水輪機組推力瓦燒瓦原因分析與處理

周景藝

（國家能源集團(tuán)貴州電力有限公司紅楓水力發(fā)電廠，貴州 貴陽 551400）

0 引言

某水電站1#水輪發(fā)電機組自增容改造后，開機運行時推力瓦瓦溫長期處于偏高狀態(tài)，滿負(fù)荷運行時推力瓦溫度會上升至65℃以上，且呈繼續(xù)上升趨勢。為此，該機限負(fù)荷在15～16 MW運行，基本上限負(fù)荷運行1～2 h，8塊推力瓦瓦溫就能達(dá)到60℃左右，上、下導(dǎo)軸瓦溫度正常。針對此現(xiàn)象，多次對此臺機組進(jìn)行了大中小修，但均未能解決問題。機組不能安全可靠運行，直接影響其經(jīng)濟(jì)性和發(fā)電效率。

1 事件背景

某水電站1#機組于2020年2月進(jìn)行A級檢修工作，此次A修的重點是解決增容改造以來推力瓦瓦溫過高的缺陷。此次A修開始至開機甩負(fù)荷成功，經(jīng)歷了3次開機推力瓦燒瓦事故。3次開機燒瓦經(jīng)過大致如下：

（1）此次大修按原計劃更換了推力瓦及推力瓦架（拆除的舊推力瓦中多塊瓦脫胎嚴(yán)重），機組A修整機檢查中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪存在下沉現(xiàn)象（上冠下沉7 mm，下環(huán)下沉9 mm），分析可能存在轉(zhuǎn)輪軸向水推力過高的因素。為改善這一現(xiàn)象，將發(fā)電機鏡板標(biāo)高從修前的516 mm提至513 mm。至4月9日大修完成后，開機空轉(zhuǎn)10 min后推力瓦瓦溫過高停機。

（2）第一次燒瓦后，經(jīng)再次拆機發(fā)現(xiàn)多塊推力瓦托盤底部抗重塊出現(xiàn)裂紋，周邊伴有許多金屬摩擦后產(chǎn)生的金屬顆粒，用手搖動推力瓦托盤卡澀嚴(yán)重。后更換了新推力瓦和推力瓦托盤，并重新調(diào)整了受力。至4月21日，開機空轉(zhuǎn)5 min后推力瓦瓦溫過高停機。

（3）經(jīng)前兩次燒瓦現(xiàn)場分析決定，為盡量保證機組達(dá)到拆機前標(biāo)準(zhǔn)，采取如下相應(yīng)措施：更換上推力瓦架，更換新推力瓦，機組標(biāo)高恢復(fù)至拆機前標(biāo)高，并重新盤車調(diào)整受力。至5月16日，開機空轉(zhuǎn)5 min后推力瓦瓦溫再次過高停機。

至此，3次開機試運行均宣告失敗。3次開機瓦溫如表1所示。

表1 3次開機空轉(zhuǎn)推力瓦瓦溫 單位：℃

2 主要數(shù)據(jù)分析與判斷

2.1 大修前數(shù)據(jù)分析

1#機在大修前運行，因推力瓦溫度偏高（約61℃），運行負(fù)荷受限在16 MW，不能實現(xiàn)18 MW滿負(fù)荷運行。1#機A修前帶負(fù)荷16 MW時的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 1#機A修前帶負(fù)荷16 MW時所收集數(shù)據(jù)

查看數(shù)據(jù)可知，1#機組在負(fù)荷為16 MW時的頂蓋水壓為0.23 MPa，而該電站相同型號2#、3#機組在18 MW時的頂蓋水壓均在0.15～0.17 MPa。再根據(jù)拆機時發(fā)現(xiàn)多塊推力瓦存在脫胎嚴(yán)重的情況來看，是過高的頂蓋水壓造成了推力負(fù)荷過大，且巴氏合金推力瓦承載能力有限，以至于發(fā)生脫胎的現(xiàn)象。

2.2 推力瓦托盤卡澀現(xiàn)象對燒瓦的影響分析

第一次燒瓦后發(fā)現(xiàn)推力瓦托盤中心抗重塊出現(xiàn)裂紋，且推力瓦托盤不能自如活動，卡澀現(xiàn)象嚴(yán)重，托盤傾斜后均不能自動回位，實測托盤底孔與球頭間隙均為0.30 mm左右。后更換新托盤及抗重塊，并保證抗重螺絲球頭與托盤底孔的配合間隙符合設(shè)計要求，如表3所示。

表3 新?lián)Q托盤與抗重螺絲球頭配合間隙表 單位：mm

更換推力瓦托盤并加工處理后，每塊托盤活動自如，再無卡澀現(xiàn)象，然而開機仍然燒瓦。由此判定推力瓦托盤卡澀并不是燒瓦的主要原因。

2.3 機組恢復(fù)至拆機前標(biāo)準(zhǔn)并重新盤車調(diào)整受力后判斷燒瓦原因

（1）此次盤車所采用的盤車數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 第三次開機所采用的盤車數(shù)據(jù) 單位：×0.01 mm

從盤車數(shù)據(jù)來看，出現(xiàn)X、Y兩個方向數(shù)據(jù)不一致的情況，數(shù)據(jù)無規(guī)律，同測點全擺度數(shù)據(jù)一正一負(fù)且相差甚大。

（2）從燒瓦的實際情況來看，三次所燒的推力瓦都具有相似性，每塊推力瓦所燒區(qū)域都處于推力瓦靠外圓側(cè)的1/2處。由于此臺機組存在一定的特殊性，所以此前每塊推力瓦的加工都嚴(yán)格按照如下工序進(jìn)行：平板找平→研刮→研刮后再找平→破點，從而絕對保證推力瓦的平面度和推力瓦研刮的工藝要求。推力瓦燒瓦情況如圖1所示。

圖1 推力瓦燒瓦情況

（3）根據(jù)以上兩種現(xiàn)象，總結(jié)分析出可能造成這一切的原因有：1）上機架承受轉(zhuǎn)動部分的重量后存在傾斜量；2）推力瓦受力不可靠；3）鏡板有變形。

（4）針對以上3種判斷，采取相應(yīng)措施，測量出以下數(shù)據(jù)，如表5和表6所示。

表5 上機架上部內(nèi)圈鋼板承受轉(zhuǎn)動部分重量后變形量單位：mm

表6 推力瓦受力調(diào)整最后一圈千分表讀數(shù) 單位：mm

數(shù)據(jù)結(jié)論：與同類型機組所測得的數(shù)據(jù)對比，符合要求，上機架受重后不存在傾斜量。

受力調(diào)整結(jié)論：通過計算，最后一圈每敲擊一塊瓦時，X、Y方向讀數(shù)的矢量和與其平均值之差小于10%，受力調(diào)整符合標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 綜合結(jié)論

經(jīng)測量，排除上機架承重后存在變形量及受力不可靠等因素，從而判定鏡板存在變形的可能性較大。

3 缺陷原因分析

3.1 鏡板因素

（1）將鏡板送至專業(yè)檢測機構(gòu)進(jìn)行平整度檢測，檢測結(jié)果如圖2所示。

圖2 檢測后得出鏡板變形情況

檢測結(jié)論：鏡板變形后基本呈拱形，變形量最大約0.27 mm，硬度檢測合格。

（2）檢測結(jié)果分析：鏡板變形導(dǎo)致調(diào)整受力情況存在一定的虛假性，以致盤車時推力瓦受力狀態(tài)不穩(wěn)定，盤車數(shù)據(jù)存在無規(guī)律性，再結(jié)合燒瓦的實際情況來看，分析出現(xiàn)了如圖3所示的情形。

（3）結(jié)論及導(dǎo)致鏡板變形的主要原因分析：鏡板與推力瓦面存在局部受力過大的情況。推力瓦與鏡板接觸面受力面積越小，推力瓦單位面積內(nèi)受力就越大，導(dǎo)致推力瓦所承受的軸向力不能均勻地分散至整個瓦面，從而在機組開機試運行中，推力瓦與鏡板的接觸面在高承載壓力的狀態(tài)下受力逐漸擴大，最終導(dǎo)致燒瓦。

據(jù)此前得出的結(jié)論，由于該機組較同類型的其他機組，所承受的軸向水推力更大，鏡板與推力瓦之間長期處于一種高承載壓力狀態(tài)下，再加上此次A修過程中，鏡板拆除后處于無受力狀態(tài)下放置時間較長（1個月左右），鏡板之前在高承載壓力狀態(tài)下所吸收的應(yīng)力得到釋放，從而導(dǎo)致鏡板變形。

3.2 推力瓦因素

現(xiàn)使用的巴氏合金金屬推力瓦存在承載能力差、合金熔點低等缺點，自1#機增容改造后，推力瓦設(shè)計的單位承載能力已無法滿足機組在額定水頭下推力瓦的單位最大負(fù)荷，所以出現(xiàn)了拆機時發(fā)現(xiàn)推力瓦瓦坯脫落的情況。因此，運行機組存在推力瓦瓦溫長期偏高的缺陷，使得1#機組不得不限負(fù)荷運行。

3.3 最終結(jié)論

綜合鏡板與推力瓦的兩大因素考慮，最終得出推力瓦燒瓦結(jié)論，如圖4所示。

圖4 推力瓦燒瓦結(jié)論圖

4 處理措施

（1）鏡板送檢加工，恢復(fù)鏡板表面的光潔度、平面度、平行度，使鏡板上、下兩平面的平行度≤0.04 mm，鏡面平面度≤0.01 mm，粗糙度Ra0.2，滿足水輪發(fā)電機鏡板工藝要求。

（2）更換鏡板與推力頭之間的絕緣墊，因檢修次數(shù)過多，絕緣墊厚度不能滿足要求，且由于盤車數(shù)據(jù)的誤導(dǎo)，砂墊情況不可靠，從而造成臺階與坡度不均勻，所以決定更換新絕緣墊。

（3）將1#機原巴氏合金推力瓦更換為耐承受壓力更大的金屬彈性塑料瓦。金屬彈性塑料瓦平均工作壓力為6.5～7.0 MPa，比傳統(tǒng)巴氏合金提高了60%～70%，摩擦系數(shù)小，且各方面綜合性能均強于巴氏合金[1]。一般更換塑料瓦后，可將瓦面積減少8%～20%，實踐表明，由于面積減小，在單位面積發(fā)熱量不變的條件下，總體發(fā)熱量降低，再加上塑料的導(dǎo)熱性差，導(dǎo)熱系數(shù)比巴氏合金低很多，金屬彈性塑料瓦運行安全可靠，在國內(nèi)水電站中得到了廣泛應(yīng)用。

（4）重新盤車調(diào)整受力。

5 采取措施后的主要數(shù)據(jù)及總結(jié)

鏡板加工及更換推力瓦后的盤車數(shù)據(jù)如表7所示。

表7 鏡板加工及更換推力瓦后盤車數(shù)據(jù) 單位：×0.01 mm

數(shù)據(jù)結(jié)論：盤車數(shù)據(jù)可靠，消除了之前鏡板原因造成的X、Y方向數(shù)據(jù)不統(tǒng)一的缺陷。

總結(jié)：采取措施后，1#機經(jīng)空轉(zhuǎn)、帶負(fù)荷、甩負(fù)荷等一系列試驗，推力瓦溫度穩(wěn)定且均勻，滿負(fù)荷72 h運行，推力瓦溫度最高僅為32.8℃，各項技術(shù)指標(biāo)正常，推力瓦燒瓦及瓦溫過高的問題得以成功解決。開機推力瓦瓦溫如表8所示。

表8 恢復(fù)鏡板平整度、更換塑料瓦前后推力瓦瓦溫對比單位：℃

6 結(jié)語

在此次事件的處理中，成功消除了鏡板由于應(yīng)力釋放引起的變形量，并將機組推力瓦換成塑料瓦，克服了鏡板變形導(dǎo)致的推力瓦面局部受力過大的情況，解決了推力瓦最大承載負(fù)荷過小的問題。該水電站1#機組自2020年2月A修竣工以來，運行至今各項數(shù)據(jù)指標(biāo)正常，機組發(fā)電效率提高，為該站今后的安全生產(chǎn)做出了重大貢獻(xiàn)。