水輪發(fā)電機(jī)組導(dǎo)葉操作拒動(dòng)故障分析與處理

周 伍，王茂海，王慶書，吳定平

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水輪發(fā)電機(jī)組導(dǎo)葉操作拒動(dòng)故障分析與處理

周 伍，王茂海，王慶書，吳定平

（葛洲壩水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443002）

為了解決機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的導(dǎo)葉開(kāi)啟拒動(dòng)故障，經(jīng)反復(fù)檢查、分析，排除了調(diào)速系統(tǒng)故障、導(dǎo)葉端面摩擦等原因，通過(guò)在線應(yīng)力試驗(yàn)確定了導(dǎo)葉中軸套摩擦阻力過(guò)大，最終進(jìn)行針對(duì)性故障處理，恢復(fù)了導(dǎo)葉操作靈活性，驗(yàn)證了中軸套吸水膨脹導(dǎo)致導(dǎo)葉拒動(dòng)的推斷。本文重點(diǎn)介紹導(dǎo)葉拒動(dòng)故障的原因分析過(guò)程與針對(duì)性的處理措施。

水輪發(fā)電機(jī)組；導(dǎo)葉拒動(dòng)；軸套；膨脹；應(yīng)力試驗(yàn)

0 前言

葛洲壩電站共裝有21臺(tái)大型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)規(guī)模2715MW（170×2+125×19）。自2012年開(kāi)始，葛洲壩電站開(kāi)始大規(guī)模機(jī)組改造增容工作，原125MW機(jī)組增容至150MW，預(yù)計(jì)在2020年左右完成。

葛洲壩電站15號(hào)、20號(hào)機(jī)組制造廠家為國(guó)內(nèi)某廠，均于2013年進(jìn)行了水輪機(jī)改造增容，轉(zhuǎn)輪型號(hào)為ZZD673-LH-1020（改造前為ZZ500-LH-1020），設(shè)計(jì)水頭18.6m，工作水頭范圍9.1~27.0m，額定轉(zhuǎn)速62.5r/min。調(diào)速器為能事達(dá)公司W(wǎng)BST-150-4.0型產(chǎn)品，采用步進(jìn)電機(jī)+主配壓閥的結(jié)構(gòu)形式，主配直徑150mm，系統(tǒng)額定油壓4.0MPa，是帶機(jī)械位移反饋的二級(jí)調(diào)速系統(tǒng)[1]。

1 導(dǎo)葉拒動(dòng)故障現(xiàn)象

2016年5月，葛洲壩電站15號(hào)、20號(hào)機(jī)組頻發(fā)調(diào)速器故障，只能單方向減小導(dǎo)葉開(kāi)度，無(wú)法增大導(dǎo)葉開(kāi)度，導(dǎo)致負(fù)荷無(wú)法增加。統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表1。

表1 15號(hào)、20號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)啟拒動(dòng)情況統(tǒng)計(jì)

5月17日15號(hào)機(jī)組故障初發(fā)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)調(diào)速器導(dǎo)葉側(cè)步進(jìn)電機(jī)絲桿已與回復(fù)杠桿脫開(kāi)，導(dǎo)葉側(cè)主配閥芯處于極限開(kāi)啟位置，導(dǎo)葉接力器開(kāi)關(guān)腔壓差達(dá)到4.0MPa，且與壓油罐壓力波動(dòng)趨勢(shì)一致，但導(dǎo)葉無(wú)法正常開(kāi)啟，只能緩慢蠕動(dòng)。輪葉側(cè)調(diào)速器工作正常。相關(guān)曲線情況如圖1。其余故障現(xiàn)象均與此次類似。

2 故障原因分析

2.1 初步檢查

5月17日，導(dǎo)葉開(kāi)啟拒動(dòng)故障發(fā)生后，對(duì)15號(hào)機(jī)組調(diào)速器進(jìn)行了全面檢查。檢查發(fā)現(xiàn)，故障發(fā)生時(shí)調(diào)速柜內(nèi)導(dǎo)葉側(cè)步進(jìn)電機(jī)、回復(fù)杠桿、引導(dǎo)閥等部件工作正常，主配壓閥保持在極限開(kāi)啟位置，接力器開(kāi)、關(guān)腔壓差達(dá)4.0MPa；控制環(huán)無(wú)異響及異動(dòng)現(xiàn)象，抗磨板、導(dǎo)軌無(wú)異常剮蹭現(xiàn)象；過(guò)速系統(tǒng)、分段關(guān)閉裝置等部位均無(wú)異常。

綜合15號(hào)、20號(hào)機(jī)組的一致故障現(xiàn)象，特點(diǎn)有：

（1）導(dǎo)葉側(cè)調(diào)速器的電調(diào)部分、中接以及主配壓閥等正常動(dòng)作，完成了向接力器配油的工作；

（2）導(dǎo)葉接力器開(kāi)關(guān)腔形成4.0MPa的持續(xù)壓差，但接力器動(dòng)作異常緩慢，導(dǎo)葉開(kāi)啟拒動(dòng)；

此外，導(dǎo)葉在關(guān)閉過(guò)程中接力器關(guān)腔與開(kāi)啟壓差也在2.0MPa左右，壓差水平較高，但能夠正常操作導(dǎo)葉。導(dǎo)葉開(kāi)啟與關(guān)閉過(guò)程接力器壓差不一致與水流對(duì)導(dǎo)葉的助關(guān)作用力有關(guān)。

故分析認(rèn)為故障過(guò)程中調(diào)速器整體工作正常，液壓動(dòng)力成功傳遞至接力器處，導(dǎo)葉開(kāi)啟拒動(dòng)的根本原因是導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)阻力異常增大。異常的阻力可能存在于接力器、控制環(huán)以及導(dǎo)葉裝配等三個(gè)部位[2,3]。

2.2 應(yīng)力試驗(yàn)

為了準(zhǔn)確定位存在異常阻力的部位，6月初進(jìn)行了故障機(jī)組15號(hào)機(jī)組與正常機(jī)組14號(hào)機(jī)組的對(duì)比應(yīng)力試驗(yàn)。

兩臺(tái)機(jī)均在停機(jī)備用工況下安裝應(yīng)力測(cè)試片，然后開(kāi)機(jī)至滿負(fù)荷運(yùn)行。試驗(yàn)主要工況點(diǎn)為82%（當(dāng)時(shí)水頭最大出力開(kāi)度）→75%→80%→70%→75%→ 65%→70%→60%→82%→60%（當(dāng)時(shí)水頭穩(wěn)定區(qū)域最小開(kāi)度），共計(jì)9個(gè)開(kāi)關(guān)導(dǎo)葉過(guò)渡過(guò)程。試驗(yàn)全程記錄了開(kāi)關(guān)導(dǎo)葉過(guò)程中32個(gè)導(dǎo)葉連桿與4個(gè)接力器推拉桿的應(yīng)力變化[4,5]。

表2 15號(hào)機(jī)組試驗(yàn)過(guò)程中接力器應(yīng)力統(tǒng)計(jì)表

表3 14號(hào)、15號(hào)機(jī)組連桿、推拉桿合力統(tǒng)計(jì)表

試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示開(kāi)關(guān)導(dǎo)葉過(guò)程中：

（1）15號(hào)機(jī)組在各工況下四個(gè)接力器推拉桿受力基本一致（最大偏差10%~15%），接力器推拉桿合力是14號(hào)機(jī)組的4.4倍，測(cè)值與開(kāi)關(guān)腔壓差絕對(duì)值相對(duì)應(yīng)，表明接力器開(kāi)關(guān)腔壓差全部轉(zhuǎn)化為推拉桿力量，無(wú)內(nèi)部異常阻力；

（2）15號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉連桿合力是14號(hào)機(jī)組的2.8倍，是導(dǎo)致接力器壓差過(guò)大的主要原因；

（3）15號(hào)機(jī)組控制環(huán)摩擦力較大，造成同樣結(jié)構(gòu)的導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)條件下，力量輸出輸入比僅為40.5%（14號(hào)機(jī)組為62.9%），是導(dǎo)致接力器壓差過(guò)大的次要原因。

通過(guò)對(duì)比應(yīng)力試驗(yàn)的定量分析，可以確認(rèn)異常阻力主要發(fā)生在導(dǎo)葉裝配處。

2.3 蝸殼排水檢查

為了進(jìn)一步確定導(dǎo)葉裝配異常阻力的具體位置，6月中旬對(duì)15號(hào)機(jī)進(jìn)行了蝸殼排水檢查。

活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)度約為60%狀態(tài)下，檢查活動(dòng)導(dǎo)葉上下端面間隙以及下方底環(huán)狀態(tài)：

（1）15號(hào)機(jī)組各活動(dòng)導(dǎo)葉間隙偏差較大，與大修后數(shù)據(jù)對(duì)比，上端面間隙無(wú)增大現(xiàn)象，表明導(dǎo)葉無(wú)下沉現(xiàn)象。

（2）檢查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)15號(hào)機(jī)組部分活動(dòng)導(dǎo)葉下方底環(huán)的環(huán)氧涂層局部有刮痕，但在60%~100%開(kāi)度下環(huán)氧涂層基本全部脫落，不影響該開(kāi)度下導(dǎo)葉正常動(dòng)作。

檢查結(jié)果表明導(dǎo)葉上下端面無(wú)產(chǎn)生異常阻力的現(xiàn)象。結(jié)合2013年15號(hào)機(jī)改造增容期間的檢修情況，活動(dòng)導(dǎo)葉的三個(gè)軸套中，下軸套無(wú)明顯磨損未更換，中軸套全部更換，且軸套材質(zhì)由尼龍1010更換為MC納米尼龍[6,7]，上軸套與導(dǎo)葉軸領(lǐng)有5mm設(shè)計(jì)間隙，故分析認(rèn)為是因中軸套全部更換且變更材質(zhì)后，在運(yùn)行過(guò)程中尼龍遇水發(fā)脹，導(dǎo)致摩擦力異常增大，引發(fā)導(dǎo)葉操作拒動(dòng)[8,9]。

此外，對(duì)15號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉實(shí)際操作力進(jìn)行測(cè)量（將拐臂連桿銷拔出，用葫蘆拉動(dòng)活動(dòng)導(dǎo)葉，葫蘆上掛電子秤用于測(cè)量導(dǎo)葉動(dòng)作的拉力），結(jié)果再次確認(rèn)了導(dǎo)葉裝配阻力異常增大的情況真實(shí)存在，且與應(yīng)力試驗(yàn)測(cè)試值存在良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 故障發(fā)展趨勢(shì)

確認(rèn)導(dǎo)葉中軸套膨脹、導(dǎo)致導(dǎo)葉操作拒動(dòng)的故障原因后，結(jié)合當(dāng)時(shí)導(dǎo)葉操作時(shí)接力器開(kāi)關(guān)腔油壓狀態(tài)，認(rèn)為導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)接力器壓差為2.0MPa左右，異常狀態(tài)下能夠順利停機(jī)，機(jī)組運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)可控。由于當(dāng)時(shí)正值汛期，機(jī)組繼續(xù)維持運(yùn)行，并每日監(jiān)控機(jī)組狀態(tài)。

3.1 故障發(fā)生初期（修后~2016年5月）

2016年5月，15號(hào)機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)啟拒動(dòng)故障發(fā)生后，向前追溯其導(dǎo)葉接力器開(kāi)關(guān)腔壓力，統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)表4。

表4 故障前接力器開(kāi)啟過(guò)程開(kāi)關(guān)腔壓差統(tǒng)計(jì)表

表中數(shù)據(jù)顯示修前接力器壓差正常，修后2014年2月開(kāi)始，接力器壓差逐漸由2MPa升至3.5MPa。此階段導(dǎo)葉開(kāi)關(guān)動(dòng)作正常，但接力器壓差較大，應(yīng)與中軸套持續(xù)膨脹有關(guān)。至5月底，開(kāi)始間或出現(xiàn)接力器壓差達(dá)到系統(tǒng)額定壓力4.0MPa，導(dǎo)葉仍無(wú)法正常操作的故障。期間導(dǎo)葉關(guān)閉過(guò)程接力器壓差約2.0MPa。

故障初期，導(dǎo)葉開(kāi)啟操作時(shí)卡阻現(xiàn)象偶有出現(xiàn)。采取如下應(yīng)對(duì)措施：

（1）退出該機(jī)組AGC；

（2）每天在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)導(dǎo)葉卡澀機(jī)組手動(dòng)調(diào)整負(fù)荷，調(diào)整幅度在20~30MW，控制機(jī)組運(yùn)行工況不進(jìn)入振動(dòng)區(qū)，觀察機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)、關(guān)動(dòng)作情況。

（3）當(dāng)機(jī)組導(dǎo)葉中接脫開(kāi)時(shí)，將調(diào)速器導(dǎo)葉切手動(dòng)，將中接關(guān)回，再將油壓打至4.0MPa，監(jiān)視導(dǎo)葉主接動(dòng)作情況，并記錄導(dǎo)葉接力器開(kāi)、關(guān)腔壓力，當(dāng)主接跟隨中接后切自動(dòng)運(yùn)行。

圖2 15號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)啟過(guò)程壓差變化趨勢(shì)圖

3.2 故障發(fā)生中期（2016年6 ~7月）

隨著時(shí)間推移，導(dǎo)葉開(kāi)啟拒動(dòng)的次數(shù)及持續(xù)時(shí)間明顯增加。6月份，導(dǎo)葉開(kāi)啟拒動(dòng)主要發(fā)生在高水頭工況下，低水頭工況下導(dǎo)葉開(kāi)啟正常。7月以來(lái)，拒動(dòng)現(xiàn)象幾乎每天出現(xiàn)，且水頭降低時(shí)亦無(wú)改善。導(dǎo)葉關(guān)閉過(guò)程中接力器壓差也由2.0MPa攀升至3.0MPa。

6月份，15號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)啟時(shí)接力器壓差有隨水頭波動(dòng)的現(xiàn)象，是由于在當(dāng)前開(kāi)度（60%~80%）下，水壓力對(duì)導(dǎo)葉起助關(guān)作用，水頭越高，助關(guān)力量越大，導(dǎo)葉開(kāi)啟越困難，反之亦然。而進(jìn)入7月中下旬，中軸套膨脹量進(jìn)一步增大，導(dǎo)葉調(diào)節(jié)拒動(dòng)現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，水頭變化已無(wú)法改變拒動(dòng)現(xiàn)象。

故障中期，導(dǎo)葉開(kāi)啟操作卡阻現(xiàn)象頻率增加。采取如下應(yīng)對(duì)措施：

（1）將壓油泵啟停油壓從3.7/4.0MPa調(diào)整至3.8/4.1MPa，壓油泵出口安全閥始排值由4.05MPa調(diào)整至4.25MPa，壓力氣罐空氣安全閥始排值維持4.4MPa。

（2）加工專用擋塊，與100t液壓千斤頂一起放至水車室備用，以便關(guān)機(jī)卡阻時(shí)安裝在控制環(huán)與支持蓋的限位塊之間，幫助關(guān)閉導(dǎo)葉。

3.3 故障發(fā)生后期（2016年8月）

7月底，15號(hào)機(jī)組首次出現(xiàn)導(dǎo)葉關(guān)閉拒動(dòng)現(xiàn)象，接力器壓差達(dá)3.94MPa，持續(xù)時(shí)間約3min（參考同期同類型14號(hào)機(jī)組機(jī)組最大壓差1.17MPa、21號(hào)機(jī)組最大壓差1.14MPa）。

圖3 15F首次導(dǎo)葉關(guān)閉拒動(dòng)曲線圖

同時(shí)，進(jìn)入8月份，15號(hào)機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中多次出現(xiàn)剪斷銷剪斷故障，檢查發(fā)現(xiàn)個(gè)別導(dǎo)葉套筒隨導(dǎo)葉動(dòng)作出現(xiàn)螺孔曠量位移，導(dǎo)致剪斷銷剪斷。

圖4 15號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉導(dǎo)葉套筒曠量位移圖

分析認(rèn)為因中軸套繼續(xù)膨脹，導(dǎo)致個(gè)別導(dǎo)葉軸與套筒抱死，拐臂驅(qū)動(dòng)導(dǎo)葉時(shí)帶動(dòng)套筒一起轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)位移最大為套筒螺孔的曠量約4mm，超過(guò)此曠量后套筒及拐臂無(wú)法繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，剪斷銷剪斷。

由于24個(gè)導(dǎo)葉中，已有3個(gè)導(dǎo)葉套筒發(fā)現(xiàn)有松動(dòng)跡象，隨時(shí)可能進(jìn)一步惡化，發(fā)生導(dǎo)葉與套筒抱死，大規(guī)模破壞剪斷銷的故障，故機(jī)組轉(zhuǎn)為定導(dǎo)葉開(kāi)度運(yùn)行，并申請(qǐng)停機(jī)檢修。

故障后期，導(dǎo)葉出現(xiàn)關(guān)閉操作時(shí)卡阻現(xiàn)象，剪斷銷剪斷，套筒移位。機(jī)組運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)不可控，停機(jī)緊急搶修。

圖5 15號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉軸套結(jié)構(gòu)圖

4 故障處理

由于故障頻發(fā)階段正值汛期機(jī)組滿發(fā)階段，而全面檢修需要工期長(zhǎng)，故按應(yīng)急搶修與全面檢修兩個(gè)階段處理。

4.1 應(yīng)急搶修

根據(jù)應(yīng)力試驗(yàn)測(cè)值，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在不拆解接力器供油管路的前提下，選取應(yīng)力測(cè)值最大的10個(gè)導(dǎo)葉，處理其中軸套。

拆解導(dǎo)葉連桿、拐臂，吊出導(dǎo)葉套筒后，檢查中軸套發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁有明顯摩擦痕跡，測(cè)量尺寸見(jiàn)表5。

表5 15號(hào)機(jī)組搶修抽檢導(dǎo)葉中軸套內(nèi)徑統(tǒng)計(jì)表

數(shù)據(jù)顯示，與15號(hào)機(jī)組機(jī)組2013~2014年A修時(shí)中軸套加工尺寸相比，中軸套膨脹后內(nèi)徑減小平均值0.72mm，最大達(dá)1.2mm。各軸套均存在過(guò)盈配合區(qū)域，無(wú)間隙。

搶修過(guò)程中，對(duì)于機(jī)組上投運(yùn)過(guò)的舊軸套，內(nèi)徑按照設(shè)計(jì)值Φ4000.60 0.40二次加工，更換的新MC尼龍軸套，內(nèi)徑按照Φ4000.80 0.60加工，均按上偏差控制[10-12]。

修后同樣進(jìn)行拉力測(cè)試，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉操作力均在1t以下，較修前與有大幅下降。

15號(hào)機(jī)組機(jī)組修后開(kāi)機(jī)，運(yùn)行過(guò)程中導(dǎo)葉調(diào)節(jié)過(guò)程無(wú)卡阻現(xiàn)象。與修前同工況下導(dǎo)葉開(kāi)啟、關(guān)閉過(guò)程中開(kāi)關(guān)腔壓力進(jìn)行對(duì)比，可以看出修后機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中導(dǎo)葉動(dòng)作時(shí)，開(kāi)、關(guān)腔壓差有明顯減小，具備安全運(yùn)行的條件。

開(kāi)啟過(guò)程，開(kāi)、關(guān)腔壓差下降值在0.39~ 0.82MPa之間；關(guān)閉過(guò)程，開(kāi)、關(guān)腔壓差下降值在0.35~ 0.80MPa之間。

表6 15號(hào)機(jī)組搶修前后導(dǎo)葉操作力測(cè)值對(duì)比

圖7 15號(hào)機(jī)組搶修前后導(dǎo)葉關(guān)閉過(guò)程壓差對(duì)比圖

4.2 全面檢修

安全度汛后，15號(hào)機(jī)組進(jìn)行了全面的導(dǎo)葉中軸套檢修處理。除了搶修已處理的中軸套，其余全部拆解檢修，中軸套處理方法與搶修一致。修后15號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)關(guān)過(guò)程中，接力器壓差均下降至正常水平，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)良好。

表7 15號(hào)機(jī)組檢修后導(dǎo)葉開(kāi)關(guān)壓差統(tǒng)計(jì)表

5 結(jié)語(yǔ)

由于采用MC納米尼龍?zhí)鎿Q尼龍1010材質(zhì)的軸套時(shí)，沒(méi)有意識(shí)到MC尼龍遇水膨脹性能的不同[13-15]，精加工時(shí)沿用舊的尺寸標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)組投運(yùn)后兩年時(shí)間內(nèi)，中軸套吸水膨脹，導(dǎo)致導(dǎo)葉操作阻力逐漸增大，最終引發(fā)導(dǎo)葉操作拒動(dòng)的故障。

故障發(fā)生后，通過(guò)各種檢查、對(duì)比分析，尤其通過(guò)在線應(yīng)力測(cè)試，定量分析，確定了故障原因。在故障不同階段，提出了針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的安全度汛，并最終通過(guò)重新加工中軸套尺寸，消除了故障。

這一事件中導(dǎo)葉拒動(dòng)故障的發(fā)展趨勢(shì)，檢查、分析方法，應(yīng)對(duì)措施，以及后期的處理方案，對(duì)于水電站處理此類軸套膨脹導(dǎo)致操作阻力增大的故障，具有很好的借鑒意義。

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Fault Analysis and Treatment of the Hydraulic Generator's Guide Vane Operation Rejection

ZHOU Wu, WANG Maohai, WANG Qingshu, WU Dingping

(Gezhouba Hydropower Station, Yichang 443002, China)

In order to treat the rejection fault of guide vane duringoperation, faults of governing system or end-face friction of guide vane were eliminated after repeated examination and analysis. On-line stress testing was carried out to ascertain that the bushing friction between guide vane and shaft sleeve was excessive. Specific treatment was carried out to recover the agility of guide vane, and the deduction that the shaft sleeve expand because of water absorption result in guide vane operation rejection was proved. This paper focuses on the cause analysis and the coresponding measures taken to eliminate the fault.

hydraulic generator; guide vane operation rejection; shaft sleeve; expansion; stress testing

TM312

A

1000-3983(2018)06-0073-06

2018-06-20

周伍（1985-），2007年7月畢業(yè)于西安交通大學(xué)機(jī)械工程自動(dòng)化專業(yè)，現(xiàn)從事水輪發(fā)電機(jī)組檢修維護(hù)工作，工程師。

湖北省宜昌市西壩建設(shè)路1號(hào)郵編：443002

電話：0717-6953712 15871668795