水泵水輪機(jī)控制環(huán)竄動(dòng)原因分析及處理

李永紅，朱海峰，趙 浩，祁亞靜，胡立昂，陳 超

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050300）

水泵水輪機(jī)控制環(huán)竄動(dòng)原因分析及處理

李永紅，朱海峰，趙 浩，祁亞靜，胡立昂，陳 超

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050300）

主要是結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際分析水泵水輪機(jī)控制環(huán)在工作中出現(xiàn)竄動(dòng)的原因，在不需要對(duì)設(shè)備解體的情況下找到問(wèn)題所在并及時(shí)處理。

水泵水輪機(jī)；控制環(huán)；竄動(dòng)；導(dǎo)葉接力器

1 電廠概況

張河灣抽水蓄能電站位于河北省石家莊市井陘縣測(cè)魚鎮(zhèn)附近的甘陶河干流上，距石家莊市公路里程77 km。該電站總裝機(jī)容量為1 000 MW，安裝4臺(tái)單機(jī)容量250 MW的單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)組。電站額定水頭305 m，電站綜合效率系數(shù)為0.76。電站建成后接入冀南電網(wǎng)，在系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相及事故備用任務(wù)。

2 4號(hào)機(jī)組水泵水輪機(jī)控制環(huán)竄動(dòng)現(xiàn)象

在4號(hào)機(jī)組停機(jī)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間比正常關(guān)閉時(shí)間長(zhǎng)50 s左右，隨即對(duì)其進(jìn)行處理分析，即在靜水情況下開(kāi)啟關(guān)閉導(dǎo)葉，開(kāi)啟過(guò)程正常，當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉至3%左右開(kāi)度時(shí)，水車室控制環(huán)附近能聽(tīng)到間隔的較大的沉悶的金屬撞擊聲和強(qiáng)烈的振動(dòng)感，控制環(huán)沿轉(zhuǎn)動(dòng)的方向出現(xiàn)3 mm至6 mm不等的竄動(dòng)。由于聲波在金屬中傳播很快，故無(wú)法判斷聲源和振動(dòng)源。

3 水泵水輪機(jī)控制環(huán)竄動(dòng)分析及試驗(yàn)結(jié)論

從上述現(xiàn)象可以初步確定其原因：一是控制環(huán)自身或連接機(jī)構(gòu)存在問(wèn)題，二是接力器本體存在問(wèn)題。

3.1 對(duì)控制環(huán)自身及其連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析試驗(yàn)

（1）控制環(huán)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

4號(hào)機(jī)組控制環(huán)是安裝在頂蓋表面的“L”型支承板上，支承板在圓周方向均勻分布著8塊，支承板與控制環(huán)的接觸面安裝有潤(rùn)滑板，安裝在支承板上的壓板限制控制環(huán)軸向位移。20個(gè)導(dǎo)葉通過(guò)連桿與控制環(huán)相連，控制環(huán)通過(guò)上下連扳、圓柱銷與接力器相連（見(jiàn)圖1）。

控制環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的受力：1）自身重力；2）導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的反作用力；3）周向的摩擦力；4）接力器的作用力；5）L型支承板的作用力；6）壓板的作用力等。

圖1 控制環(huán)與頂蓋剖面圖

（2）檢查控制環(huán)及其相關(guān)連接部件外觀

首先對(duì)控制環(huán)與支承板、壓板之間的接觸面進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)明顯的磨損、碰撞、凹凸不平的痕跡；其次對(duì)控制環(huán)與連桿的連接部位、活動(dòng)導(dǎo)葉與連桿連接部位、活動(dòng)導(dǎo)葉本體等結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查，也未發(fā)現(xiàn)任何的磨損、卡澀等現(xiàn)象；然后對(duì)控制環(huán)與接力器之間的連接機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查，也未發(fā)現(xiàn)任何異?，F(xiàn)象。

（3）測(cè)量控制環(huán)與壓板、支承板之間的間隙值及其軸向、徑向位移

對(duì)4號(hào)機(jī)靜水開(kāi)啟、關(guān)閉導(dǎo)葉，用塞尺測(cè)量不同開(kāi)度下控制環(huán)與壓板，支承板之間的上、下端面及立面的間隙變化數(shù)據(jù)。并通過(guò)在軸向+X、+Y、-X、-Y，徑向+X、+Y方向架設(shè)百分表對(duì)控制環(huán)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。分別在不同開(kāi)度（0，1%，2%，3%，5%，10%，5%，3%，2%，1%，0）情況下讀取軸向和徑向百分表數(shù)據(jù)，測(cè)量過(guò)程中發(fā)現(xiàn)軸向和徑向百分表瞬間變化幅度較大，當(dāng)開(kāi)度不變后數(shù)據(jù)也會(huì)趨于穩(wěn)定，在開(kāi)啟方向開(kāi)度大于3%左右后數(shù)據(jù)基本不變，關(guān)閉方向開(kāi)度小于3%左右后數(shù)據(jù)變化明顯。上、下端面及立面的間隙數(shù)據(jù)變化雖然較大，但是所測(cè)量數(shù)據(jù)都滿足安裝工藝要求的數(shù)值。

（4）測(cè)量接力器推拉桿的水平度

我廠接力器從投產(chǎn)以來(lái)從未對(duì)接力器進(jìn)行解體檢修，故懷疑長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致水平度不滿足要求。經(jīng)過(guò)檢查發(fā)現(xiàn)兩個(gè)接力器的推拉桿水平度滿足要求。

（5）結(jié)論

從以上檢查和測(cè)量結(jié)果分析，可以得出產(chǎn)生控制環(huán)竄動(dòng)的直接原因不是控制環(huán)發(fā)生機(jī)械卡澀。

3.2 對(duì)接力器本體結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查分析

通過(guò)以上的試驗(yàn)及測(cè)量結(jié)果得出的結(jié)論分析，可以初步確定是接力器本體存在問(wèn)題，下一步將從接力器的操作油回路和結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析試驗(yàn)。

（1）接力器簡(jiǎn)介

接力器由法國(guó)阿爾斯通公司提供，每臺(tái)機(jī)組配備2臺(tái)直缸式接力器，均安裝于上游機(jī)坑里襯上。接力器工作油壓為6.4 MPa，行程為420 mm。左接力器配備一套液壓自動(dòng)鎖定裝置，右接力器配備一套手動(dòng)鎖錠裝置。左接力器的開(kāi)啟腔和右接力器的關(guān)閉腔共用一路油管，左接力器的關(guān)閉腔和右接力器的開(kāi)啟腔共用另一路油管，兩路油管既可供油，又可排油。每臺(tái)接力器都配備一套調(diào)速節(jié)流裝置，左接力器的調(diào)速節(jié)流裝置安裝于開(kāi)啟腔側(cè)，右接力器的調(diào)速節(jié)流裝置安裝于關(guān)閉腔側(cè)，當(dāng)導(dǎo)葉接近關(guān)閉時(shí)，它能減慢接力器的動(dòng)作速度。調(diào)速節(jié)流裝置可以從接力器外部進(jìn)行調(diào)節(jié)控制關(guān)閉速度（見(jiàn)圖2）。

圖2 接力器與控制環(huán)示意圖

（2）接力器的操作油回路檢查

當(dāng)兩接力器的操作油壓不一致時(shí)會(huì)使接力器出現(xiàn)不同步動(dòng)作，這樣控制環(huán)就會(huì)出現(xiàn)竄動(dòng)和異常聲響。為了驗(yàn)證兩個(gè)接力器開(kāi)啟腔、關(guān)閉腔的壓力是否正常，首先我們分別在兩接力器的開(kāi)啟腔和關(guān)閉腔外接4個(gè)相同的壓力表；其次在靜水狀態(tài)下開(kāi)啟導(dǎo)葉至全開(kāi)，發(fā)現(xiàn)左接力器關(guān)閉腔（或開(kāi)啟腔）與右接力器開(kāi)啟腔（或關(guān)閉腔）的兩塊壓力表變化基本一致；最后關(guān)閉導(dǎo)葉至全關(guān)，在關(guān)閉過(guò)程中壓力表變化基本一致，當(dāng)出現(xiàn)控制環(huán)竄動(dòng)和異響的同時(shí)左接力器開(kāi)啟腔與右接力器關(guān)閉腔的壓力表發(fā)生異常變化，即左接力器開(kāi)啟腔的壓力降為0 MPa，右接力器關(guān)閉腔的壓力會(huì)增大到11 MPa，并且會(huì)隨著控制環(huán)的竄動(dòng)而波動(dòng)。

以上試驗(yàn)可以說(shuō)明在關(guān)閉最后階段左、右接力器的受力明顯不等，由于左接力器開(kāi)啟腔和右接力器關(guān)閉腔此時(shí)都在排油，這就不難得出右接力器關(guān)閉腔增大到11 MPa是由于其排油不暢造成的，故可以初步判定是右接力器存在問(wèn)題。

（3）確定右接力器存在問(wèn)題

為了進(jìn)一步確定是右接力器的原因，把控制環(huán)與右接力器連接的連扳解開(kāi)，然后用左接力器去推拉控制環(huán)，發(fā)現(xiàn)控制環(huán)未發(fā)生竄動(dòng)和異響?？梢钥隙刂骗h(huán)的異響是由于右接力器存在問(wèn)題造成的。

（4）右接力器問(wèn)題查找

結(jié)合上面試驗(yàn)和右接力器結(jié)構(gòu)分析，唯一可能導(dǎo)致右接力器關(guān)閉腔最后階段排油不暢的原因是調(diào)速節(jié)流裝置油路堵塞。

通過(guò)對(duì)右接力器結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3）的進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)調(diào)速節(jié)流裝置的功能是通過(guò)調(diào)節(jié)錐形螺桿改變截面積來(lái)實(shí)現(xiàn)的，接力器活塞與缸壁之間的密封不斷摩擦?xí)a(chǎn)生粉末，粉末隨著油流流過(guò)節(jié)流裝置時(shí)就會(huì)容易堵塞，久而久之會(huì)形成大量的油泥直至堵塞節(jié)流處。

圖3 右接力器結(jié)構(gòu)示意圖

4 解決措施及驗(yàn)證

經(jīng)過(guò)多次對(duì)調(diào)節(jié)螺栓的調(diào)整，增大節(jié)流橫截面，調(diào)整完畢后進(jìn)行導(dǎo)葉靜水開(kāi)啟關(guān)閉試驗(yàn)，并對(duì)左、右接力器的開(kāi)啟腔和關(guān)閉腔壓力進(jìn)行觀察，直至接力器在關(guān)閉時(shí)控制環(huán)無(wú)竄動(dòng)和異響，然后對(duì)接力器的工作性能進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)。

4.1 逐步變化負(fù)載

負(fù)載分別是：150 MW，200 MW，250 MW，240 MW，190 MW，140 MW，100 MW，90 MW。

圖4 左、右接力器開(kāi)啟腔壓強(qiáng)

圖5 左、右接力器關(guān)閉腔壓強(qiáng)

圖6 左、右接力器行程

從圖4～圖6可以得出：兩個(gè)開(kāi)啟腔壓力基本一致，兩個(gè)關(guān)閉腔壓力基本一致。

4.2 連續(xù)變化負(fù)載

機(jī)組啟動(dòng)到額定速度空載工況，然后連續(xù)的緩慢的把功率從空載慢慢加到滿載，再減少到空載，并關(guān)閉機(jī)組。

（1）連續(xù)升負(fù)荷從90 MW到250 MW；

（2）連續(xù)降低負(fù)荷從250 MW到150 MW然后正常關(guān)機(jī)。

從圖7～圖11可以得出：除了完全關(guān)閉前的一個(gè)階段，兩個(gè)開(kāi)啟腔壓力基本一致，兩個(gè)關(guān)閉腔壓力基本一致。

圖7 左、右接力器腔壓強(qiáng)

圖8 左、右接力器行程

圖9 左、右接力器開(kāi)啟腔壓強(qiáng)

圖10 左、右接力器關(guān)閉腔壓強(qiáng)

圖11 左、右接力器行程

4.3 驗(yàn)證結(jié)果

對(duì)于左、右接力器的開(kāi)啟腔壓力，不一致僅發(fā)生在完全關(guān)閉之前，這是由于左邊接力器有調(diào)速節(jié)流裝置的原因，是正常的并與設(shè)計(jì)一致；對(duì)于左、右接力器的關(guān)閉腔壓力，不一致發(fā)生在100%開(kāi)度，機(jī)組在實(shí)際帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)達(dá)不到這種開(kāi)度，從帶負(fù)荷試驗(yàn)中，我們也可以看出兩個(gè)接力器是一致的。所以接力器工作性能滿足運(yùn)行要求。

5 結(jié)語(yǔ)

目前絕大多數(shù)抽水蓄能電站所用的導(dǎo)葉接力器都大同小異，每個(gè)接力器上都會(huì)有與我廠相同原理的調(diào)速節(jié)流裝置，這就有可能出現(xiàn)與我廠類似的問(wèn)題，而且由于正常停機(jī)過(guò)程中關(guān)閉導(dǎo)葉時(shí)間很短，又有噪聲影響，即使接力器存在同樣的問(wèn)題也不易發(fā)現(xiàn)，我廠出現(xiàn)的問(wèn)題為同類電站敲響了警鐘。為了避免對(duì)設(shè)備造成損壞，產(chǎn)生不必要的經(jīng)濟(jì)損失，需要在今后的檢修工作中對(duì)接力器進(jìn)行解體，清理缸體內(nèi)的雜質(zhì)，并且也要對(duì)調(diào)速節(jié)流裝置和油路進(jìn)行沖洗，這樣才能保證機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

TV734

B

1672-5387（2016）12-0060-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.12.022

2016-08-29

李永紅（1986-），男，助理工程師，從事抽水蓄能電站運(yùn)維管理工作。