大型軸流轉(zhuǎn)槳機(jī)組擺度超標(biāo)原因分析

胡小剛，王 波

(1. 重慶大唐國(guó)際武隆水電開(kāi)發(fā)有限公司，重慶 408500； 2. 西藏開(kāi)投果多水電有限公司，西藏 昌都 854000)

水電站位于烏江下游河段，該工程的開(kāi)發(fā)任務(wù)是以發(fā)電為主，其次為航運(yùn)。共安裝4臺(tái)單機(jī)容量150 MW的立式軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)型號(hào)為：ZZ-LH-860；發(fā)電機(jī)型號(hào)為：SF150-72/14100，水輪發(fā)電機(jī)組于2011-12-12日全部投產(chǎn)發(fā)電。其水輪機(jī)主要參數(shù)：最高水頭35.12 m，額定水頭26.5 m，最低水頭13 m，額定轉(zhuǎn)速83.3 r/min，葉片數(shù)量6，槳葉轉(zhuǎn)角范圍-11.25°～+14°。

2014年進(jìn)行機(jī)組增容改造(設(shè)備未更換，只調(diào)整AGC等相關(guān)參數(shù))，單機(jī)容量增為161.25 MW發(fā)電機(jī)型號(hào)為：SF161.25-72/14100，水輪機(jī)型號(hào)不變，總裝機(jī)容量為645 MW。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪由轉(zhuǎn)輪體、葉片、葉片密封裝置、葉片操作系統(tǒng)及泄水錐等組成。

1 機(jī)組運(yùn)行檢修狀況

3號(hào)機(jī)組投運(yùn)后，下導(dǎo)擺度、水導(dǎo)擺度存在超標(biāo)問(wèn)題，經(jīng)觀察分析，不同運(yùn)行工況下均會(huì)出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，在高水頭擺度超標(biāo)幅度較小，在低水頭擺度超標(biāo)幅度增大，下導(dǎo)擺度最大值可達(dá)到550 μm。2014-12-25日結(jié)合機(jī)組B修對(duì)機(jī)組軸線(xiàn)進(jìn)行調(diào)整，水導(dǎo)擺度超標(biāo)問(wèn)題得到改善，下導(dǎo)擺度仍存在超標(biāo)。2017-12-27日結(jié)合3號(hào)機(jī)組C級(jí)檢修開(kāi)展動(dòng)平衡配重工作，下導(dǎo)擺度超標(biāo)問(wèn)題得到改善，水頭在30.2 m時(shí)，下導(dǎo)擺度數(shù)據(jù)為214 μm。2018-07-03至06日，該電站入庫(kù)流量最大到7 906 m3/s，3號(hào)機(jī)組水頭降至14 m左右，其下導(dǎo)擺度達(dá)到486 μm，水導(dǎo)擺度到達(dá)478 μm。機(jī)組低水頭擺度超標(biāo)問(wèn)題未得到根本性解決。

1.1 機(jī)組增容前后運(yùn)行工況數(shù)據(jù)對(duì)比

2014-05-25日，未更換機(jī)組及主變，通過(guò)合理利用設(shè)備設(shè)計(jì)裕度進(jìn)行增容，電站增容后正式投入應(yīng)用，采集增容前后3號(hào)機(jī)組各負(fù)荷工況下的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

通過(guò)機(jī)組增容前后進(jìn)行分析對(duì)比，分別在水頭27.9～28.9 m，有功130 MW；水頭23.3～23.9 m，有功140 MW；水頭27.8～28.4 m，有功150 WM，三個(gè)不同工況下進(jìn)行各軸承擺度進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)增容前后各軸承擺度數(shù)值變化不大。

1.2 機(jī)組B修前后工況數(shù)據(jù)對(duì)比

3號(hào)機(jī)組于2014年進(jìn)行B級(jí)檢修盤(pán)車(chē)軸線(xiàn)調(diào)整。通過(guò)機(jī)組B修前后數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，分別在26.4～27 m水頭，有功100 MW；27.4～25.7 m水頭，有功130 MW；28.5～30 m水頭，有功150 MW，三個(gè)不同工況下機(jī)組B修前后各軸承擺度進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)B修前后數(shù)值變化較大。

1)在26.4～27 m水頭，有功100 MW，下導(dǎo)和水導(dǎo)擺度數(shù)值均增大。

下導(dǎo)：最大相差274 μm，最小相差143 μm；水導(dǎo)：最大相差152 μm，最小相差28 μm。

2)在27.4～25.7 m水頭，有功130 WM，下導(dǎo)擺度增大、水導(dǎo)擺度數(shù)值減小。

下導(dǎo)：最大相差242 μm，最小相差68 μm；水導(dǎo)：最大相差-157 μm，最小相差-75 μm。

3)在28.5～30 m水頭，有功150 MW，下導(dǎo)擺度增大、水導(dǎo)擺度數(shù)值減小。

下導(dǎo)：最大相差112 μm，最小相差69 μm；水導(dǎo)：最大相差-144 μm最小相差-121 μm。

1.3 機(jī)組動(dòng)平衡配重前后工況數(shù)據(jù)對(duì)比

3號(hào)機(jī)組于2017-12-27日，結(jié)合機(jī)組C修進(jìn)行了動(dòng)平衡試驗(yàn)轉(zhuǎn)子配重、協(xié)聯(lián)試驗(yàn)工作，跟蹤采集狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(工作水頭29～30 m)，對(duì)比工況數(shù)據(jù)如表1～表3。

表1 70 MW負(fù)荷下同工況狀態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 120 MW負(fù)荷下同工況狀態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)比

表3 160 MW負(fù)荷下同工況狀態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)比

動(dòng)平衡試驗(yàn)配重后，相同水頭、相同有功下導(dǎo)擺度大幅度下降，平均降幅約30%～50%，隨有功增加降幅越明顯，160 MW下降幅度最大，經(jīng)一段時(shí)間的觀察，穩(wěn)定工況下未出現(xiàn)超出報(bào)警值的情況。

各工況下，上導(dǎo)擺度也出現(xiàn)大幅度下降，降幅40%～50%；上機(jī)架振動(dòng)降幅程度最大，約70%～90%，遠(yuǎn)低于規(guī)范要求；下機(jī)架、定子機(jī)座振動(dòng)也有小幅度下降，降幅約10%～30%；水導(dǎo)擺度、頂蓋振動(dòng)未出現(xiàn)明顯下降趨。動(dòng)平衡試驗(yàn)配重后，各工況下，各軸承擺度均未出現(xiàn)一級(jí)報(bào)警，各部位擺度運(yùn)行較為穩(wěn)定。

1.4 機(jī)組配重前后額定水頭以下運(yùn)行工況數(shù)據(jù)對(duì)比分析

3號(hào)機(jī)組于2017-12-27日完成轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡配重及協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化工作，采集2017年、2018年汛期低水頭運(yùn)行期間工況數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。在動(dòng)平衡試驗(yàn)配重后(見(jiàn)表4)，相近水頭、負(fù)荷下擺度狀況對(duì)比分析如下：

表4 3號(hào)機(jī)組動(dòng)平衡配重前后低水頭工況對(duì)比分析

1)上導(dǎo)擺度均在規(guī)程合格范圍內(nèi)，上導(dǎo)擺度呈現(xiàn)20～30%的降幅；

2)下導(dǎo)擺度有較大幅度下降，平均降幅約20%～40%，但仍超出規(guī)范要求范圍；

3)水導(dǎo)擺度前后對(duì)比有略微增大趨勢(shì)；

4)蝸殼壓力脈動(dòng)有增大趨勢(shì)，頂蓋壓力脈動(dòng)及轉(zhuǎn)輪壓力脈動(dòng)有減小趨勢(shì)；

5)動(dòng)平衡后水力脈動(dòng)未見(jiàn)大的變化；

6)在動(dòng)平衡配重試驗(yàn)后，低水頭下上導(dǎo)擺度、下導(dǎo)擺度均有較大幅度的降低，但下導(dǎo)擺度仍超過(guò)規(guī)范要求范圍。

1.5 機(jī)組動(dòng)平衡配重試驗(yàn)額定水頭以上運(yùn)行前后的對(duì)比

采集3號(hào)機(jī)組動(dòng)平衡配重試驗(yàn)前后的對(duì)比(見(jiàn)表5)，水頭在27.2～28.1 m水頭變幅，負(fù)荷在117～149 MW的負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行的數(shù)據(jù)，可以看出：

表5 3號(hào)機(jī)組動(dòng)平衡配重試驗(yàn)(中高水頭)前后的對(duì)比

1)動(dòng)平衡后上導(dǎo)擺度降幅15%～40%，配重前后上導(dǎo)均未超規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；

2)動(dòng)平衡后下導(dǎo)擺度降幅10%左右，配重前后均超1級(jí)報(bào)警值；

3)水導(dǎo)擺度增幅45%～65%，水導(dǎo)擺度均未超1級(jí)報(bào)警值；

4)上機(jī)架水平Y(jié)向振動(dòng)降幅達(dá)70%，但配重前后均未超標(biāo)準(zhǔn)；

5)下機(jī)架水平振動(dòng)增幅5%～30%，但配重前后均未超標(biāo)準(zhǔn)；

6)頂蓋振動(dòng)增幅達(dá)30%～90%，已超1級(jí)報(bào)警值；

7)蝸殼壓力脈動(dòng)、尾水壓力脈動(dòng)、頂蓋壓力脈動(dòng)、轉(zhuǎn)輪室壓力脈動(dòng)配重前后均無(wú)大的變化；

8)配重及協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化后在相同水頭及負(fù)荷下導(dǎo)葉開(kāi)度未有變化，槳葉開(kāi)度有增大趨勢(shì)。

1.6 機(jī)組水頭由額定水頭降至最低至14 m左右，對(duì)比4臺(tái)機(jī)組在相同水頭負(fù)荷情況下的橫向數(shù)據(jù)比較

采集2018年7月該電站入庫(kù)流量最大7 906 m3/s，機(jī)組水頭從25 m降至14 m(見(jiàn)表6)，對(duì)比4臺(tái)機(jī)組相同負(fù)荷，振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)：

表6 機(jī)組水頭從額定水頭降低至14 m水頭4臺(tái)機(jī)組振擺數(shù)據(jù)對(duì)比

1)在低水頭下3號(hào)機(jī)組的下導(dǎo)擺度、水導(dǎo)擺度、下機(jī)架振動(dòng)、頂蓋振動(dòng)、蝸殼壓力脈動(dòng)、尾水上壓力脈動(dòng)、頂蓋壓力脈動(dòng)，都比其他機(jī)組大。

2)隨著機(jī)組水頭的降低其它機(jī)組的頂蓋振動(dòng)、蝸殼壓力脈動(dòng)、尾水上壓力脈動(dòng)、頂蓋壓力脈動(dòng)都比較穩(wěn)定，而3號(hào)機(jī)組的壓力脈動(dòng)有增大趨勢(shì)，特別是轉(zhuǎn)輪室壓力脈動(dòng)增幅比較大。

3)隨著水頭的降低特別是16 m到15 m，3號(hào)機(jī)組下導(dǎo)擺度、水導(dǎo)擺度、頂蓋振動(dòng)、轉(zhuǎn)輪室壓力脈動(dòng)急劇增大的現(xiàn)象。

2 分析判斷

機(jī)組振動(dòng)、擺度與水力、機(jī)械、電氣因素三者有關(guān)。機(jī)械不平衡驗(yàn)證主要是空載無(wú)勵(lì)磁變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，采集各部位振動(dòng)、擺度是否滿(mǎn)足要求可以驗(yàn)證轉(zhuǎn)動(dòng)部分(機(jī)械)質(zhì)量是否平衡；空載變勵(lì)磁驗(yàn)證機(jī)組磁拉力是否正常；并網(wǎng)帶負(fù)荷運(yùn)行，隨著負(fù)荷的增加各部位振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)主要驗(yàn)證水力因素的影響。這三項(xiàng)試驗(yàn)都可以通過(guò)機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)[1]驗(yàn)證。

該電站水輪機(jī)最高水頭35.12 m，額定水頭26.5 m，最低水頭13 m。從粗略的水頭劃分額定水頭到最高水頭定為中高水頭，額定水頭到最低水頭定為中低水頭。之前做的穩(wěn)定性試驗(yàn)、增容試驗(yàn)、動(dòng)平衡試驗(yàn)及協(xié)聯(lián)試驗(yàn)都是在中高水頭進(jìn)行的。在中高水頭做的試驗(yàn)都是比較穩(wěn)定的說(shuō)明中高水頭機(jī)械、電氣、水力因素滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)葉片和水頭、負(fù)荷協(xié)聯(lián)，有可能中高水頭時(shí)，轉(zhuǎn)輪葉片一致，低水頭葉片的角度變了，葉片外緣不在一個(gè)圓內(nèi)，低水頭時(shí)流量大，造成水力不平衡，引起轉(zhuǎn)輪室壓力脈動(dòng)，頂蓋壓力脈動(dòng)，水導(dǎo)擺度增大[2-3]。而下導(dǎo)擺度增大筆者認(rèn)為是轉(zhuǎn)輪壓力增大引起軸向水推力，從而引起下機(jī)架的振動(dòng)增加，之前的相對(duì)平衡被打破，不平衡又引起下導(dǎo)擺度增大。

對(duì)于轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，產(chǎn)生水力不平衡的可能原因有：

1)水頭和負(fù)荷、協(xié)聯(lián)關(guān)系不匹配；

2)轉(zhuǎn)輪葉片開(kāi)口不一致(葉片外緣傾角不一致)；

3)葉片外緣不在一個(gè)分度圓上；

4)轉(zhuǎn)輪葉片葉型不一致；

5)葉片操作機(jī)構(gòu)尺寸、行程不一致；

6)轉(zhuǎn)輪室間隙不一致；理論上存在轉(zhuǎn)輪室間隙不一致的情況；

7)低水頭運(yùn)行存在渦帶。

所以轉(zhuǎn)輪的原因造成的低水頭水力不平衡懷疑最大。

3 排查的思路和方法

該電站河道狹窄，下游水位變幅受下泄流量影響大。隨著下游電站的建設(shè)該電站尾水水位受下游電站蓄水的頂托；汛期泄洪加4臺(tái)機(jī)組的流量疊加該電站低水頭運(yùn)行的時(shí)間將會(huì)增多，針對(duì)該機(jī)組低水頭運(yùn)行振動(dòng)擺度超標(biāo)必須要引起重視。

1)在低水頭下對(duì)該機(jī)組進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)和效率試驗(yàn)[4]。因需要機(jī)組在低水頭運(yùn)行，需要對(duì)庫(kù)區(qū)降水位運(yùn)行試驗(yàn)耗水率增大，低水頭運(yùn)行與電網(wǎng)調(diào)度溝通協(xié)調(diào)難度較大；還有入庫(kù)洪峰期造成的低水頭也不好掌控，需要結(jié)合實(shí)際進(jìn)行此試驗(yàn)。

2)解除協(xié)聯(lián)關(guān)系，對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行定槳試驗(yàn)[5]，槳葉開(kāi)度范圍為(-11.25°～+14°)，固定槳葉葉角度，調(diào)整導(dǎo)葉開(kāi)度負(fù)荷空載，10，20，30，40 MW……150，161 MW，MAX；MAX，161，150 MW……30，20，10 MW，空載。每隔3°改變槳葉角度進(jìn)行一次定槳試驗(yàn)。在每個(gè)負(fù)荷點(diǎn)穩(wěn)定5 min采集各部位振動(dòng)、擺度、水壓力脈動(dòng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，可以得出槳葉在哪個(gè)開(kāi)度下，擺度及壓力脈動(dòng)值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范值。

3)機(jī)組進(jìn)行擴(kuò)大性C修或A修前，在錐管門(mén)搭設(shè)轉(zhuǎn)輪檢修平臺(tái)，并搭設(shè)轉(zhuǎn)輪每個(gè)葉片的小排架平臺(tái)。對(duì)葉片線(xiàn)形用模板進(jìn)行測(cè)量槳葉葉片線(xiàn)型是否合格，手動(dòng)操作槳葉由0°～25°～50°～75°～100°全開(kāi)，再由100°～75°～50°～25°～0°全關(guān)，每個(gè)開(kāi)度測(cè)量葉片的角度，葉片間距，分析角度是否滿(mǎn)足規(guī)范要求，判斷葉片外緣間距是否在一個(gè)分度圓上。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組在中高水頭運(yùn)行時(shí)，機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，而在低水頭運(yùn)行時(shí)，擺度超標(biāo)的問(wèn)題，進(jìn)行了詳細(xì)的數(shù)據(jù)對(duì)比，得出水力不平衡是造成低水頭運(yùn)行時(shí)擺度超標(biāo)關(guān)鍵因素的結(jié)論，并提出相應(yīng)的處理思路和方法。