大型水輪發(fā)電機剪斷銷剪斷及處置措施研究

劉江紅，王東澤，夏遠洋，王 奎，梅沈鋒

(雅礱江流域水電開發(fā)有限公司錦屏水力發(fā)電廠，四川 西昌 615000)

水輪機剪斷銷作為水機導(dǎo)水機構(gòu)的保護常發(fā)生剪斷，導(dǎo)致主機缺陷和故障，減少機組可利用小時數(shù)，直接影響機組正常運行。水輪機剪斷銷剪斷的頻繁發(fā)生，對機組安全穩(wěn)定運行構(gòu)成了威脅。

1996-07-23日，福建謨武水電廠[1]2號機組(15 MW)在增負(fù)荷時，機組、廠房劇烈振動，同時負(fù)荷在2～10 MW之間波動，造成2號機組全部16根剪斷銷剪斷；全部導(dǎo)葉開、關(guān)限位裝置均被打斷，導(dǎo)葉拐臂嵌入座環(huán)后錐體端面；導(dǎo)葉進、出水邊由于導(dǎo)葉間相互碰撞均有不同程度的變形等嚴(yán)重后果。

1997-01-14日，江西界牌水電廠1號機在機組帶100%負(fù)荷甩負(fù)荷時，突然導(dǎo)水機構(gòu)上半部的剪斷銷已全部斷裂，連桿及導(dǎo)葉拐臂雜亂無章地擺動，導(dǎo)致無法進行正常的停機操作, 機組在緊急停機過程中共劇烈振動了大約6 min。

2006-01-20日及3月7日，云南熊家溝電站[2]2號機組(9 MW)運行2個月及1號機組(9 MW)運行半年后，均出現(xiàn)剪斷銷的非正常剪斷現(xiàn)象，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉端面間隙過小，部分導(dǎo)葉下端面間隙為0。

2006年2月，貴州烏江渡發(fā)電廠2號機(250 MW)在運行中水導(dǎo)瓦瓦溫異常升高，機組不能持續(xù)高負(fù)荷運行，測量機組水導(dǎo)振擺度較大；檢查2號機導(dǎo)葉立面間隙時發(fā)現(xiàn)14～15號導(dǎo)葉、15～16號導(dǎo)葉立面間隙與其他導(dǎo)葉相比偏差較大。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)14、15、16號導(dǎo)葉的剪斷銷已被剪斷，但由于導(dǎo)葉的剪斷銷信號器未安裝到位，因此“剪斷銷剪斷信號”并未發(fā)出。同年6月6日2號機運行中有幾塊水導(dǎo)瓦溫異常升高，且都在同一側(cè)。檢查發(fā)現(xiàn)2號機9、21號導(dǎo)葉剪斷銷均已被剪斷，遂對9、21號導(dǎo)葉剪斷銷進行更換。更換后2號機水導(dǎo)瓦溫恢復(fù)正常。自2007年至2008年2年間貴州烏江渡發(fā)電廠3臺機組共發(fā)生水輪機剪斷銷剪斷19次，其中開機剪斷9次、運行中剪斷10次, 且無一次為導(dǎo)葉被異物卡住而剪斷[3]。

2008-10-03日，遼寧湯河電廠1號機組(3.2 MW)開機試驗。當(dāng)投入發(fā)電機的控制回路和直流回路保護時，控制臺上出現(xiàn)了水輪機事故信號，同時剪斷銷信號報出，使得機組不能開機并網(wǎng)。

2012年6～9月，四川深溪溝水電站4臺機組(165 MW)部分水輪機導(dǎo)葉剪斷銷均呈現(xiàn)不同程度的上爬現(xiàn)象[4]，上爬高度達10 mm左右，上爬剪斷銷主要集中在調(diào)速器推拉桿與控制環(huán)連接處附近。

2014-07-12日至2014-12-20日，1、2號貴州沙阡水電站水輪發(fā)電機組(25 MW)剪斷銷在開停機過程中共剪斷14次，其中1號機剪斷6次，2號機剪斷8次。

隨著水輪機組容量的不斷提升，機組的安全穩(wěn)定運行顯得越來越重要。大型水輪機剪斷銷剪斷是水電廠較為嚴(yán)重的故障之一，其設(shè)計目的是當(dāng)導(dǎo)葉間有異物卡住時保護導(dǎo)水機構(gòu)及水輪機[5]。當(dāng)剪斷銷被剪斷后，需壓力鋼管及尾水管排水后進入水輪機內(nèi)部進行處理，這將花費大量的時間和人力，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。因此，分析大型水輪發(fā)電機的剪斷銷剪斷的真實原因及事故應(yīng)急處置顯得尤為重要。

1 剪斷銷的作用

1.1 剪斷銷的作用

隨著中國水電事業(yè)的不斷發(fā)展，大型水電站已成為水電發(fā)展的趨勢[6]。而大型水輪機的結(jié)構(gòu)也日趨完善，作為保護裝置的剪斷銷，其作用不言而喻。

大型水輪機的導(dǎo)水機構(gòu)是水輪機的核心組成部分，包含頂蓋、底環(huán)、導(dǎo)葉、導(dǎo)葉臂、連桿、控制環(huán)和接力器等部件組成。導(dǎo)水機構(gòu)常用的安全裝置是剪斷銷。剪斷銷作為水輪機的主要保護之一，是水輪機安全穩(wěn)定運行的重要保證措施。

目前常用的導(dǎo)葉傳動機構(gòu)主要分為：連接板式傳動機構(gòu)、叉頭傳動機構(gòu)和耳柄傳動機構(gòu)。為闡述剪斷銷工作原理，選取一種進行說明。

剪斷銷保護裝置通常由剪斷銷及其信號器組成。剪斷銷的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其中部做成薄弱的斷面。正常情況下，導(dǎo)葉在動作過程中，剪斷銷有足夠強度帶動導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動。當(dāng)關(guān)小(或閉)導(dǎo)葉時，若有異物卡在導(dǎo)葉之間，導(dǎo)葉軸和導(dǎo)葉臂將無法轉(zhuǎn)動，所需操作力矩急劇增加，當(dāng)操作力增大到正常應(yīng)力的1.5倍時，剪斷銷被剪斷，被卡住的導(dǎo)葉失去控制，而其他導(dǎo)葉繼續(xù)向關(guān)閉方向運動，以起到避免事故擴大的作用。剪斷銷的中心孔內(nèi)裝有信號裝置，當(dāng)剪斷銷被剪斷時，該裝置將通過監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出信號。

圖1 一種剪斷銷的結(jié)構(gòu)示意圖

剪斷銷的作用類似于電氣回路中“保險”。如導(dǎo)葉出現(xiàn)問題無法開啟或關(guān)閉時，為避免對接力器造成進一步的傷害，“保險”剪斷銷會因受到過大剪切力被“剪斷”。同時剪斷銷剪斷后，使剪斷銷信號器的常開觸點閉合，發(fā)出報警信號以便運行人員現(xiàn)場檢查并處置。

1.2 剪斷銷剪斷后的現(xiàn)象特征

水輪機剪斷銷在運行中發(fā)生剪斷，是為了防止因?qū)~被異物卡住等原因造成導(dǎo)水機構(gòu)無法關(guān)閉而損壞，通過剪斷銷的剪斷，使故障導(dǎo)葉脫離控制，其他導(dǎo)葉仍可正常轉(zhuǎn)動，有效保護水輪機及其導(dǎo)水機構(gòu)。剪斷銷剪斷后主要有以下特征及現(xiàn)象：

1)在發(fā)電機組正常運行中，水輪機剪斷銷剪斷后，由于各活動導(dǎo)葉之間的開度不一致，且被剪斷的導(dǎo)葉可能由于脫離導(dǎo)水機構(gòu)的控制而失控，水輪機受到的水流沖擊不均衡，使得水輪機葉片受到的不平衡力、水流紊亂造成空蝕作用加?。?/p>

2)水輪機擺度、振動及壓力脈動嚴(yán)重超標(biāo)[7]，水輪發(fā)電機組導(dǎo)軸承及承重軸承也因此受到很大影響，造成軸承嚴(yán)重摩擦，損傷瓦面，軸承溫度可能短時間內(nèi)迅速上升，甚至燒瓦；

3)對于水頭較高的水電站或者導(dǎo)葉摩擦裝置[8]失效時，失去控制的導(dǎo)葉可能擺動，進而進入水輪機的流量也會隨之發(fā)生變化，因此可能會造成機組有功波動；

4)剪斷銷剪斷的數(shù)量越多，損害程度越大，對機組安全穩(wěn)定運行的威脅也越大。

2 剪斷銷被剪斷的原因分析

剪斷銷剪斷的原因較多，在導(dǎo)水機構(gòu)的各個環(huán)節(jié)均可能導(dǎo)致剪斷銷剪斷故障，有些是誤報、拒報，有些與產(chǎn)品設(shè)計和質(zhì)量有關(guān)，有些與設(shè)備運行工況有關(guān)，還有些與設(shè)備的安裝和維護保養(yǎng)有關(guān)。結(jié)合國內(nèi)某些大型水電站的運維工作，研究分析了其中的原因[9-10]。

2.1 信號誤報

剪斷銷信號器用于水輪機導(dǎo)葉的剪斷銷剪斷時的發(fā)信號元件，為剪斷銷信號裝置提供信號報警，一般采用陶瓷材料、或脆型聚苯己烯材料制成，常閉型居多，一般內(nèi)阻小于0.02 Ω，環(huán)境溫度要求0～45℃、環(huán)境濕度不大于80%，裝置各部分的允許溫升不超過60K陶器瓷材料，使用時一般將每個導(dǎo)葉剪斷銷剪斷信號線送至剪斷銷信號裝置。

由于信號器安裝在水車室內(nèi)，環(huán)境潮濕，極易使信號器連接處受潮，接觸電阻變大，當(dāng)以上回路電阻大于剪斷銷信號裝置整定的上限值時發(fā)出報警信號造成誤報。剪斷銷信號線由于安裝及運行過程中破損等原因造成接地或者絕緣降低等缺陷也會造成誤報。

根據(jù)不完全調(diào)查，由于信號誤報在剪斷銷報警故障中約占90%。因此加強剪斷銷信號器及信號回路維護保養(yǎng)工作是防止誤報的重要基礎(chǔ)。

2.2 剪斷銷本身質(zhì)量缺陷

由于剪斷銷在運行過程中需要承受拐臂與導(dǎo)葉軸之間的較大傳遞力矩。機組在頻繁調(diào)整負(fù)荷或者一次調(diào)頻頻繁動作時，會導(dǎo)致剪斷銷疲勞損傷。機組停機時，為了防止導(dǎo)葉間漏水和導(dǎo)葉誤動，當(dāng)接力器全關(guān)導(dǎo)葉之后，還要繼續(xù)關(guān)閉一段行程，使導(dǎo)葉關(guān)閉后有2～3 mm的壓緊量，即導(dǎo)葉壓緊行程，導(dǎo)致剪斷銷一直受力。

當(dāng)剪斷銷本身質(zhì)量有缺陷或者設(shè)計強度不夠時，可能會由于疲勞損傷而剪斷。隨著材料科學(xué)的不斷進步，剪斷銷裝置質(zhì)量問題已經(jīng)基本解決，但各電站在調(diào)試時應(yīng)將壓緊行程調(diào)整好。

2.3 設(shè)計安裝原因

在水輪發(fā)電機組從設(shè)計到安裝調(diào)試[11]，再到最后的投入商業(yè)運營過程中，其安裝是重要的環(huán)節(jié)，也是容易發(fā)生先期隱患的重要時期。對于剪斷銷，安裝階段容易造成剪斷銷問題的因素主要包括：

1)導(dǎo)葉連桿安裝時傾斜度較大，造成持續(xù)受力。如果導(dǎo)葉的3個軸套與導(dǎo)葉軸頸間存在超標(biāo)的間隙，導(dǎo)葉受力后會發(fā)生傾斜，致使導(dǎo)葉大頭下端與底環(huán)的間隙變小，由此產(chǎn)生不同程度的拉傷、卡死現(xiàn)象。

2)調(diào)速器控制環(huán)安裝不水平，造成抗磨環(huán)磨損?？刂骗h(huán)的圓周運動由4～8 組抗磨塊進行限位，每組分別由側(cè)面限位導(dǎo)向抗磨塊和底部支撐抗磨塊各一塊組成，抗磨塊為金屬自潤滑材料。側(cè)抗磨塊與配合滑動副間隙超標(biāo)時，控制環(huán)在轉(zhuǎn)動過程中會出現(xiàn)水平竄動現(xiàn)象，導(dǎo)致剪斷銷受力不均，出現(xiàn)剪斷。

3)導(dǎo)葉上下端面間隙不合格及上、中、下軸套軸線調(diào)整不到位，產(chǎn)生憋勁或卡澀。頂蓋、底環(huán)同鏜導(dǎo)葉孔時同心度超差，導(dǎo)葉中軸頸和下軸頸加工時同軸度超差以及圓跳動超差，都會導(dǎo)致導(dǎo)葉中軸頸和下軸頸出現(xiàn)偏心。使得機組運行中導(dǎo)葉受力產(chǎn)生非水平分力，導(dǎo)致剪斷銷憋勁；此外，由于偏心超差，部分導(dǎo)葉與軸套局部位置間隙有所減小，增加了導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動時的摩擦力矩，使得剪斷銷頻繁剪斷。

4)接力器水平值超差。電站安裝時，由于安裝偏差，兩接力器后端蓋法蘭傾斜，水平超差，使得控制環(huán)大耳孔受力不水平，運行時控制環(huán)容易產(chǎn)生跳動。剪斷銷會在控制環(huán)動作時由于受力不均勻、不水平而被剪斷。

5)導(dǎo)葉端面間隙調(diào)整不合格(上端間隙與下端間隙相差過大)。導(dǎo)葉的端面間隙值，無論是在廠內(nèi)預(yù)裝和工地安裝時，都是一項重要工作。如果端面間隙調(diào)整得好，導(dǎo)葉容易打開、關(guān)閉，并且漏水量少；反之，如果導(dǎo)葉端面間隙過小，導(dǎo)葉端面容易在與頂蓋、底環(huán)過流面處產(chǎn)生摩擦、拉傷，致使機組運行中導(dǎo)葉出現(xiàn)卡阻和摩阻，從而加大剪斷銷所受的剪切力，導(dǎo)致剪斷銷剪斷。

6)對使用尼龍軸承套的導(dǎo)葉，在運行中因尼龍軸套吸水膨脹與導(dǎo)葉軸頸“抱死”；水輪機導(dǎo)水機構(gòu)機械設(shè)計不合理等情況，都可能最終導(dǎo)致剪斷銷剪斷。

隨著國內(nèi)水電站運行經(jīng)驗的不斷積累以及設(shè)計水平的不斷提高，水輪機及導(dǎo)水機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計水平已比較成熟，安裝調(diào)試技術(shù)水平也有了很大的提高。新投運水電站一般不再存在這種問題，但對于比較老的電站和小水電依然存在相關(guān)問題。

2.4 剪斷銷過力矩剪斷

當(dāng)電站進水口裝設(shè)的攔污柵不滿足相關(guān)設(shè)計要求或存在破損等情況時，可能造成較大的漂浮物進入蝸殼及導(dǎo)葉之間卡住。當(dāng)調(diào)速器需要調(diào)整導(dǎo)葉開度時就很可能造成剪短銷過力矩而剪斷。據(jù)調(diào)查這種情況出現(xiàn)的概率僅為2%，但一旦發(fā)生其后果將很嚴(yán)重。

當(dāng)水電站所在流域泥沙含量較大或者發(fā)生泥石流等地質(zhì)災(zāi)害等情況時，雖然進水口設(shè)置有攔污柵，但大量小雜質(zhì)仍會源源不斷進入引水隧洞，最終進入水輪機內(nèi)，當(dāng)大量雜質(zhì)聚積在水輪機蝸殼內(nèi)導(dǎo)水機構(gòu)的上下端軸時，就會造成導(dǎo)葉卡澀，給機組的開停機帶來較大的安全隱患，甚至使剪斷銷剪斷。

除此之外，機組運行工況影響、缺乏維護保養(yǎng)等都是剪斷銷剪斷的重要原因，甚至有些時候可能發(fā)生剪斷銷實際剪斷，但剪斷銷報警器信號拒報。

總體而言，導(dǎo)致導(dǎo)水機構(gòu)剪斷銷剪斷的原因有設(shè)計、制造方面的，也有安裝調(diào)試方面的。但總的說來，為防止機組導(dǎo)水機構(gòu)剪斷銷經(jīng)常剪斷，在制造、電站安裝過程中加強質(zhì)量監(jiān)督，保證制造、安裝質(zhì)量是問題的關(guān)鍵。

3 剪斷銷剪斷時應(yīng)急處置分析

3.1 剪斷銷報警時無其他異常報警

當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出水輪機剪斷銷剪斷信號時，監(jiān)控系統(tǒng)無振動、擺度報警，且現(xiàn)場檢查機組聲音、尾水管內(nèi)水力狀況無明顯異常，其原因應(yīng)該系信號回路或剪斷銷信號器元件損壞導(dǎo)致。

此時應(yīng)固定機組負(fù)荷(將調(diào)速器控制方式切至現(xiàn)地/手動方式，并退出該機組一次調(diào)頻功能)，通知檢修人員逐個檢查剪斷銷信號器及信號回路，查出故障點并將其修復(fù)或者更換。處理完成后，若有備用機組，可申請調(diào)度機構(gòu)倒換機組，將機組停機后全面檢查處理。

3.2 剪斷銷報警時振動擺度有明顯異常

若現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)機組各部振動、擺度等指標(biāo)有所上升，但不危及機組安全運行時，這種情況說明剪斷銷確已剪斷，且各導(dǎo)葉之間的開度不一致，但水流狀況不是很惡劣。此時應(yīng)現(xiàn)場調(diào)整導(dǎo)葉開度使各導(dǎo)葉開度一致(確?？梢匀〕霰患魯嗟募魯噤N裝置)，并使水輪機不在振動區(qū)后保持當(dāng)前開度不變。通知檢修人員現(xiàn)場更換被剪斷的剪斷銷裝置。更換剪斷銷裝置后可適當(dāng)調(diào)整機組負(fù)荷，若調(diào)整正常，則擇機申請調(diào)度停機，對導(dǎo)水機構(gòu)進行全面檢查處理。若更換剪斷銷裝置后，動作導(dǎo)葉時剪斷銷再次剪斷則應(yīng)盡快申請停機處理。

3.3 剪斷銷報警時振動擺度嚴(yán)重超標(biāo)

當(dāng)現(xiàn)場檢查機組振動和擺度嚴(yán)重超標(biāo)時需緊急事故停機，防止事故擴大。此時由于導(dǎo)葉剪斷銷剪斷后，調(diào)速器無法控制被剪斷的導(dǎo)葉，導(dǎo)葉無法全關(guān)，因此安全穩(wěn)定的將機組停機，其過程中的操作風(fēng)險和技術(shù)分析也較復(fù)雜，運行人員在緊急停機過程中稍有不慎，很容易造成發(fā)電機組轉(zhuǎn)動部件損壞甚至壓力管道變形[12]。

若電站設(shè)置進水口快速閘門，且壓力鋼管對排水速度沒有特別要求，可采取直接快速落進水口閘門，同時密切監(jiān)視機組有功處理，在機組出力接近零時，將機組解列。機組解列后啟動機組空轉(zhuǎn)至停機流程，將機組停機。

若電站設(shè)置進水口快速閘門，但壓力鋼管對排水速度有明確要求[13]。應(yīng)全關(guān)調(diào)速器接力器后，根據(jù)導(dǎo)葉間漏水情況再做處理。若在全關(guān)接力器過程中，機組有功接近零，應(yīng)立即將機組解列。解列后緩慢關(guān)閉進水口閘門，使進水口進水量與導(dǎo)葉間漏水量之差剛好滿足壓力鋼管排水速率要求時停止關(guān)閉進水口閘門，隨著壓力鋼管內(nèi)積水減少后再逐步關(guān)閉進水口閘門，最終實現(xiàn)安全停機。若全關(guān)導(dǎo)葉后機組有功仍然大于零時，則在緩慢關(guān)閉進水口閘門過程中擇機將機組解列，防止機組過速。此種情況絕對不能直接快速關(guān)閉進水口閘門至全關(guān)，這樣壓力鋼管有可能出現(xiàn)拉空而導(dǎo)致混泥土塌方嚴(yán)重事故。

若電站不僅設(shè)置進水口閘門，座環(huán)與活動導(dǎo)葉之間還安裝有圓筒閥，且圓筒閥具備動水關(guān)閉的功能時，可直接啟動緊急關(guān)閉圓筒閥，并啟動緊急停機流程，將機組停機，大大縮短事故處置時間。若圓筒閥不具備事故關(guān)閉的功能，僅作為機組停機時減少導(dǎo)葉間漏水而設(shè)置時，可參考前面所述未安裝圓筒閥的處置方法。

4 結(jié)論及建議

在大型水輪發(fā)電機組投產(chǎn)前，需要確保水輪機導(dǎo)水機構(gòu)設(shè)計科學(xué)合理，便于維護。若發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時與設(shè)計單位溝通，更改設(shè)計。安裝階段應(yīng)確保安裝質(zhì)量，特別是控制環(huán)、拐臂、連接板、導(dǎo)葉摩擦裝置、導(dǎo)葉限位塊等必須滿足相關(guān)要求。在調(diào)試階段要嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)程規(guī)范，實驗數(shù)據(jù)必須合格。盡量避免由于設(shè)計安裝及調(diào)試原因造成剪斷銷剪斷。

確保水輪機及其輔助設(shè)備的日常檢修維護工作質(zhì)量，及時消除水輪機剪斷銷信號回路等缺陷，避免誤報。做好進水口攔污柵定期維護及清理等工作，將剪斷銷剪斷的可能性降到最低。同時結(jié)合所在電站的引水發(fā)電系統(tǒng)的特殊性，做好在遇到多根剪斷銷剪斷突發(fā)事故處置時的運行及操作風(fēng)險分析，定期進行事故預(yù)想和現(xiàn)場實戰(zhàn)演練[14]。當(dāng)事故發(fā)生時要做到判斷準(zhǔn)確和操作得當(dāng)，特別是對壓力鋼管排水速度或筒閥事故關(guān)閉有特殊要求者要特別注意，防止事故擴大。

目前，國內(nèi)多數(shù)大型水電站正在推進“無人值班、少人值守”值班模式[15]。但大多數(shù)水電站未針對剪斷銷剪斷事故而設(shè)置專門的事故停機流程。隨著自動化元件可靠性和監(jiān)控系統(tǒng)信號處理能力的不斷提高，建議有條件的電站可以考慮當(dāng)2個及以上剪斷銷剪斷且機組振動擺度嚴(yán)重超標(biāo)時，啟動適合該電站引水系統(tǒng)要求的特定的緊急停機流程。這樣不僅可以防止無人值班電站事故處理不及時，還可以避免事故時運行人員手動參與機組停機時操作不當(dāng)而導(dǎo)致事故擴大。