龍開口水電站導(dǎo)水機(jī)構(gòu)關(guān)閉異常分析及處理

范道芝，李 珊，陳 華

（1.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明650214；2.昆明理工大學(xué)，云南 昆明650500）

0 概述

龍開口水電站是金沙江中游河段規(guī)劃的第六級(jí)電站，位于云南省大理州與麗江市交界的鶴慶縣龍開口鎮(zhèn)龍開口村河段上。電站裝設(shè)5臺(tái)單機(jī)容量為360 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1 800 MW，按無人值班（少人值守）設(shè)計(jì)，以500 kV電壓等級(jí)接入電力系統(tǒng)，在系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用。水輪機(jī)[1]及其附屬設(shè)備由哈爾濱電機(jī)廠有限公司生產(chǎn)制造。

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)[2]是水輪機(jī)關(guān)鍵部件之一，運(yùn)行中存在異常將直接影響機(jī)組安全運(yùn)行，其主要作用是：根據(jù)電力系統(tǒng)負(fù)荷的變化，調(diào)節(jié)水輪機(jī)的水流量，以適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)機(jī)組出力的要求；形成和改變進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的水流環(huán)量[3]，以滿足不同比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)對(duì)進(jìn)入轉(zhuǎn)輪前的水流環(huán)量的要求，對(duì)進(jìn)入蝸殼的水能資源進(jìn)行科學(xué)分配，使之高效平穩(wěn)地沖擊水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，實(shí)現(xiàn)水能至機(jī)械能的轉(zhuǎn)換。龍開口水電站水輪機(jī)為立軸混流式，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)葉和導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。

1 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)設(shè)備主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

龍開口水電站水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)主要由導(dǎo)葉和導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)[4]組成，導(dǎo)葉從全開到接近空載位置范圍內(nèi)具有水力矩自關(guān)閉特性[5]。導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括拐臂、雙連板、控制環(huán)、推拉桿及接力器等部件組成。導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)都有足夠的強(qiáng)度及剛度，可承受加于其上的最大荷載；有相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相互接觸的部件為自潤(rùn)滑軸承；采用偏心銷結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)微調(diào)導(dǎo)葉位置，通過鎖板可靠地鎖定導(dǎo)葉位置并保證在運(yùn)行中不發(fā)生變化，以確保導(dǎo)葉在關(guān)閉位置時(shí)相鄰導(dǎo)葉緊密接觸。整個(gè)導(dǎo)葉的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)便于檢查、調(diào)整和修理。

水輪機(jī)設(shè)置2個(gè)φ800 mm油壓操作的直缸接力器，通過導(dǎo)葉傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來操作導(dǎo)葉。接力器設(shè)計(jì)成在關(guān)閉方向有少量的過行程[6]，用以對(duì)關(guān)閉的導(dǎo)葉施加壓緊力，接力器的油壓由調(diào)速系統(tǒng)的油壓裝置供給，其額定操作油壓為6.3 MPa。

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配圖如圖1所示。

2 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)運(yùn)行中關(guān)閉異常情況

龍開口電站水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)設(shè)備在制造廠內(nèi)已進(jìn)行預(yù)裝，投運(yùn)初期整體運(yùn)行情況良好。但隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，投運(yùn)1年后機(jī)組出現(xiàn)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)關(guān)閉異常情況，尤其3號(hào)機(jī)組甚至出現(xiàn)了無法正常停機(jī)情況，3號(hào)機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)異常情況主要如下：

（1）停機(jī)狀態(tài)下水輪機(jī)室噪聲增大。停機(jī)后，在水輪機(jī)室監(jiān)測(cè)噪聲，3號(hào)機(jī)組噪聲較其他機(jī)組停機(jī)工況大約5～10 dB，可以初步判斷為導(dǎo)葉漏水量增大。

圖1 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)裝配圖

（2）機(jī)組停機(jī)時(shí)間延長(zhǎng)，甚至無法正常停機(jī)[7]。龍開口電站機(jī)組正常停機(jī)時(shí)從額定轉(zhuǎn)速（83.3 r/min）降至零的時(shí)間約為300 s，降至10%額定轉(zhuǎn)速時(shí)自動(dòng)投機(jī)械制動(dòng)；但3號(hào)機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)出現(xiàn)關(guān)閉異常情況后，300 s內(nèi)機(jī)組轉(zhuǎn)速未降至15%額定轉(zhuǎn)速，因超時(shí)自動(dòng)停機(jī)流程退出，現(xiàn)場(chǎng)采取現(xiàn)地手動(dòng)投入機(jī)械制動(dòng)方式才將機(jī)組停機(jī)。

（3）停機(jī)后接力器液壓鎖定裝置[8]無法正常投入。龍開口電站水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)共設(shè)置有2臺(tái)接力器，其中在水輪機(jī)室內(nèi)左岸側(cè)布置為帶液壓鎖定裝置的接力器，右岸側(cè)布置為帶手動(dòng)鎖定裝置的接力器；帶液壓鎖定裝置接力器的鎖定塊與活塞桿設(shè)計(jì)間隙為1.5 mm，3號(hào)機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)出現(xiàn)關(guān)閉異常情況后，出現(xiàn)了停機(jī)時(shí)帶液壓鎖定裝置的接力器液壓鎖定塊落在活塞桿上情況，液壓鎖定裝置無法正常投入。

（4）停機(jī)后導(dǎo)葉開度值顯示有增大趨勢(shì)。3號(hào)機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)出現(xiàn)關(guān)閉異常情況后，從監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)顯示的停機(jī)后導(dǎo)葉開度情況看，導(dǎo)葉開度變化由0.5%逐漸增加到了1.42%，有明顯增大趨勢(shì)。

3 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)關(guān)閉異常分析及處理

3.1 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)關(guān)閉異常分析

3.1.1 接力器活塞桿伸出值檢查及分析情況

機(jī)組全關(guān)時(shí)接力器（液壓鎖定）活塞桿前端伸出設(shè)計(jì)值為1 023 mm，接力器（手動(dòng)鎖定）活塞桿前端頭伸出設(shè)計(jì)值為75 mm。在機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下，檢查3號(hào)機(jī)接力器（手動(dòng)鎖定）活塞桿前端伸出值約76 mm，與其他機(jī)組狀態(tài)一致，各臺(tái)機(jī)組停機(jī)后活塞桿測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示；接力器（液壓鎖定）活塞桿前端伸出值約1 010 mm，活塞桿后端伸出值約125 mm，活塞桿前端伸出值較其他機(jī)組少約10 mm，活塞桿后端伸出量較其他機(jī)組多約7 mm。綜合分析確定接力器（手動(dòng)鎖定）已全關(guān)到位，接力器（液壓鎖定）存在全關(guān)不到位的情況。

表1 各臺(tái)機(jī)組停機(jī)后活塞桿測(cè)量數(shù)據(jù) 單位：mm

3.1.2 接力器活塞桿、M190螺母及接頭等部件檢查及分析情況

（1）接力器（手動(dòng)鎖定）活塞桿上靠M190螺母及接頭側(cè)有約1～2圈的螺紋明顯存在油跡（安裝時(shí)螺紋處涂的二硫化鉬等）；M190螺母止動(dòng)墊片與接頭接觸處的油漆有脫離現(xiàn)象，0.05 mm塞尺檢查無間隙，M190螺母、止動(dòng)墊片與接頭進(jìn)行了鎖定，未發(fā)生周向轉(zhuǎn)動(dòng)。接力器（手動(dòng)鎖定）活塞桿上螺紋油跡如圖2所示，其中M190螺母止動(dòng)墊片與接頭進(jìn)行了鎖定，未發(fā)生周向轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖2 接力器（手動(dòng)鎖定）活塞桿上螺紋油跡

（2）接力器（液壓鎖定）活塞桿上靠M190螺母及接頭側(cè)有約0～1圈的螺紋明顯存在油跡；M190螺母止動(dòng)墊片與接頭接觸處的油漆有脫離現(xiàn)象，0.05 mm塞尺檢查無間隙。

（3）接力器活塞桿接頭上M24內(nèi)六角錐端緊定螺釘未滿足圖紙安裝深度要求，未擰入活塞桿內(nèi)部，緊定螺釘孔設(shè)計(jì)要求工地調(diào)好壓緊行程后，與活塞桿同鉆并攻絲，拆開后檢查可見活塞桿上的螺紋，該M24內(nèi)六角錐端緊定螺釘未起到限位作用。導(dǎo)致該情況的原因主要是接力器基礎(chǔ)板埋件安裝時(shí)可能存在偏差，最終導(dǎo)致該內(nèi)六角錐端緊定螺釘位于了接力器活塞桿螺紋部分，結(jié)合實(shí)際情況不推薦同鉆并攻絲，避免后期壓緊行程調(diào)整時(shí)螺紋咬死。

綜合分析以上情況，接力器活塞桿均可能發(fā)生了周向轉(zhuǎn)動(dòng)；M190螺母、止動(dòng)墊片與接頭進(jìn)行了鎖定未發(fā)生周向轉(zhuǎn)動(dòng)。

3.1.3 控制環(huán)上連桿銷等部件檢查及分析情況

停機(jī)狀態(tài)下，檢查3號(hào)機(jī)組接力器連接板與控制環(huán)連接的連桿銷間隙狀況，2個(gè)連桿銷均下游側(cè)存在間隙、上游側(cè)無間隙；同時(shí)，停機(jī)狀態(tài)下檢查4號(hào)機(jī)組接力器（液壓鎖定）側(cè)控制環(huán)上連桿銷下游側(cè)存在間隙、上游側(cè)無間隙，接力器（手動(dòng)鎖定）側(cè)控制環(huán)上連桿銷下游側(cè)無間隙、上游側(cè)存在間隙。

綜合分析以上情況，停機(jī)狀態(tài)下，靠接力器（手動(dòng)鎖定）側(cè)的控制環(huán)上連桿銷應(yīng)受接力器拉力，連桿銷下游側(cè)無間隙、上游側(cè)存在間隙為正常狀態(tài)，從間隙分布情況看3號(hào)機(jī)組該連桿銷受力狀態(tài)剛好相反，說明接力器（手動(dòng)鎖定）側(cè)活塞桿可能發(fā)生了周向轉(zhuǎn)動(dòng)。2個(gè)接力器全關(guān)時(shí)最后部分行程存在不同步情況，接力器（手動(dòng)鎖定）活塞接觸后端蓋后，接力器（液壓鎖定）仍剩余部分行程未全關(guān)到位，繼續(xù)推動(dòng)控制環(huán)，導(dǎo)致靠接力器（手動(dòng)鎖定）側(cè)的控制環(huán)上連桿銷受力狀態(tài)變化 。

3.1.4 停機(jī)狀態(tài)導(dǎo)葉開度值檢查及分析情況

機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下，測(cè)量監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)3號(hào)機(jī)導(dǎo)葉開度反饋值呈逐漸增大趨勢(shì)，近半年內(nèi)上位機(jī)導(dǎo)葉開度變化歷史趨勢(shì)部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示，位移傳感器安裝在接力器（手動(dòng)鎖定）側(cè)如圖3所示。如接力器（手動(dòng)鎖定）活塞桿逐漸發(fā)生周向轉(zhuǎn)動(dòng)，也可能導(dǎo)致導(dǎo)葉開度反饋值呈逐漸增大趨勢(shì)，符合該現(xiàn)象。

表2 3號(hào)機(jī)組停機(jī)時(shí)導(dǎo)葉開度變化歷史趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)

圖3 接力器位移傳感器安裝在接力器（手動(dòng)鎖定）側(cè)

3.1.5 其他部件檢查及分析情況

機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下，檢查3號(hào)調(diào)速系統(tǒng)油泵啟動(dòng)間隔時(shí)間均在50 min以上，與歷史數(shù)據(jù)對(duì)比未發(fā)生異常情況，初步確認(rèn)接力器內(nèi)部未發(fā)生明顯內(nèi)泄情況。控制環(huán)的部件具有足夠的強(qiáng)度和剛度，當(dāng)一個(gè)接力器閉鎖而控制環(huán)承受到另一個(gè)接力器的不平衡力時(shí)，控制環(huán)能夠承受該不平衡力；另現(xiàn)場(chǎng)已組織對(duì)接力器、控制環(huán)及拐臂等導(dǎo)水機(jī)構(gòu)部件進(jìn)行了檢查，并未發(fā)現(xiàn)異常情況。

3.2 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)關(guān)閉異常處理

從前面分析情況總體來看，導(dǎo)致3號(hào)機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)關(guān)閉異常主要原因?yàn)闄C(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行過程中接力器活塞桿發(fā)生了周向轉(zhuǎn)動(dòng)。為了防止機(jī)組運(yùn)行中接力器活塞桿發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，主要采取以下措施：

（1）檢查并調(diào)整接力器壓緊行程[9]。機(jī)組停機(jī)后，關(guān)閉機(jī)組進(jìn)水口事故閘門，并對(duì)壓力鋼管進(jìn)行排水，檢查并調(diào)整壓緊行程。接力器全關(guān)狀態(tài)下，此時(shí)關(guān)閉腔壓力6.3 MPa，撤除接力器油壓，測(cè)量活塞返回距離的行程值，測(cè)得3號(hào)機(jī)組接力器（手動(dòng)鎖定）側(cè)壓緊行程為0 mm，接力器（液壓鎖定）10 mm，兩接力器活塞行程偏差[10]遠(yuǎn)大于規(guī)范要求的小于1 mm；且龍開口電站接力器壓緊行程設(shè)計(jì)為9～18 mm，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量值不滿足要求，正是由于接力器活塞桿發(fā)生了周向轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致壓緊行程發(fā)生變化?，F(xiàn)場(chǎng)采取旋轉(zhuǎn)連接螺母的角度方式重新調(diào)整了壓緊行程，計(jì)算公式如下：

式中α為連接螺母的旋轉(zhuǎn)角度（°）；H為連接螺母螺距（mm）；Δδ為調(diào)整壓緊行程值（mm）。

經(jīng)壓緊行程調(diào)整后，兩接力器壓緊行程滿足設(shè)計(jì)為9～18 mm，且偏差不大于1 mm。

（2）采取措施增加接力器M190螺母預(yù)緊力。因設(shè)計(jì)螺母預(yù)緊力為4 664.4 kN，正常采用呆扳手進(jìn)行緊固很難達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)緊力要求，且無法正常測(cè)量預(yù)緊力，臨時(shí)采取增加加力桿等措施進(jìn)行緊固僅為臨時(shí)措施。后期結(jié)合機(jī)組檢修將M190螺母更換為超級(jí)螺母，采購(gòu)超級(jí)螺母代替現(xiàn)有的六角螺母進(jìn)行活塞桿緊固，防止活塞桿發(fā)生周向轉(zhuǎn)動(dòng)。

超級(jí)螺母的工作原理是采用螺母和螺栓之間的摩擦力進(jìn)行自鎖的。超級(jí)螺母工作過程就是：當(dāng)旋緊頂絲時(shí)，產(chǎn)生的推力直接作用于硬質(zhì)墊片。對(duì)頂絲施加相對(duì)較小的扭矩即可得到高的推力。采用手動(dòng)置位后，預(yù)緊載荷由螺母本體傳導(dǎo)。硬質(zhì)墊片用于傳遞預(yù)緊載荷，同時(shí)保護(hù)螺母本體及法蘭面。由頂絲產(chǎn)生的推力和螺栓頭部的反作用力使法蘭緊密連接。因此，我們只需要在頂絲上實(shí)施較小的預(yù)緊力就可以在螺母上得到較大的力矩。只需要一把力矩扳手即可達(dá)到需要的力矩。超級(jí)螺母在接力器活塞桿鎖緊中的應(yīng)用如圖4所示。

圖4 超級(jí)螺母在接力器活塞桿鎖緊中的應(yīng)用

4 結(jié)語(yǔ)

目前，龍開口水電站水輪機(jī)導(dǎo)水結(jié)構(gòu)關(guān)閉異常情況已處理完成，接力器活塞桿發(fā)生周向轉(zhuǎn)動(dòng)問題已采用檢查并調(diào)整接力器壓緊行程、增加接力器M190螺母預(yù)緊力等方式解決，更換的M190超級(jí)螺母預(yù)緊力滿足要求，現(xiàn)場(chǎng)緊固、調(diào)整簡(jiǎn)便，運(yùn)行正常，未再發(fā)生活塞桿周向轉(zhuǎn)動(dòng)情況。建議接力器設(shè)計(jì)階段時(shí)應(yīng)充分考慮防止活塞桿周向轉(zhuǎn)動(dòng)問題，推薦采用超級(jí)螺母等緊固方式，如采用緊定螺釘與活塞桿同鉆并攻絲等方式，應(yīng)避免與活塞桿螺紋部分同鉆，以免后期檢修壓緊行程調(diào)整過程中發(fā)生螺紋咬死等情況，希望上述導(dǎo)水機(jī)構(gòu)關(guān)閉異常分析方法及處理措施等能對(duì)其他類似機(jī)組的設(shè)計(jì)、安裝及運(yùn)行起到一定的借鑒作用。