軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組功率波動(dòng)及異常振動(dòng)分析

時(shí)志能，何良超，馮國(guó)柱

(1. 湖南五凌電力科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2. 大唐水電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，廣西 南寧 530031)

某水電站由船閘、發(fā)電廠房、溢流壩、開(kāi)關(guān)站等組成；廠房?jī)?nèi)安裝有四臺(tái)大型軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組，單機(jī)容量150 MW，水輪機(jī)型號(hào)ZZA814a，額定水頭Hr=19.5 m，最大水頭Hmax=31.5 m，額定轉(zhuǎn)速nr=62.5 r/min；調(diào)速器型號(hào)為YZ-40/2-6.3-GK-1-04，工作油壓6.3 MPa。

當(dāng)運(yùn)行毛水頭為24 m時(shí)，1號(hào)機(jī)組負(fù)荷在100 MW附近出現(xiàn)±3～5 MW波動(dòng)，對(duì)比同時(shí)段其他機(jī)組相同負(fù)荷的導(dǎo)葉、槳葉開(kāi)度發(fā)現(xiàn)，其導(dǎo)葉開(kāi)度均偏小5%～8%；經(jīng)排查近一周的運(yùn)行記錄，期間運(yùn)行水頭約為22.0～26.0 m，1號(hào)機(jī)組在大負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的導(dǎo)葉開(kāi)度較其他機(jī)組偏小5%～8%、槳葉開(kāi)度偏小10%～20%，且滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)水導(dǎo)擺度、上機(jī)架及頂蓋水平振動(dòng)混頻峰峰值均較平時(shí)增大1～2倍。

1 缺陷排查

1.1 測(cè)量信號(hào)排查

結(jié)合機(jī)組故障運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)，對(duì)比1號(hào)機(jī)組在不同時(shí)段、不同水頭、不同負(fù)荷條件下導(dǎo)槳葉開(kāi)度及有功信號(hào)發(fā)現(xiàn)，調(diào)速器、監(jiān)控系統(tǒng)及機(jī)械指針的導(dǎo)葉開(kāi)度和槳葉開(kāi)度均變化一致；調(diào)速器、勵(lì)磁系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)顯示的機(jī)組有功均變化一致，說(shuō)明導(dǎo)葉和槳葉開(kāi)度傳感器、機(jī)組有功信號(hào)反饋正常[1]。

1.2 功率波動(dòng)排查

當(dāng)運(yùn)行毛水頭為24.9 m時(shí)，三種初始工況下導(dǎo)葉均置為手動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)表1對(duì)1號(hào)機(jī)組進(jìn)行開(kāi)機(jī)增負(fù)荷工況下的功率波動(dòng)排查可知：①當(dāng)機(jī)組初始有功為74.84、148.06 MW時(shí)，機(jī)組有功隨著槳葉開(kāi)度的單向增加而增大，槳葉開(kāi)度達(dá)到極大值后再反向降低槳葉開(kāi)度時(shí)，機(jī)組有功未發(fā)生明顯變化；②在119.58 MW初始工況下，槳葉開(kāi)度先減少4.67%，機(jī)組有功未見(jiàn)明顯降低；當(dāng)單向調(diào)整槳葉開(kāi)度大于初始工況值時(shí)，機(jī)組有功呈現(xiàn)單向增加趨勢(shì)；當(dāng)槳葉開(kāi)度達(dá)到極大值42.2%后，單向減少導(dǎo)葉開(kāi)度，機(jī)組有功也單向減小。

表1 不同導(dǎo)、槳葉開(kāi)度下的機(jī)組功率變化

1.3 不同機(jī)組的有功對(duì)比測(cè)試

為進(jìn)一步驗(yàn)證1號(hào)機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)導(dǎo)槳葉開(kāi)度是否存在協(xié)聯(lián)故障，同步對(duì)4號(hào)機(jī)組開(kāi)展有功差異對(duì)比。根據(jù)表2可知：①當(dāng)1號(hào)和4號(hào)機(jī)組功率相同時(shí)，1號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度偏小約6%，槳葉開(kāi)度約偏小18%；②當(dāng)4號(hào)機(jī)組與1號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉和槳葉開(kāi)度相同時(shí)，4號(hào)機(jī)組功率偏低21.5 MW；固定4號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度，機(jī)組有功隨槳葉開(kāi)度減小而減低，隨槳葉開(kāi)度增加而增大；③4號(hào)機(jī)組在導(dǎo)葉開(kāi)度為64.68%工況下，機(jī)組有功從116.2 MW升至150.9 MW時(shí)，槳葉開(kāi)度增至73.4%，較原協(xié)聯(lián)工況增加23.3%。

表2 毛水頭22.39 m下不同機(jī)組有功及導(dǎo)槳葉開(kāi)度差異對(duì)比

綜上所述，雖然1號(hào)機(jī)組的導(dǎo)葉和槳葉傳感器、機(jī)組有功信號(hào)無(wú)故障，但在運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)組槳葉單向增加可使其功率增大，反向減少槳葉開(kāi)度時(shí)其功率幾乎不變；與4號(hào)機(jī)組在相同導(dǎo)槳葉開(kāi)度、有功的結(jié)果對(duì)比分析，1號(hào)機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，導(dǎo)葉和槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系存在失聯(lián)特征[2]。

2 機(jī)組穩(wěn)定性測(cè)試

由表3可知，1號(hào)機(jī)組在毛水頭24.8 m單向增負(fù)荷工況下，上導(dǎo)、推力軸承處的擺度均呈現(xiàn)緩慢增長(zhǎng)趨勢(shì)，水導(dǎo)擺度變化較為平穩(wěn)；除頂蓋垂直振動(dòng)緩慢增長(zhǎng)外，其余振動(dòng)測(cè)點(diǎn)的峰峰值均變化不大；總體而言，各擺度和振動(dòng)測(cè)點(diǎn)在機(jī)組單向增負(fù)荷過(guò)程中無(wú)異常突變現(xiàn)象。

表3 機(jī)組振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

機(jī)組在升至滿負(fù)荷后的減負(fù)荷試驗(yàn)工況下，有功在120 MW以下出現(xiàn)了功率波動(dòng)及異常振動(dòng)現(xiàn)象。當(dāng)負(fù)荷從150 MW減至120 MW時(shí)，上導(dǎo)和推力軸承處的擺度測(cè)點(diǎn)峰峰值、尾水管進(jìn)口壓力脈動(dòng)均發(fā)生突變，增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯；當(dāng)機(jī)組負(fù)荷繼續(xù)減少時(shí)，上導(dǎo)和推力軸承處的擺度變化相對(duì)緩慢，但水導(dǎo)擺度幾乎呈線性增長(zhǎng)，其峰峰值增加超過(guò)1倍。當(dāng)負(fù)荷減至80 MW時(shí)，機(jī)組有功波動(dòng)越發(fā)明顯，上機(jī)架-X水平振動(dòng)、推力軸承體-X垂直、頂蓋-X垂直振動(dòng)比150 MW工況的各對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)峰峰值增長(zhǎng)約2～5倍。

3 故障分析與處理

為實(shí)現(xiàn)軸流轉(zhuǎn)槳式或燈泡貫流式水輪機(jī)槳葉與導(dǎo)葉的協(xié)聯(lián)配合，槳葉一般通過(guò)缸動(dòng)式或操作架式結(jié)構(gòu)，將缸體或操作架的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為槳葉的旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，由于受槳葉水力矩限制，大型軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組的槳葉操作機(jī)構(gòu)常采用操作架式結(jié)構(gòu)[3-4]。圖1為1號(hào)機(jī)組的操作架結(jié)構(gòu)示意圖，活塞桿的上下位移帶動(dòng)操作架產(chǎn)生直線運(yùn)動(dòng)，卡環(huán)為兩瓣式結(jié)構(gòu)，僅承受操作架的軸向受力，限位套由8顆螺栓緊固，從而達(dá)到將卡環(huán)與操作架聯(lián)成一體的目的。

圖1 操作架結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)1號(hào)機(jī)組功率及導(dǎo)槳葉的排查結(jié)果，槳葉關(guān)閉方向異常是引發(fā)導(dǎo)葉和槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系破壞、機(jī)組功率波動(dòng)、水力條件惡化及異常振動(dòng)的直接原因。結(jié)合轉(zhuǎn)輪操作架的結(jié)構(gòu)分析[5-6]，由于在開(kāi)機(jī)增負(fù)荷過(guò)程中機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定狀況良好，未出現(xiàn)異常振動(dòng)和功率波動(dòng)現(xiàn)象，排除轉(zhuǎn)輪槳葉某個(gè)或某幾個(gè)耳柄松動(dòng)的可能性。結(jié)合對(duì)機(jī)組導(dǎo)葉和槳葉的電氣反饋、機(jī)械反饋的排查結(jié)果，卡環(huán)與限位套存在松動(dòng)或部分破裂脫落，可能是造成機(jī)組槳葉反饋與實(shí)際開(kāi)度不一致、功率波動(dòng)和異常振動(dòng)的根本所在。

因1號(hào)機(jī)組故障發(fā)生在汛期來(lái)臨之前，經(jīng)多方討論，電廠在機(jī)組流道排空的情況下，通過(guò)在泄水錐局部開(kāi)孔并用針式攝像頭對(duì)卡環(huán)位置的狀況進(jìn)行取證，結(jié)果顯示卡環(huán)的一瓣已經(jīng)脫落、限位套損壞、活塞桿靠近卡環(huán)側(cè)已部分磨損?？紤]到故障的嚴(yán)重性及發(fā)電需求，必須將轉(zhuǎn)輪在安裝間進(jìn)行解體后才能修復(fù)，且由于電廠缺少活塞桿及操作架備件，部件需返廠加工，修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)。經(jīng)主機(jī)廠進(jìn)一步復(fù)核，將轉(zhuǎn)輪葉片與輪轂體通過(guò)鋼板焊接的方式將槳葉固定于70%開(kāi)度，機(jī)組采用定槳運(yùn)行模式，待枯水期再進(jìn)行大修，盡可能減少主汛期的電量損失。槳葉固定焊接后，機(jī)組經(jīng)穩(wěn)定性測(cè)試后能夠滿足運(yùn)行要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)定期通過(guò)狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)機(jī)組的振動(dòng)、擺度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以便后期對(duì)故障進(jìn)行溯源。

2)聯(lián)合主機(jī)廠對(duì)卡環(huán)緊固的操作架結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估，從卡環(huán)材質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、安裝方面考慮對(duì)操作架與活塞桿的連接方式進(jìn)行優(yōu)化。