺母鎖緊后在其后面增加雙螺母鎖錠。

(2) 在泄水錐與上冠內(nèi)外部結(jié)合處連續(xù)多層焊接，在每個M42把合螺栓與上冠之間、螺母與螺母之間、螺母與螺桿頭部之間分別電焊牢固。

(3) 改變機組運行方式，盡量避免機組在振動區(qū)運行，機組開機或停機操作時，采用“手動”快速加或減負荷，以減少壓力脈動對水機部件的損壞。

(4) 機組在做甩負荷、過速試驗后，或機組事故停機后，應(yīng)及時檢查水導(dǎo)擺度。

(5) 定期檢查。將泄水錐檢查列為小修項目，每年春、秋季小修時對泄水錐各部螺栓及焊點進行檢查，及時發(fā)現(xiàn)缺陷，及時處理。

(6) 完善其他機組的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)PSTA2003。將機組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)PSTA2003接入計算機監(jiān)控系統(tǒng)，按照規(guī)程規(guī)定當機組擺度超過允許值時，系統(tǒng)應(yīng)作用機組停機。另外，將狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)列為運行日常巡視、檢查工作項目，以便及時、準確地監(jiān)測到機組擺度數(shù)值。

2013-11-02。

周少兵(1972-)，男，工程師，高級技師，主要從事安康水電廠運行工作。