軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組槳葉抽動(dòng)及供油泵頻繁啟停淺析

時(shí)志能

（大唐水電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，廣西 南寧530007）

1 故障概述

某水電站主要由左岸土壩、左岸船閘、左岸發(fā)電廠房、溢流壩、左右岸接頭壩和開關(guān)站等組成。廠房內(nèi)裝設(shè)有4臺(tái)150 MW軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組；水輪機(jī)型號(hào)ZZA814a-LH-1040，額定水頭19.5 m，最低水頭8.65 m，最高水頭41.5 m，額定轉(zhuǎn)速62.5 r/min，額定流量864.9 m3/s。調(diào)速器型號(hào)YZ-40/2-6.3-GK-1-04，其工作油壓 6.3 MPa。

主汛期，全廠機(jī)組均處于自動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行，運(yùn)行人員監(jiān)測(cè)到2號(hào)機(jī)組油壓裝置供油泵頻繁啟動(dòng)，其啟動(dòng)頻率約為正常運(yùn)行的4～6倍；調(diào)速系統(tǒng)液壓油油溫升高且保持在54℃左右，比正常運(yùn)行油溫增長約35%；同時(shí)，槳葉還存在約15 s的抽動(dòng)間隔。經(jīng)電廠核查，調(diào)速器在自動(dòng)方式下，通過受油器上油箱觀察孔觀測(cè)到箱內(nèi)有較大油液外涌；將槳葉和導(dǎo)葉均切機(jī)手動(dòng)后，導(dǎo)葉開度保持不變，槳葉徑直往大開度方向漂移，至滿開度后槳葉未再發(fā)生抽動(dòng)。經(jīng)查看下游尾水水面及液壓油管路，其總油量未發(fā)生泄漏。

由于全流域處于泄洪狀態(tài)，考慮到停機(jī)會(huì)帶來較大的電量損失，在保證機(jī)組振動(dòng)和擺度未發(fā)生嚴(yán)重超標(biāo)的情況下，根據(jù)轉(zhuǎn)輪協(xié)聯(lián)曲線及上、下游水位信息，2號(hào)機(jī)組臨時(shí)采用槳葉100%開度、定期手動(dòng)調(diào)整導(dǎo)葉開度以達(dá)到改變出力的運(yùn)行方式。

2 儲(chǔ)油容器參數(shù)

經(jīng)主機(jī)廠對(duì)槳葉活塞容積核算，水輪機(jī)槳葉開腔變化1%開度的操作用油量為18.5 L，關(guān)腔變化1%開度的操作用油量為16.6 L。當(dāng)2號(hào)機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行、槳葉和導(dǎo)葉均切機(jī)手動(dòng)時(shí)，假定槳葉關(guān)腔變化1%開度減少的透平油全部漏至上油箱，開腔補(bǔ)油全部來自壓力油罐，則上油箱油位上升約11.1 mm，壓力油罐油位下降約4.87 mm；受油器上油箱、壓力油罐結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 儲(chǔ)油容器結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 槳葉抽動(dòng)排查

2號(hào)機(jī)組在毛水頭低于17.0 m及以下、大槳葉開度時(shí)，機(jī)組出現(xiàn)槳葉抽動(dòng)和供油泵頻繁啟?，F(xiàn)象；毛水頭高于18.0 m及以上時(shí)，槳葉抽動(dòng)和供油泵異常情況消失。通過分析機(jī)組結(jié)構(gòu)圖，槳葉抽動(dòng)可能是槳葉主配壓閥、受油器浮動(dòng)瓦及其密封、槳葉活塞與關(guān)腔操作油管的組合密封等部件出現(xiàn)異常[1-4]，從而導(dǎo)致槳葉關(guān)腔無法實(shí)現(xiàn)保壓所致。為了進(jìn)一步明確部件漏油或竄油導(dǎo)致機(jī)組異常的原因，從而確定非汛期機(jī)組的檢修等級(jí)和汛期運(yùn)行方式，對(duì)機(jī)組進(jìn)行了槳葉漂移情況、受油器上浮動(dòng)瓦漏油量、槳葉關(guān)腔壓力油量等測(cè)試。

3.1 槳葉漂移情況測(cè)試

低水頭工況下，2號(hào)機(jī)組在不同槳葉初始開度下的測(cè)試數(shù)據(jù)見表2。測(cè)試結(jié)果表明，15.5 m、16.0 m毛水頭工況下，當(dāng)槳葉初始開度較小時(shí)，相同時(shí)間范圍內(nèi)的槳葉漂移量變化較小；隨著槳葉初始開度進(jìn)一步增大，相同時(shí)間范圍內(nèi)槳葉開始出現(xiàn)明顯的漂移現(xiàn)象。槳葉初始開度基本相同時(shí)，對(duì)比不同水頭下的槳葉漂移量發(fā)現(xiàn)：水頭越低，其槳葉在機(jī)手動(dòng)狀態(tài)的偏開速度越快。綜合機(jī)組的漂移情況分析，槳葉異常抽動(dòng)不僅與毛水頭有關(guān)，而且與槳葉開度的大小息息相關(guān)。

3.2 受油器上浮動(dòng)瓦漏油量測(cè)試

受油器上油箱主要收集上浮動(dòng)瓦（與關(guān)腔油管連通）、上下浮動(dòng)瓦平壓管、輪轂供油管外側(cè)銅瓦漏油。通過關(guān)閉上油箱至油壓裝置回油箱的連接閥門，采用鋼制刻度尺記錄上油箱油位變化的方法即可測(cè)量上油箱油量；測(cè)試過程中槳葉開度每漂移2%，記錄一次上油箱、壓力油罐的油位變化，受油器結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 受油器結(jié)構(gòu)示意圖

毛水頭為16.5 m時(shí)，槳葉開度從90%左右自動(dòng)漂移至滿開度，機(jī)組有功為112.5～106.1 MW，其數(shù)據(jù)見表3。測(cè)試結(jié)果表明，槳葉關(guān)腔因開度增加而減少的透平油容積平均約占上油箱所收集漏油量的91%，槳葉開腔因開度增加而增加的透平油容積平均約占?jí)毫τ凸逌p少油量的87%。忽略測(cè)量誤差及導(dǎo)葉相關(guān)操作閥門的漏油，從透平油的容積變化來看，當(dāng)槳葉和導(dǎo)葉均切機(jī)手動(dòng)時(shí)，在槳葉漂移過程中，槳葉關(guān)腔減少的油全部漏至受油器上油箱，而槳葉開腔補(bǔ)充的油全部來自壓力油罐。

表3 槳葉開度、上油箱和壓力油罐油位變化

3.3 槳葉關(guān)腔壓力油量測(cè)試

在設(shè)備密封完好的情況下，槳葉關(guān)腔壓力油量變化值、受油器上油箱漏油量、壓力油罐油量變化值存在如下關(guān)系：槳葉和導(dǎo)葉均切機(jī)手動(dòng)時(shí)，手動(dòng)關(guān)閉槳葉引起關(guān)腔增加的壓力油（A）與受油器上油箱漏油量（B）之和等于壓力油罐減少油量（C）；即：

為了避免槳葉中間停留過程對(duì)測(cè)試的影響，關(guān)槳葉過程要求保持槳葉開度勻速變化、一次調(diào)整到位的方式，關(guān)槳葉過程中機(jī)組負(fù)荷略微降低，毛水頭20.4 m的測(cè)試結(jié)果詳見表4。通過比較關(guān)槳葉過程中透平油量變化可知，關(guān)槳葉過程的時(shí)間越短，槳葉引起關(guān)腔增加的壓力油（A）、受油器上油箱漏油量（B）之和與壓力油罐油量（C）的誤差越小，即在槳葉主配閥芯開口越大時(shí)，A+B=C關(guān)系成立；槳葉開、關(guān)腔油量守恒也表明了槳葉開腔和關(guān)腔不存在內(nèi)部竄油現(xiàn)象。

綜上所述，在水力矩和自重力作用下[5]，由于槳葉關(guān)腔壓力油無法實(shí)現(xiàn)保壓，槳葉自動(dòng)往開方向漂移。當(dāng)槳葉開度變化超過調(diào)速器設(shè)定的漂移量時(shí)，調(diào)速器自動(dòng)將槳葉調(diào)整至協(xié)聯(lián)開度，從而導(dǎo)致機(jī)組在低水頭、大槳葉開度工況下出現(xiàn)槳葉頻繁抽動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)而引起油壓裝置供油泵組頻繁啟停、透平油油溫升高。

停機(jī)期間對(duì)2號(hào)機(jī)組巡查發(fā)現(xiàn)：槳葉機(jī)械和電氣反饋信號(hào)正常；主配自復(fù)中正常，主配先導(dǎo)電磁閥動(dòng)作靈活；調(diào)速器協(xié)聯(lián)關(guān)系正常。通過對(duì)受油器的分解發(fā)現(xiàn)：上浮動(dòng)瓦及其徑向密封、輪轂供油管外側(cè)銅瓦及密封均存在嚴(yán)重磨損現(xiàn)象，且上浮動(dòng)瓦雙邊間隙增長近一倍。更換上、下浮動(dòng)瓦及密封，并按設(shè)計(jì)要求調(diào)整浮動(dòng)瓦雙邊間隙后，機(jī)組在低水頭、大槳葉開度工況運(yùn)行未再發(fā)生槳葉抽動(dòng)現(xiàn)象，供油泵啟停和調(diào)速系統(tǒng)油溫均恢復(fù)正常。

表4 關(guān)槳葉過程的透平油變化

4 運(yùn)行及檢修建議

（1）由于軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組同時(shí)擁有兩套相對(duì)獨(dú)立的油壓操作系統(tǒng)，機(jī)組負(fù)荷變化需要導(dǎo)葉和槳葉的協(xié)聯(lián)配合，運(yùn)行期間應(yīng)密切監(jiān)視供油泵、漏油泵的啟停間隔和運(yùn)行時(shí)間，并做好運(yùn)行記錄，以便后期對(duì)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估。

（2）槳葉操作系統(tǒng)涉及的密封件數(shù)量眾多，機(jī)組大修期間，應(yīng)嚴(yán)格控制槳葉壓力油系統(tǒng)密封件的安裝質(zhì)量，嚴(yán)格按照國標(biāo)或行標(biāo)進(jìn)行機(jī)組盤車和轉(zhuǎn)輪的保壓試驗(yàn)[6]。

（3）為了深入掌握槳葉開腔和關(guān)腔的運(yùn)行狀況，建議雙調(diào)機(jī)組在與受油器連接的透平油壓力管路上安裝數(shù)顯式壓力表或壓力變送器。

（4）定期對(duì)調(diào)速系統(tǒng)透平油進(jìn)行油質(zhì)檢驗(yàn)，并做好檢查記錄。