杜凱堂

(五凌電力有限公司五強溪水電廠，湖南 長沙 410000))

五強溪保安機組尾水閘門跌落故障分析及處理

Analysis and treatment of tail gate abnormal shutdown for Wuqiangxi security unit

杜凱堂

(五凌電力有限公司五強溪水電廠，湖南 長沙 410000))

通過對五強溪電廠某保安機組的故障分析和對尾水閘門的實際運行情況的分析，指出尾水閘門提升拉桿上的聯(lián)接柱銷與裝配孔配合間隙過大是造成故障的主要原因，并提出了快速處理方案、改進(jìn)措施。

尾水閘門；故障關(guān)閉；快速處理方案

2014年4月3日，五強溪水電廠保安機組C級檢修完成后首次開機，在開機過程中發(fā)現(xiàn)，機組不能達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，部分設(shè)備損壞。經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)尾水閘門在機組開機過程中跌落至底，將尾水管出水口封堵。這種故障比較罕見，為便于對水電廠類似故障處理，文中對故障分析及處理情況進(jìn)行總結(jié)。

該水輪發(fā)電機組單機容量為15 MW，水輪機為混流式，型號為:HLA551－LJ－210〔1〕。發(fā)電機為懸式，型號為:SF15－22/4250〔2〕。水輪發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)與國內(nèi)一般立式混流式水輪發(fā)電機組類同。

水輪發(fā)電機組及流道均布置在水庫溢洪道的下方。

1 故障分析及處理過程

1.1 故障發(fā)生過程

2014年4月3日，上游水庫水位▽101.41 m，下游尾水位▽54.13 m。當(dāng)日10時06分，機組C級檢修完成后首次開機，采用手動開機方式。當(dāng)導(dǎo)葉開度至25%時，發(fā)現(xiàn)機組轉(zhuǎn)速上升較慢，至215 r/min時轉(zhuǎn)速不能再上升，達(dá)不到額定轉(zhuǎn)速272.7 r/min；同時，機組啟動1 min后，發(fā)電機軸上端法蘭處噴水。操作人員立即對機組進(jìn)行事故停機操作，關(guān)閉水輪機導(dǎo)葉，機組正常停機。同時對機組設(shè)備進(jìn)行了外觀檢查，發(fā)現(xiàn)發(fā)電機軸上端與補氣閥下面之間的大軸短管法蘭處橡膠密封墊被沖出，水輪機補氣閥部分固定螺栓被沖斷，其它設(shè)備未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

1.2 故障分析及檢查

專業(yè)人員對故障的原因進(jìn)行了分析。對發(fā)電機軸上端法蘭平板橡膠密封墊可能損壞的原因分析如下:運行工況是下游尾水位為▽54.13 m，發(fā)電機軸上端法蘭密封墊處高程為▽58 m，正常情況下密封墊不可能損壞。專業(yè)人員有2種不同的看法:第一種觀點是密封墊老化導(dǎo)致故障，理由是:機組已運行10多年，同時機組安裝時整體質(zhì)量不佳，因此密封墊老化的可能性較大。第二種觀點是巨大的壓力將密封墊沖出導(dǎo)致故障。理由是:發(fā)電機軸上端法蘭間的密封墊壓緊力較大，機組正常運行時，水不會到達(dá)密封墊處，即使老化，密封墊也不會從法蘭處沖出；同時，在機組的前期運行中，當(dāng)尾水位超過▽58 m時，曾發(fā)生過一次大軸補氣閥往外噴水的事件，密封墊沒有損壞，這次下游尾水位為▽54.13 m，低于▽58 m，更加不具備密封墊損壞的條件，密封墊損壞的原因只能是，有一股巨大的壓力水將密封墊從法蘭間快速沖出，造成密封墊損壞。并認(rèn)為形成巨大壓力水的原因有:1)調(diào)速器調(diào)節(jié)參數(shù)發(fā)生變化或手動開機操作方式不當(dāng)，形成巨大的水擊壓力；2)尾水管流水不暢，蝸殼內(nèi)的水流到轉(zhuǎn)輪室后，壓力能沒有轉(zhuǎn)化為動能〔3〕，使發(fā)電機軸上端密封墊處壓力過大。上述2種原因都可能存在。

對于大軸補氣閥基礎(chǔ)螺栓被沖斷的原因，也有機組運行或啟動過程中損壞的可能。

機組開機不能達(dá)到額定轉(zhuǎn)速可能的原因有: 1)機組進(jìn)水口堵塞使壓力鋼管內(nèi)的水流量不夠，以前發(fā)生過由于機組進(jìn)水口堵塞，機組負(fù)荷帶不上去的情況；2)尾水管內(nèi)有堵塞物存在，水不能正常流出；3)導(dǎo)水機構(gòu)故障，機組啟動過程中導(dǎo)葉沒有打開。

針對這3種情況，確定做下列檢查:1)調(diào)速器參數(shù)檢查；2)導(dǎo)水機構(gòu)檢查；3)機組進(jìn)水口檢查；4)機組尾水渠及尾水閘門檢查。以上檢查完成后，未發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷。

由于尾水管及尾水渠檢查困難較大，決定先對機組進(jìn)行啟動試驗，檢查有關(guān)運行參數(shù)，再次分析尾水渠及尾水管是否存在缺陷。

由于不能排除尾水系統(tǒng)的故障，為保證設(shè)備安全，機組再次啟動時，緩慢開啟水輪機導(dǎo)葉，同時密切觀察流道系統(tǒng)的壓力參數(shù)。

再次進(jìn)行機組啟動試驗檢查，當(dāng)水輪機導(dǎo)葉開度開到20%后，機組轉(zhuǎn)速較慢，到215 r/min后轉(zhuǎn)速不再上升，機組運行情況與第一次啟動時相似，但發(fā)電機上端補氣管未發(fā)現(xiàn)有噴水現(xiàn)象。這次開機重點觀察了機組的相關(guān)水壓力參數(shù)。導(dǎo)葉開度在20%時，尾水肘管壓力為0.2 MPa，機組正常運行時，這個壓力應(yīng)該為0。蝸殼末端壓力表顯示為0.2 MPa，與尾水管肘管壓力表相同，上述水壓力數(shù)據(jù)說明，尾水管或尾水渠發(fā)生了堵塞。

潛水員下水檢查后，發(fā)現(xiàn)尾水閘門在全關(guān)位置，尾水閘門與拉桿脫開，拉桿損壞。

機組正常運行時，尾水閘門是通過一拉桿懸掛在尾水渠內(nèi)。拉桿與尾水閘門的連接結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 尾水閘門與拉桿聯(lián)接圖

為了查出拉桿損壞、尾水閘門下落等原因，對拉桿和尾水閘門又進(jìn)行了全面檢查。對尾水閘門上部與拉桿聯(lián)接處檢查后，發(fā)現(xiàn)聯(lián)接柱銷懸掛在閘門的吊耳上，尾水閘門上部聯(lián)接處無損壞。對拉桿進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)拉桿叉頭的一側(cè)已斷裂，鎖定聯(lián)接柱銷的2塊鎖定板與銷接觸部分已完全磨掉。經(jīng)查閱相關(guān)圖紙，尾水閘門拉桿與聯(lián)接柱銷的配合為Ф120H11/C11，設(shè)計最大間隙為＋0.620 mm，設(shè)計最小間隙為＋0.180 mm。根據(jù)設(shè)備安裝和檢修中的實際情況，對于基本尺寸為Ф120的聯(lián)接柱銷，這種配合間隙較大，聯(lián)接柱銷在尾水閘門拉桿的裝配孔中很容易滑動。保安機組正常運行時，尾水閘門浸泡在下游尾水渠中，尾水閘門經(jīng)常搖晃振蕩，導(dǎo)致尾水閘門與拉桿的聯(lián)接柱銷在拉桿的裝配孔中滑動，聯(lián)接柱銷與鎖定板產(chǎn)生碰撞、摩擦，久而久之，聯(lián)接柱銷失去鎖定，從拉桿的裝配孔中滑出，尾水閘門與拉桿分離。

根據(jù)分析得出:在機組啟動中，聯(lián)接柱銷完全松脫，尾水閘門突然下落，由于水錘的作用，在機組補氣管內(nèi)形成巨大的壓力，將發(fā)電機軸上端法蘭間的平板橡膠密封墊沖出，并同時將位于發(fā)電機軸頂端的補氣閥基礎(chǔ)螺栓沖斷。

1.3 故障處理方案

由于下游尾水位較高，拉桿與尾水閘門的聯(lián)接部位位于水下，需要潛水員才能完成聯(lián)接操作。為不影響機組盡快并網(wǎng)發(fā)電，將制定了一個快速處理方案。對聯(lián)接裝置進(jìn)行了臨時改進(jìn)，將聯(lián)接柱銷的鎖定板改在聯(lián)接柱銷上，將1個長條形板用螺栓固定在聯(lián)接柱銷的端面上作為臨時鎖定措施 (聯(lián)接示意圖如圖2)，尾水閘門提升后，機組一次啟動成功。

圖2 尾水閘門與拉桿臨時聯(lián)接圖

2 建議

1)由于五強溪保安機組尾水閘門的運行環(huán)境不佳，在機組運行時，尾水閘門浸泡在尾水中，經(jīng)常處于微振蕩狀況，提升拉桿與尾水閘門的聯(lián)接結(jié)構(gòu)必須十分可靠。通過上面的分析，目前聯(lián)接柱銷與拉桿的裝配孔間隙太大，應(yīng)該選擇一個合適的數(shù)據(jù)。根據(jù)安裝經(jīng)驗，對于Φ120的基本尺寸，配合間隙宜選擇IT8〔5〕，配合間隙0.063 mm，比現(xiàn)在的設(shè)計值 (0.180～0.620 mm)，明顯偏小。

2)不論是機組進(jìn)水口平板閘門還是機組尾水平板閘門，對于類似的結(jié)構(gòu)，應(yīng)定期檢查聯(lián)接柱銷的狀況和鎖錠板的完好情況。有疑問時應(yīng)及時加固或更換。

3)在水電廠類似平板閘門結(jié)構(gòu)中，不能為了檢修的方便，隨意加大拉桿柱銷裝配的配合間隙。

3 結(jié)束語

在水力發(fā)電系統(tǒng)中，尾水閘門的異常下落是很罕見的，目前公開的文獻(xiàn)中，沒有見過相關(guān)報導(dǎo)。

在水力管道系統(tǒng)中，如果水流速度突然發(fā)生改變，會在壓力管道內(nèi)產(chǎn)生水擊現(xiàn)象。水擊壓力的大小與管道內(nèi)的水流流量、初始速度、管道長度、水流速度改變的時間密切相關(guān)。流量越大、初始速度越高、管道越長產(chǎn)生的水擊壓力越大〔4〕。

2014年4月五強溪保安機組尾水閘門故障異常跌落故障發(fā)生在機組C級檢修完成后的首次開機，管道系統(tǒng)的流量不大，流速不快，產(chǎn)生的水擊壓力相對較小。但仍使發(fā)電機軸上端法蘭平板橡膠密封墊被沖出、大軸補氣閥部分固定螺栓被沖斷。如果機組運行在大負(fù)荷高水頭工況，水擊力將增大數(shù)倍以上，可能會造成水輪機頂蓋損壞。因此機組運行時，尾水閘門的可靠固定非常重要。如果機組進(jìn)水口工作閘門快速下落，僅僅甩掉機組所帶負(fù)荷，發(fā)電設(shè)備影響不大。而尾水閘門在運行中突然關(guān)閉，可能會造成嚴(yán)重設(shè)備損壞乃至水淹廠房等嚴(yán)重后果。因此，為機組運行安全穩(wěn)定運行，一定要重視尾水閘門提升拉桿聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和運行維護(hù)工作。

〔1〕哈爾濱電機有限責(zé)任公司.水輪機結(jié)構(gòu)設(shè)計說明書〔S〕.1997.

〔2〕哈爾濱電機有限責(zé)任公司.發(fā)電機設(shè)計說明書 〔S〕.1998.

〔3〕劉大凱.水輪機 〔M〕.北京:水利水電出版社，1997.

〔4〕趙振興，何建京.水力學(xué) 〔M〕.北京:清華大學(xué)出版社，2010.

〔5〕方昆凡.公差與配合實用手冊 〔M〕.北京:機械工業(yè)出版社，2012.

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.01.011

TK730.8

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1008-0198(2015)01-0042-03

杜凱堂 (1962)，男，高級工程師。長期從事水電廠機電設(shè)備維護(hù)及技術(shù)管理工作。

2014-09-10