金沙水電站大型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)槳葉開度異常分析與處理

趙冉 王立寶

摘要：為研究金沙水電站3號(hào)機(jī)組投產(chǎn)階段調(diào)試中出現(xiàn)的槳葉開度異常問題，利用排查分析、現(xiàn)場優(yōu)化調(diào)整、數(shù)據(jù)分析和試驗(yàn)驗(yàn)證的方法，從多個(gè)角度排查、分析了此類故障的誘發(fā)因素，最終找出故障原因和解決辦法，從本質(zhì)上解決了槳葉開度異常的問題，并采取了相應(yīng)措施排除故障。對水輪機(jī)導(dǎo)葉-槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證的結(jié)果表明：① 此次故障的分析和處理可滿足水輪機(jī)模型試驗(yàn)和協(xié)聯(lián)關(guān)系計(jì)算書要求;② 通過各項(xiàng)試驗(yàn)驗(yàn)證及試運(yùn)行效果觀察，機(jī)組運(yùn)行指標(biāo)及各參數(shù)可滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，從而有效保證機(jī)組效率和安全穩(wěn)定運(yùn)行。研究結(jié)果可為同類型水電站類似故障的分析和處理提供參考。

關(guān)鍵詞： 軸流轉(zhuǎn)槳式; 水輪機(jī); 槳葉開度異常; 故障分析; 金沙水電站

中圖法分類號(hào)：TV730.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.014

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）03 - 0064 - 05

0 引 言

金沙水電站位于四川省攀枝花市西區(qū)金沙江干流中游末端的攀枝花河段上，電站裝機(jī)容量56萬kW，安裝4臺(tái)14萬kW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，轉(zhuǎn)輪直徑10 650 mm，設(shè)計(jì)年平均發(fā)電量21.77億kW·h。水輪機(jī)制造廠家為通用電氣水電設(shè)備（中國）有限公司 ，水輪機(jī)型號(hào)為ZZ（JS）-LH-1065，轉(zhuǎn)輪槳葉操作機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)為缸動(dòng)式結(jié)構(gòu)，主要由操作油管、轉(zhuǎn)輪體、中心體、活塞、接力器缸、轉(zhuǎn)臂以及葉片樞軸等部件組成，接力器缸體在壓力油作用下帶動(dòng)槳葉操作機(jī)構(gòu)控制槳葉開關(guān)。調(diào)速器采用南瑞集團(tuán)有限公司SAFR-2000H型微機(jī)調(diào)速器、雙PCC系統(tǒng)。導(dǎo)葉主配直徑200 mm，槳葉主配直徑150 mm，協(xié)聯(lián)方式為導(dǎo)葉槳葉協(xié)聯(lián)，配YZ-40/2-6.3型油壓裝置，調(diào)節(jié)規(guī)律為并聯(lián)PID，額定工作壓力為6.3 MPa。為了研究軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組槳葉反饋裝置故障的解決思路和處理方法，通過對金沙水電站3號(hào)水輪機(jī)組槳葉反饋裝置故障進(jìn)行分析和研究，提出了解決思路和方法，為國內(nèi)外同類型機(jī)組類似故障的處理提供了借鑒[1]。同時(shí)，為軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組槳葉反饋裝置的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了思路，在設(shè)計(jì)階段避免設(shè)備調(diào)試、運(yùn)行過程中發(fā)生故障，從而更有利于設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 故障情況簡介

2021年7月27日，金沙水電站3號(hào)機(jī)組按照啟動(dòng)投產(chǎn)方案及機(jī)組啟動(dòng)試運(yùn)行大綱要求進(jìn)行機(jī)組進(jìn)相試驗(yàn)。上位機(jī)將機(jī)組負(fù)荷加至14萬kW時(shí)，出現(xiàn)水輪機(jī)導(dǎo)葉開度、槳葉開度明顯異常增大，上位機(jī)監(jiān)控畫面顯示3號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉開度為99.97%，槳葉開度為98.98%，負(fù)荷降至13.6萬kW;此時(shí)3號(hào)機(jī)組水頭與1，2號(hào)機(jī)組在同樣水頭下正常運(yùn)行（上游水位1 021.33 m，下游水位為1 001.38 m），1號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉開度為70.89%，槳葉開度為81.16%;2號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉開度為70.11%，槳葉開度為79.56%;在機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，機(jī)組負(fù)荷增至14萬kW，導(dǎo)葉開度顯示79.67%，槳葉開度顯示99%，根據(jù)試驗(yàn)方案要求，通過跳斷路器做甩負(fù)荷試驗(yàn)，機(jī)組電氣二級(jí)過速保護(hù)動(dòng)作，監(jiān)控系統(tǒng)啟動(dòng)緊急停機(jī)流程，造成機(jī)組事故停機(jī)。

2 現(xiàn)場檢查情況

根據(jù)導(dǎo)葉和槳葉開度異常增大的故障現(xiàn)象，現(xiàn)場停機(jī)并采取安全措施后，分別對以下6個(gè)方面進(jìn)行了檢查：① 進(jìn)水口攔污柵、蝸殼及尾水流道內(nèi)部清潔度;② 調(diào)速器控制參數(shù)設(shè)置（水頭及PID參數(shù)）;③ 調(diào)速器控制程序;④ 邏輯（協(xié)聯(lián)關(guān)系寫入及曲線校核）;⑤ 受油器操作油管、轉(zhuǎn)輪活塞及杠體進(jìn)行動(dòng)作;⑥ 槳葉及導(dǎo)葉開度反饋裝置、協(xié)聯(lián)關(guān)系。

2.1 流道檢查

停機(jī)后，檢查攔污柵進(jìn)口、蝸殼及尾水流道（流道無異常、槳葉實(shí)際開度滿足設(shè)計(jì)要求的36.01°）：關(guān)閉進(jìn)水口、尾水檢修閘門，并開啟蝸殼及尾水肘管盤型閥排水，檢查攔污柵前無異物堵塞，排水后對流道進(jìn)行全面檢查，未發(fā)現(xiàn)異物及流道異常情況，并手動(dòng)開、關(guān)導(dǎo)葉，導(dǎo)葉動(dòng)作靈活，檢查槳葉全開時(shí)開啟角度為36.06°，全關(guān)閉時(shí)角度為7°，滿足設(shè)計(jì)要求。槳葉及導(dǎo)葉無卡阻現(xiàn)象，不存在流道有異物及槳葉開度不滿足全開角度引起開度異常的情況。

2.2 調(diào)速器設(shè)置參數(shù)檢查

對調(diào)速器比例積分微分控制（PID）調(diào)節(jié)參數(shù)及調(diào)節(jié)死區(qū)等控制參數(shù)進(jìn)行檢查，且經(jīng)查閱調(diào)試報(bào)告，核對實(shí)際參數(shù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)未發(fā)現(xiàn)異常情況，對導(dǎo)葉及槳葉開度采樣值進(jìn)行檢查，并在相同工況（水頭與出力相同）下與其他兩臺(tái)投運(yùn)機(jī)組進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)3號(hào)機(jī)組A套槳葉開度采樣值顯示為18 438，B套顯示為18 486，1，2號(hào)機(jī)組槳葉開度采樣值均在20 000以上。檢查調(diào)速器控制程序及邏輯無異常。

2.3 受油器操作機(jī)構(gòu)檢查

在調(diào)速器電氣控制柜手動(dòng)操作槳葉全開、全關(guān)，檢查操作油管與浮動(dòng)瓦潤滑情況，檢查發(fā)現(xiàn)浮動(dòng)瓦潤滑良好，無異響和卡阻現(xiàn)象，接力器杠與活塞動(dòng)作正常。檢查受油器操作油壓為6.3 MPa，滿足設(shè)計(jì)要求，槳葉主配及管路無泄漏點(diǎn)，槳葉主配壓閥零位無漂移現(xiàn)象且鎖定螺母未松動(dòng)。

2.4 槳葉反饋裝置檢查

拆除發(fā)電機(jī)上端罩，打開槳葉受油器上頂部油箱蓋，對槳葉開度反饋裝置進(jìn)行全面檢查，分別檢查其加工尺寸及現(xiàn)場裝配尺寸，反饋裝置裝配尺寸檢查見圖1，槳葉開度反饋裝置見圖2。通過單獨(dú)手動(dòng)操作槳葉全開、全關(guān)，記錄的槳葉開度在全關(guān)位置及全開位置開度數(shù)據(jù)，滿足設(shè)計(jì)圖紙要求;同時(shí)槳葉接力器行程為0～418 mm，滿足設(shè)計(jì)要求。在調(diào)速器電調(diào)柜手動(dòng)操作槳葉全開、全關(guān)的過程中，檢查反饋裝置機(jī)械指針與調(diào)速器電調(diào)柜顯示開度的對應(yīng)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)調(diào)速器電調(diào)柜顯示的槳葉開度比實(shí)際機(jī)械開度大20%，即機(jī)械指針在80%時(shí)電調(diào)柜已顯示100%;多次手動(dòng)操作槳葉全開、全關(guān)位置，發(fā)現(xiàn)彈簧偶發(fā)性出現(xiàn)卡澀，槳葉接力器缸行程反饋內(nèi)油管與反饋裝置球接觸間隙為10 mm，手動(dòng)向下按壓球，使其與內(nèi)油管管帽頂部接觸，槳葉開度機(jī)械指針可達(dá)100%，考慮為彈簧卡澀或安裝高程偏差導(dǎo)致球與管帽接觸不穩(wěn)定引起槳葉反饋信號(hào)失真。同時(shí)發(fā)現(xiàn)在槳葉關(guān)閉（內(nèi)油管往上頂起體）的過程中，球越往上走（關(guān)槳葉），頂部螺帽與軸端的間隙越小（通過現(xiàn)場用塞尺檢查，在整個(gè)行程中間隙最小值為1 mm）[2]。

2.5 導(dǎo)葉開度反饋裝置檢查

檢查反饋機(jī)械機(jī)構(gòu)制造及安裝尺寸、傳感器輸出及反饋信號(hào)一直性、控制回路有無干擾及異常。因在1號(hào)機(jī)組調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)葉開度反饋裝置接力器特殊的固定方式會(huì)導(dǎo)致在運(yùn)行過程中接觸式傳感器位置偏移，在后續(xù)機(jī)組安裝過程中對傳感器進(jìn)行了改造，將接觸式傳感器更換為拉繩式接觸器，并對傳感器支架進(jìn)行了優(yōu)化和加固，對3號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉反饋裝置進(jìn)行現(xiàn)場檢查，并對開度反饋信號(hào)及傳感器進(jìn)行了檢查，未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

2.6 協(xié)聯(lián)關(guān)系檢查

對調(diào)速器內(nèi)部寫入的協(xié)聯(lián)關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，通過抽檢3個(gè)水頭下的協(xié)聯(lián)關(guān)系，槳葉-導(dǎo)葉開度滿足廠家協(xié)聯(lián)關(guān)系計(jì)算書，檢查導(dǎo)葉及槳葉相關(guān)控制回路未發(fā)現(xiàn)異常情況。以上檢查基本排除了導(dǎo)葉開度反饋裝置引發(fā)故障的可能性，并判斷槳葉開度反饋裝置故障的可能性較大，隨即展開了進(jìn)一步排查并驗(yàn)證。

3 槳葉反饋裝置工作原理

轉(zhuǎn)輪槳葉的開、關(guān)由槳葉接力器杠體在額定壓力為6.3 MPa的壓力油作用下連接樞軸及轉(zhuǎn)臂帶動(dòng)槳葉動(dòng)作，接力器杠運(yùn)行行程為0～418 mm，對應(yīng)的槳葉開、關(guān)角度范圍為7°～36.06°[3]。槳葉開度反饋裝置主要由連接在轉(zhuǎn)輪活動(dòng)部件接力器杠蓋的內(nèi)油管隨槳葉主配開、關(guān)腔壓力油作用上下（往上運(yùn)行為關(guān)閉、往下運(yùn)行為開啟）往復(fù)運(yùn)行，內(nèi)油管頂部管帽與球接觸，內(nèi)油管往上運(yùn)行時(shí)會(huì)頂起球，內(nèi)油管往下運(yùn)行時(shí)，球因受彈簧拉力以軸端連接的回復(fù)軸為旋轉(zhuǎn)中心往下運(yùn)行，回復(fù)軸的一端安裝槳葉開度機(jī)械指針可以直觀顯示出槳葉的實(shí)時(shí)開度，另一端安裝槳葉開度傳感器反饋輸出0～20 mA模擬量反饋給調(diào)速器控制系統(tǒng)，調(diào)速器控制系統(tǒng)對采集到的槳葉開度模擬信號(hào)進(jìn)行處理后，對調(diào)速器進(jìn)行協(xié)聯(lián)控制[4]。

4 原因分析及處理

4.1 原因分析

通過排查和綜合分析，判斷為槳葉開度反饋裝置在槳葉全關(guān)時(shí)因球與內(nèi)油管頂部管帽接觸不良，導(dǎo)致槳葉真實(shí)開度未被槳葉開度傳感器反饋給調(diào)速器，從而導(dǎo)致調(diào)速器采集槳葉開度失真，造成了調(diào)速器協(xié)聯(lián)關(guān)系失真。實(shí)際上，調(diào)速器采集到的槳葉開度只有0～80%，而在協(xié)聯(lián)關(guān)系寫入調(diào)速器時(shí)，將0～80%的槳葉開度與0～100%的導(dǎo)葉開度進(jìn)行了匹配，出現(xiàn)了在調(diào)試過程中槳葉開度接近100%且負(fù)荷加不上去的情況，即因?yàn)閷?shí)際上槳葉開度最大只到80%，導(dǎo)致機(jī)組出力及效率均未滿足設(shè)計(jì)要求[4]。此現(xiàn)象也解釋了在機(jī)組100%甩負(fù)荷實(shí)驗(yàn)時(shí)機(jī)組過速的問題。如果調(diào)速器未檢測到實(shí)際槳葉的全行程，那么槳葉關(guān)閉速度就會(huì)比設(shè)計(jì)值慢，而滿負(fù)荷時(shí)槳葉開度較大，所以在機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)容易過速。

4.2 處理過程

檢查并徹底清理流道，確保機(jī)組尾肘管及蝸殼內(nèi)清潔無雜物，避免因流道異物堵塞影響機(jī)組出力及效率;重新核對協(xié)聯(lián)關(guān)系導(dǎo)葉及槳葉開度對應(yīng)關(guān)系及參數(shù)[5];對內(nèi)油管頂部的管帽高度進(jìn)行重新調(diào)整并鎖固，確保其在運(yùn)行過程中與球充分接觸。同時(shí)，調(diào)整彈簧伸長量滿足彈簧拉力，以確保內(nèi)油管向下運(yùn)行時(shí)球與管帽充分接觸;對管帽倒角進(jìn)行加工，將倒角弧度增大，以免長期運(yùn)行后軸端與管帽間隙變小甚至相互干涉，引起反饋信號(hào)失真[6]。

5 調(diào)試與試驗(yàn)

重新校驗(yàn)并調(diào)整槳葉全開、全關(guān)時(shí)間，槳葉全開時(shí)間為39.4 s，全關(guān)時(shí)間為39.5 s，滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求;重新對槳葉開度傳感器在槳葉全開和全開時(shí)反饋信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，多次手動(dòng)開、關(guān)槳葉，確保槳葉開度與接力器行程、機(jī)械指示顯示一致;設(shè)置人工水頭，在不同水頭下靜態(tài)模擬導(dǎo)葉動(dòng)作試驗(yàn)，校核導(dǎo)葉-槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系，根據(jù)水輪機(jī)導(dǎo)葉槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系計(jì)算單隨機(jī)抽取不同的協(xié)聯(lián)點(diǎn)，給定導(dǎo)葉理論開度，檢查槳葉開度是否和理論開度數(shù)值吻合。經(jīng)過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，導(dǎo)葉-槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系滿足設(shè)備廠家提供的協(xié)聯(lián)關(guān)系計(jì)算書要求。導(dǎo)葉-槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系驗(yàn)證試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

6 改進(jìn)思路及防范措施

6.1 改進(jìn)思路

優(yōu)化改造槳葉開度反饋裝置，采集直線位移信號(hào)，以免反饋裝置機(jī)構(gòu)失靈或故障導(dǎo)致采集開度信號(hào)失真從而引起機(jī)組協(xié)聯(lián)關(guān)系失真、機(jī)組出力不能滿發(fā)的現(xiàn)象，確保了機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行和效率，提高了設(shè)備運(yùn)行的可靠性。

6.2 防范措施

在后續(xù)機(jī)組安裝、調(diào)試及檢修過程中對反饋裝置進(jìn)行檢查并作動(dòng)作實(shí)驗(yàn)，確保制造和裝配尺寸符合設(shè)計(jì)圖紙要求。在機(jī)組定期檢修時(shí)，打開上油箱油箱蓋對反饋裝置機(jī)構(gòu)進(jìn)行檢查，應(yīng)重點(diǎn)檢查彈簧及管帽與球的接觸情況，避免因長時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致反饋機(jī)構(gòu)磨損（球體與管帽產(chǎn)生間隙）造成采樣信號(hào)出現(xiàn)偏差;在運(yùn)行過程中，加強(qiáng)對槳葉開度的監(jiān)視，經(jīng)?，F(xiàn)場檢查槳葉電調(diào)柜開度和機(jī)械指針開度的一致性，若發(fā)現(xiàn)異常情況，應(yīng)及時(shí)采取措施并進(jìn)行處理[7]。

7 結(jié) 語

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)組槳葉開度異常的原因很多，因槳葉開度反饋裝置導(dǎo)致的開度異常作為軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組中的典型故障，需要從多方面入手進(jìn)行排查和驗(yàn)證，從而進(jìn)行故障排查及處理。應(yīng)全方位展開分析和排查，從各系統(tǒng)分專業(yè)進(jìn)行排除，最終找到問題的根本。本次故障的成功處理，保證了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行及電站的經(jīng)濟(jì)效益，并為設(shè)備制造廠家提供了優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，可為同類型機(jī)組類似故障的處理提供參考。

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（編輯：唐湘茜）

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