調(diào)速器開機(jī)規(guī)律對機(jī)組轉(zhuǎn)輪裂紋的影響

吳永智，何常勝

(1.華能瀾滄江水電有限公司，昆明 650214;2.云南電網(wǎng)公司電力研究院，昆明 650217)

1 前言

某水電站裝設(shè)6臺單機(jī)容量700 MW的混流式機(jī)組，總裝機(jī)容量為4200 MW，保證出力185.4 MW，多年平均發(fā)電量190.6億千瓦·時。電站以發(fā)電為主兼有防洪、為灌溉和庫區(qū)水運(yùn)等綜合效。由于機(jī)組長期運(yùn)行在水頭變化大、調(diào)峰深度大、開/停機(jī)頻繁等惡劣條件下，對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪提出了更高要求。調(diào)速器采用6.3 MPa油壓作為操作能源，其電氣系統(tǒng)主要由SAFR－2000H調(diào)速器電器柜，ZFL－GE－250調(diào)速器機(jī)械柜，YZ－10－6.3油壓裝置控制柜組成，為重要的主機(jī)控制設(shè)備。

某水電站機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片采用VOD精煉鑄造，材料為馬氏體不銹鋼鑄件。葉片采用五軸數(shù)控機(jī)床加工，上冠、下環(huán)為鑄造，上冠設(shè)有與水輪機(jī)軸連接的法蘭。轉(zhuǎn)輪采用現(xiàn)場組焊的加工方式完成。

2 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪裂紋情況

在轉(zhuǎn)輪檢測中，典型的葉片裂紋主要有葉片出水邊－下環(huán)空蝕現(xiàn)象。

從檢查結(jié)果來看，除了5號水輪機(jī)的裂紋位于葉片中部靠近上冠側(cè)之外，其它所有水輪機(jī)的葉片裂紋都位于葉片出水邊靠近下環(huán)側(cè)的高應(yīng)力區(qū)和出水邊相交的最薄處附近。在每次機(jī)組檢修轉(zhuǎn)輪檢查中，均能發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪不同程度的裂紋，現(xiàn)針對部分轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)的裂紋問題，主要從設(shè)計(jì)、材料和制造質(zhì)量以及運(yùn)行工況和時間方面進(jìn)行分析。

2.1 材質(zhì)檢測

通過對機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片裂紋斷口形貌及缺陷形態(tài)進(jìn)行檢測和裂紋分析，裂紋處于焊接融合線上，該處具有焊接組織特征。此外，斷口檢驗(yàn)也證明斷口上存在大量的熔渣類物資。由于葉片為鑄件，裂源處距焊縫有一定的距離。因此，可以認(rèn)為葉片存在補(bǔ)焊現(xiàn)象，補(bǔ)焊后熔渣沒有完全消除導(dǎo)致熔渣殘留在補(bǔ)焊區(qū)，一方面焊渣分割消弱了基體的結(jié)合強(qiáng)度，另一方面焊渣缺陷會在使用過程中形成應(yīng)力集中，導(dǎo)致運(yùn)行過程的裂紋從缺陷處萌生。補(bǔ)焊工藝不當(dāng)形成的補(bǔ)焊缺陷引起運(yùn)行過程中葉片萌生裂紋，并最終導(dǎo)致疲勞開裂。

個別葉片鑄件存在極個別的超標(biāo)缺陷或存在不超標(biāo)的小鑄造缺陷，但在生產(chǎn)制造過程中未能檢測出來或由于工藝的原因無法檢測出而造成水輪機(jī)在運(yùn)行過程中首先在葉片出水邊下環(huán)側(cè)的高應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生應(yīng)力集中造成疲勞斷裂進(jìn)而擴(kuò)展到葉片內(nèi)部。

此外，個別葉片第一次檢查出現(xiàn)裂紋即屬于這種情況，這同時也和下面提到的不當(dāng)開機(jī)規(guī)律和長期在低負(fù)荷運(yùn)行應(yīng)力很大相關(guān)。對此，今后需進(jìn)一步加強(qiáng)葉片鑄件質(zhì)量控制，特別是制造過程的嚴(yán)格控制。同時需要和改進(jìn)探傷工藝和手段達(dá)到確保在高應(yīng)力區(qū)無缺陷的要求。

2.2 設(shè)計(jì)復(fù)核

根據(jù)對轉(zhuǎn)輪的有限元受力分析計(jì)算可知，轉(zhuǎn)輪在各種設(shè)計(jì)工況下的靜態(tài)應(yīng)力并不算高，完全滿足合同技術(shù)規(guī)范的要求，靜態(tài)應(yīng)力大小不是造成裂紋的主要原因。從應(yīng)力的分布看，無論是靜態(tài)應(yīng)力還是動態(tài)應(yīng)力，裂紋處的應(yīng)力都最大，屬于應(yīng)力集中點(diǎn)，特別是在非設(shè)計(jì)工況下 (空載和部分負(fù)荷)，轉(zhuǎn)輪的動態(tài)應(yīng)力更大。因此，不宜在空載和部分負(fù)荷下長期運(yùn)行，屬于禁止運(yùn)行區(qū)。

2.3 機(jī)組運(yùn)行工況分析

為分析機(jī)組運(yùn)行工況和運(yùn)行時間對轉(zhuǎn)輪裂紋的影響，收集了小灣水電站1至6號機(jī)組一段時間內(nèi)的運(yùn)行工況和運(yùn)行小時數(shù)。

圖1 各臺機(jī)組在禁止運(yùn)行區(qū)運(yùn)行時間統(tǒng)計(jì)

通過圖1可以看出，受水電機(jī)組運(yùn)行特點(diǎn)(啟動靈活、頻發(fā)，承擔(dān)系統(tǒng)備用機(jī)組)影響，每臺機(jī)組都會有較長時間處在禁止運(yùn)行或不合理區(qū)域運(yùn)行。

2.4 真機(jī)運(yùn)行和轉(zhuǎn)輪動應(yīng)力測試與診斷

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)機(jī)組投產(chǎn)以后需要對真機(jī)的運(yùn)行特性和穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)測，以便掌握機(jī)組的運(yùn)行規(guī)律，分析產(chǎn)生問題的根源和制定合理的運(yùn)行規(guī)程，以確保機(jī)組長期安全、可靠和穩(wěn)定運(yùn)行，并通過實(shí)測彌補(bǔ)理論計(jì)算和分析難于或現(xiàn)階段無法實(shí)現(xiàn)的真機(jī)特性。

2.4.1 葉片應(yīng)力測試結(jié)果

對4號機(jī)進(jìn)行了應(yīng)力測試，測試時的靜水頭約198 m。實(shí)測結(jié)果可以看出，水輪機(jī)葉片上冠側(cè)的靜應(yīng)力隨出力的增大而減少，下環(huán)側(cè)的應(yīng)力隨出力的增大而增大，最大靜應(yīng)力為90 MPa，滿足相關(guān)規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)要求。

從實(shí)際數(shù)據(jù)顯示，水輪機(jī)在連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)和限制運(yùn)行區(qū)的動態(tài)壓力、動態(tài)應(yīng)力的主導(dǎo)因素是無翼區(qū)的動靜干涉問題，壓力脈動頻譜分析有明顯的主頻 (一倍的葉片通過頻率37.5 Hz和二倍頻率75 Hz)，而不是尾水管的壓力脈動問題，這是高水頭水輪機(jī)的典型特點(diǎn)。實(shí)測結(jié)果與水輪機(jī)設(shè)計(jì)相吻合，滿足技術(shù)規(guī)范的要求。但在禁止運(yùn)行區(qū)，動態(tài)壓力、動態(tài)應(yīng)力的主導(dǎo)因素是尾水管的壓力脈動和動態(tài)壓力問題而不是無翼區(qū)的動靜干涉問題。此外，在200 MW和300 MW之間主要是由于轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)渦帶造成的，壓力脈動頻譜分析有明顯的0.9 Hz的主頻;但在200 MW以下則是由于水輪機(jī)的運(yùn)行工況嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況以后葉道渦發(fā)生、發(fā)展，嚴(yán)重的水力擾流和水力不穩(wěn)定造成的，沒有明顯的主頻，完全是多個葉道渦和水力擾流的混頻合成作用的結(jié)果。如果水輪機(jī)在200 MW以下，特別是100 MW以下負(fù)荷運(yùn)行，其壓力脈動和動態(tài)應(yīng)力非常高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常運(yùn)行工況的值，極易造成水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的疲勞破壞。

2.4.2 相對疲勞計(jì)算

根據(jù)對葉片相對疲勞進(jìn)行計(jì)算、分析，可以看出，影響疲勞壽命的主要因素是不良的開機(jī)規(guī)律和超出運(yùn)行范圍的極低部分負(fù)荷運(yùn)行兩大因素，具體如圖2所示。因此得出如下結(jié)論:

圖2 5號葉片損壞速率分布

1)在200 MW以上運(yùn)行時轉(zhuǎn)輪沒有疲勞問題;

2)甩負(fù)荷對疲勞的影響很小;

3)如果僅用優(yōu)化后的開機(jī)規(guī)律代替原開機(jī)規(guī)律，則轉(zhuǎn)輪的疲勞壽命可增加2倍;

4)如果在優(yōu)化后的開機(jī)規(guī)律以后并同時避免在200 MW以下運(yùn)行，則轉(zhuǎn)輪的壽命是原來的7倍;

5)空載運(yùn)行和底負(fù)荷運(yùn)行對轉(zhuǎn)輪的疲勞損傷相當(dāng)，應(yīng)盡可能減少或避免機(jī)組在空載運(yùn)行時間。

考慮到水電機(jī)組應(yīng)具備熱備用能力以確保電網(wǎng)安全，故而機(jī)組啟停較為頻繁，甚至經(jīng)常會處在設(shè)計(jì)禁止運(yùn)行區(qū)域運(yùn)行，對機(jī)組損害較大。因此，要提高機(jī)組轉(zhuǎn)輪壽命，減少轉(zhuǎn)輪裂紋，應(yīng)該優(yōu)化開機(jī)規(guī)律。

3 開機(jī)優(yōu)化

通過對機(jī)組轉(zhuǎn)輪裂紋原因進(jìn)行分析以及機(jī)組開機(jī)方式進(jìn)行分析、比較和優(yōu)化，結(jié)果顯示，在不同的開機(jī)規(guī)律下水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片上的應(yīng)力差別比較大，開機(jī)規(guī)律不合理成為轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生裂紋的重要原因之一。

3.1 原調(diào)速器開機(jī)規(guī)律描述

在原調(diào)速器開機(jī)規(guī)律描述中，若所有的頻率信號都檢測不到，導(dǎo)葉開到空載開度并保持。若0 Hz﹤機(jī)頻≤35 Hz，導(dǎo)葉開度開到空載開度+5%全開度;若35 Hz﹤機(jī)頻≤47.5 Hz，導(dǎo)葉開度到1.2倍空載開度;整個開機(jī)過程中，導(dǎo)葉的空載開限=1.5倍空載開度。

3.2 調(diào)速器開機(jī)規(guī)律優(yōu)化實(shí)施

通過對比試驗(yàn)，確定適合小灣機(jī)組的開機(jī)規(guī)律為:導(dǎo)葉按0.25%導(dǎo)葉全開度/秒的開啟速率從全關(guān)至1.4倍的空載開度，轉(zhuǎn)速達(dá)到90%的額定轉(zhuǎn)速后導(dǎo)葉開度開至1.3倍的空載開度，轉(zhuǎn)速到達(dá)95%的額定轉(zhuǎn)速后調(diào)速器控制邏輯由開機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)為空載狀態(tài)。整個開機(jī)過程中，導(dǎo)葉的空載開限為1.5倍空載開度。

該程序段的描述為:

若所有的頻率檢測不到，導(dǎo)葉開到空載開度并保持。

若機(jī)頻≤45 Hz，導(dǎo)葉開度按0.25%導(dǎo)葉全開度/秒的開啟速率從全關(guān)開啟至1.4倍的空載開度。

若45 Hz﹤機(jī)頻≤47.5 Hz，導(dǎo)葉開度到1.3倍空載開度。

整個開機(jī)過程中，導(dǎo)葉的空載開限為1.5倍空載開度。

另外，開始Start_Timer設(shè)置值應(yīng)盡量大，以防止機(jī)組提前進(jìn)入控制狀態(tài)，故將開機(jī)顯示設(shè)置為300 s。

3.3 優(yōu)化后試驗(yàn)結(jié)果

對機(jī)組的開機(jī)方式也進(jìn)行分析、比較和優(yōu)化，不同的開機(jī)規(guī)律會對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的應(yīng)力造成很大的差別。以下為不同開機(jī)規(guī)律下的轉(zhuǎn)輪動應(yīng)力測量結(jié)果。

圖3 開機(jī)規(guī)律下的葉片動應(yīng)力

圖4 優(yōu)化后的開機(jī)規(guī)律下的葉片動應(yīng)力

通過對不同的開機(jī)時間和開機(jī)曲線下的葉片動應(yīng)力的對比測量，優(yōu)化調(diào)速器開機(jī)規(guī)律后，轉(zhuǎn)輪葉片下環(huán)側(cè)的動應(yīng)力峰值由原來的開機(jī)規(guī)律下的340 MPa將至200 MPa，葉片上冠側(cè)的動應(yīng)力峰峰值則由55 MPa將至30 MPa，而開機(jī)時間僅增加了20 s，由原來的120 s增加為140 s，效果較為明顯。

4 結(jié)束語

從機(jī)組的運(yùn)行時間統(tǒng)計(jì)和動應(yīng)力測試分析可以看出，機(jī)組運(yùn)行在部分負(fù)荷，也就是低負(fù)荷的時間較多，水輪機(jī)在空載和部分負(fù)荷下的動態(tài)應(yīng)力都比正常運(yùn)行工況要大很多，特別是200 MW以下運(yùn)行和原來調(diào)試器不良的開機(jī)規(guī)律，這都進(jìn)一步加劇和影響了轉(zhuǎn)輪裂紋萌生的時間和擴(kuò)展速度。在運(yùn)行工況和鑄造缺陷無法更改的情況下，通過調(diào)速器開機(jī)規(guī)律，可以有效減少轉(zhuǎn)輪裂紋，延長轉(zhuǎn)輪壽命。

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