水輪機(jī)輪葉主配抽動(dòng)問題分析

王峻峰 劉振東 孫洪武

（四川大唐國際甘孜水電開發(fā)有限公司，四川甘孜626001）

0 引言

某電站以發(fā)電為主，兼具防洪功能，裝機(jī)容量3×28 MW，采用軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組。水輪機(jī)型號為ZZ560Q-LH-510；發(fā)電機(jī)型號為SF28-52/7300，額定功率28 MW，額度電壓10.5 kV，額定電流1 811.3 A，額定轉(zhuǎn)速115.4 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速275 r/min，額定水頭16.3 m，吸出高度-4.71 m，額定流量205 m3/s。該電站2006年首臺機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。

1 水輪機(jī)輪葉主配抽動(dòng)故障現(xiàn)象

在水輪機(jī)的運(yùn)行過程中，由于設(shè)備設(shè)計(jì)缺陷或者受運(yùn)行環(huán)境中一些因素的影響，水輪機(jī)可能會(huì)出現(xiàn)抽動(dòng)故障。這一故障不僅會(huì)對設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性造成影響，同時(shí)也會(huì)對水輪機(jī)運(yùn)行造成損害，縮短設(shè)備的運(yùn)行壽命。因此，需要水輪機(jī)管理人員做好水輪機(jī)抽動(dòng)故障的處理工作，保證水輪機(jī)的運(yùn)行性能。

該電站自2016年對1～3號機(jī)組調(diào)速器進(jìn)行改造后，一直存在輪葉主配壓閥頻繁抽動(dòng)的問題，其中1號機(jī)組抽動(dòng)現(xiàn)象較為嚴(yán)重，2號機(jī)組和3號機(jī)組有輕微抽動(dòng)現(xiàn)象，不影響機(jī)組正常運(yùn)行，經(jīng)原廠家遠(yuǎn)程指導(dǎo)和現(xiàn)場維修均未能消除該現(xiàn)象。該缺陷會(huì)導(dǎo)致主配壓閥磨損加劇、間隙加大、滲漏量加大、油泵頻繁啟動(dòng)以及輪葉授油器頻繁抽動(dòng)造成的內(nèi)部間隙增大等問題，嚴(yán)重影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。2019年7月25日，現(xiàn)場技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)，1號機(jī)組調(diào)速器槳葉主配壓閥出現(xiàn)自復(fù)中故障，復(fù)中彈簧出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，只能通過施加外力讓槳葉主配壓閥回到中間位置，影響了機(jī)組的自動(dòng)控制。

2 水輪機(jī)輪葉主配抽動(dòng)故障分析

根據(jù)調(diào)速器的工作原理和調(diào)節(jié)方式，可以將調(diào)速器抽動(dòng)分為以下幾種：（1）測頻單元故障。當(dāng)測頻單元測量的機(jī)組或系統(tǒng)頻率有故障時(shí)，調(diào)速器會(huì)根據(jù)測得的超出死區(qū)的頻差不停動(dòng)作，時(shí)開時(shí)關(guān)，造成嚴(yán)重抽動(dòng)。（2）導(dǎo)葉反饋傳感器故障。當(dāng)導(dǎo)葉傳感器測得數(shù)據(jù)不穩(wěn)定時(shí)，勢必會(huì)引起調(diào)速器不停調(diào)節(jié)，造成抽動(dòng)。（3）功率變送器引起的抽動(dòng)。此類故障較好判斷，將調(diào)速器由功率模式切為開度模式，如果抽動(dòng)消失，檢查功率測量單元及測量回路。（4）主配壓閥閥芯位移傳感器故障或零位設(shè)置不合適造成的抽動(dòng)。（5）一次調(diào)頻和二次調(diào)頻之間沖突引起的抽動(dòng)。（6）調(diào)速器隨動(dòng)系統(tǒng)死區(qū)補(bǔ)償過大，造成過調(diào)或欠調(diào)，導(dǎo)致監(jiān)控不停發(fā)出增減負(fù)荷命令，導(dǎo)致調(diào)速器抽動(dòng)。（7）機(jī)械部分主配壓閥無法恢復(fù)到零位，導(dǎo)致負(fù)荷超出死區(qū)，往返控制造成調(diào)速器抽動(dòng)。

該電站于2006年首臺機(jī)組投產(chǎn)，至今調(diào)速器機(jī)械部分一直未予檢查和大修，僅在2016年對調(diào)速器的電氣回路部分進(jìn)行了改造，改造后機(jī)組調(diào)速器出現(xiàn)抽動(dòng)現(xiàn)象，初步懷疑與槳葉控制死區(qū)有關(guān)，即控制死區(qū)設(shè)置過小進(jìn)而出現(xiàn)抽動(dòng)現(xiàn)象。調(diào)節(jié)系統(tǒng)液壓部分傳遞函數(shù)框圖如圖1所示。

圖1 調(diào)節(jié)系統(tǒng)液壓部分傳遞函數(shù)框圖

隨后出現(xiàn)的自復(fù)中故障，初步判斷可能是由于復(fù)中彈簧長時(shí)間運(yùn)行，彈簧應(yīng)力失效或卡澀，導(dǎo)致自復(fù)中裝置出現(xiàn)卡阻現(xiàn)象，只能通過拆卸清洗或更換彈簧進(jìn)行復(fù)中。

經(jīng)實(shí)地踏勘，結(jié)合現(xiàn)場人員描述得到以下分析結(jié)果：

（1）輪葉切換至手動(dòng)時(shí)無漂移，說明輪葉操作機(jī)構(gòu)密封正常，無滲漏、無串腔；（2）輪葉切換至自動(dòng)時(shí)能跟隨目標(biāo)開啟或關(guān)閉，說明其電控部分正常；（3）輪葉主配壓閥呈周期性上下抽動(dòng)，與輪葉開度傳感器驅(qū)動(dòng)部分的現(xiàn)象一致。

現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)輪葉指針上下波動(dòng)幅度較大，現(xiàn)場檢查后發(fā)現(xiàn)機(jī)組輪葉指針波動(dòng)雖大，但輪葉主進(jìn)油管A和B的壓力表計(jì)均顯示壓力穩(wěn)定正常（分別為2 MPa和0 MPa），且無明顯變化。

輪葉主進(jìn)油管壓力穩(wěn)定，說明主配油路未打開，油路處于封閉狀態(tài)。檢查輪葉受油器，發(fā)現(xiàn)受油器浮動(dòng)瓦產(chǎn)生上下移動(dòng)進(jìn)而引起輪葉指針波動(dòng)，需待機(jī)組檢修時(shí)處理。

現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)輪葉主配閥芯波動(dòng)明顯，且無法穩(wěn)定。

經(jīng)測試，主配閥芯位移傳感器反饋電壓在0～1.5 V波動(dòng)，初步判斷是由開度傳感器的晃動(dòng)引起，但是該晃動(dòng)無法避免，唯一的辦法是在輪葉開度控制環(huán)節(jié)加入一定的死區(qū)。當(dāng)輪葉偏差大于該死區(qū)時(shí)，啟動(dòng)輪葉定位控制；當(dāng)輪葉偏差小于該死區(qū)時(shí)，停止該定位控制。這樣既可保證輪葉的控制精度，又可消除該抽動(dòng)現(xiàn)象。對調(diào)速器電氣部分改造后，輪葉主配調(diào)節(jié)螺母有緩慢上移趨勢。

隨著時(shí)間推移，開側(cè)調(diào)節(jié)螺母與調(diào)節(jié)支架的距離逐漸減小，關(guān)側(cè)調(diào)節(jié)螺母與調(diào)節(jié)支架的距離逐漸增大。開側(cè)距離減小后，機(jī)組開槳葉速度變慢，開啟時(shí)間變長，現(xiàn)已多次下調(diào)開側(cè)調(diào)節(jié)螺母以增大其與調(diào)節(jié)支架的間距，保持槳葉開啟速度。

開側(cè)調(diào)節(jié)螺母距離逐漸變小，關(guān)側(cè)調(diào)節(jié)螺母距離逐漸變大，說明螺母連接部分整體有上移趨勢，結(jié)合主配行程傳感器反饋電壓在0～1.5 V波動(dòng)，基本可以確定調(diào)節(jié)螺母的連接螺桿和槳葉行程傳感器整體有上移趨勢。

主配至輪葉主控油管油壓穩(wěn)定正常，說明主配閥芯油路未打開，閥芯位置正常，結(jié)合上述調(diào)節(jié)螺桿和行程傳感器整體上移，說明調(diào)節(jié)螺母至主配閥芯的距離有變大趨勢，由此印證了輪葉主配閥芯波動(dòng)的原因：閥芯在中位時(shí)，主配位移傳感器有最大約1.5 V的位移偏移量，調(diào)速器監(jiān)測到該電壓量后判斷主配位置偏開方向，會(huì)向關(guān)方向調(diào)節(jié)主配，傳感器反饋電壓為0 V；當(dāng)傳感器反饋電壓為0 V時(shí)，輪葉主配閥芯向關(guān)方向推動(dòng)了一定位移，調(diào)速器控制回路復(fù)歸后，輪葉主配閥芯受彈簧作用自動(dòng)復(fù)歸至中位，導(dǎo)致主配行程傳感器又產(chǎn)生位移，反饋電壓上升至約1.5 V。此過程一直重復(fù)，出現(xiàn)主配閥芯抽動(dòng)現(xiàn)象。

3 水輪機(jī)輪葉主配抽動(dòng)故障處理

調(diào)節(jié)螺桿至輪葉主配閥芯距離增大可能有以下原因引起：（1）熱脹冷縮、受力過大或其他原因?qū)е陆饘俨考冃?；?）連接螺栓或連接法蘭松動(dòng)，導(dǎo)致緊固不足，縫隙變大。針對此問題，運(yùn)維人員現(xiàn)場對槳葉主配進(jìn)行了拆解。拆解后，對輪葉主配各部件進(jìn)行了詳細(xì)檢查測量，發(fā)現(xiàn)調(diào)節(jié)螺桿與主配閥芯的連接有松動(dòng)現(xiàn)象，且其連接為普通的螺紋連接，未采取任何防止螺紋松動(dòng)的措施，如增加被緊螺栓，或采用法蘭連接，此為機(jī)械設(shè)計(jì)缺陷。運(yùn)維人員現(xiàn)場對其進(jìn)行了緊固處理，將輪葉主配回裝并在調(diào)試完成后開機(jī)，未出現(xiàn)主配抽動(dòng)現(xiàn)象，問題得以解決。

4 結(jié)語

本次主配抽動(dòng)的主要原因?yàn)檎{(diào)節(jié)螺桿與主配閥芯連接松動(dòng)。其連接方式為普通的螺紋連接，未對其采取其他緊固措施，此為機(jī)械設(shè)計(jì)缺陷，長時(shí)間運(yùn)行后容易松動(dòng)，引起調(diào)節(jié)螺桿及主配行程傳感器整體上移。當(dāng)主配閥芯在中位時(shí)，主配行程傳感器反饋不為0 V，因此調(diào)速器會(huì)將其調(diào)整至0 V，主配閥芯產(chǎn)生位移后又被彈簧拉回中位復(fù)歸，最終導(dǎo)致主配閥芯頻繁抽動(dòng)。

運(yùn)維人員對輪葉主配進(jìn)行現(xiàn)場拆解并采取緊固措施后，輪葉主配抽動(dòng)現(xiàn)象消失，處理效果良好。