康振國(guó)

(安康水力發(fā)電廠，陜西安康725000)

水電機(jī)組誤起動(dòng)原因分析及對(duì)策

康振國(guó)

(安康水力發(fā)電廠，陜西安康725000)

一些水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承更換氟塑料瓦后，會(huì)發(fā)生機(jī)組誤啟動(dòng)現(xiàn)象。從導(dǎo)葉漏水量大和推力軸承摩擦阻力減小兩方面分析了機(jī)組誤啟動(dòng)的原因，并推導(dǎo)出機(jī)組慢轉(zhuǎn)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式。以安康水電廠為例，提出了減少導(dǎo)葉漏水量和增加推力軸承摩擦阻力的措施，以解決機(jī)組誤啟動(dòng)問(wèn)題。

誤啟動(dòng)；導(dǎo)葉漏水量；摩擦系數(shù)；水輪發(fā)電機(jī)組

0 概 述

安康水電廠從1994年開(kāi)始，陸續(xù)將4臺(tái)200 MW水輪發(fā)電機(jī)組推力軸承瓦由烏金瓦更換成彈性金屬塑料瓦，由于塑料瓦的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)比烏金瓦低，在庫(kù)水位較高時(shí)，4臺(tái)機(jī)組都發(fā)生了停機(jī)后又自行慢轉(zhuǎn)起來(lái)的現(xiàn)象，即機(jī)組誤起動(dòng)。機(jī)組在低速下運(yùn)轉(zhuǎn)，推力軸承和導(dǎo)軸承潤(rùn)滑條件不良，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行有燒損推力軸瓦的危險(xiǎn)，因此，機(jī)組不得不采用加閘備用的方式防止其誤起動(dòng)。加閘備用方式，降低了機(jī)組事故備用的速動(dòng)性，若遇到風(fēng)閘發(fā)卡不能下落，將大大地延誤機(jī)組開(kāi)機(jī)并網(wǎng)的時(shí)間，失去了水電機(jī)組可迅速開(kāi)機(jī)的優(yōu)越性。

1 原因分析

引起機(jī)組誤起動(dòng)的原因主要有兩個(gè)方面，一方面是阻力矩減小，主要是推力瓦面摩擦系數(shù)變小； 一方面是水動(dòng)力大，即導(dǎo)水葉漏水量大。

1.1 導(dǎo)葉漏水量大

導(dǎo)葉漏水包括立面間隙漏水和端面間隙漏水兩種。

1.1.1 導(dǎo)葉立面間隙漏水

1.1.1.1 漏水原因

(1)導(dǎo)葉未全關(guān)到位。機(jī)組自動(dòng)停機(jī)時(shí)若導(dǎo)葉不能全關(guān)到位(接力器關(guān)閉行程不夠)，將使導(dǎo)水葉存在部分間隙，產(chǎn)生一定的漏水量。

(2)運(yùn)行中導(dǎo)葉立面間隙發(fā)生變化。若導(dǎo)葉立面間隙調(diào)整好后連桿背帽未鎖緊，在機(jī)組運(yùn)行中由于振動(dòng)等原因，可能產(chǎn)生連桿背帽松動(dòng)現(xiàn)象，這樣，連桿就容易發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，而使導(dǎo)葉立面間隙發(fā)生變化。

(3)導(dǎo)葉立面間隙無(wú)法調(diào)整合格。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)制造和安裝時(shí)存在先天性缺陷，如導(dǎo)葉上、中、下軸頸不同軸度大；導(dǎo)葉密封面與導(dǎo)葉軸線(xiàn)不平行度大；導(dǎo)葉上、中、下軸套不同心；導(dǎo)葉軸線(xiàn)與頂蓋、底環(huán)不垂直等[1]。上述缺陷均可造成相鄰兩導(dǎo)葉密封面不平行，調(diào)整立面間隙時(shí)，立面密封面只有少部分長(zhǎng)度接觸，大部分長(zhǎng)度存在楔形間隙。

(4)導(dǎo)葉軸頸與軸套間隙過(guò)大。若導(dǎo)葉軸套加工尺寸不當(dāng)或?qū)~軸套經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行磨損均可造成軸頸與軸套配合尺寸增大，當(dāng)導(dǎo)葉軸套和軸頸間隙過(guò)大時(shí)，導(dǎo)葉軸心就會(huì)有一定的位移，即使各導(dǎo)葉軸心在某一位置時(shí)立面間隙已調(diào)整合格，但蝸殼充水后受水壓的作用導(dǎo)葉軸心發(fā)生位移，使原已調(diào)好的立面間隙遭到破壞。

(5)接力器壓緊行程過(guò)小。接力器壓緊行程過(guò)小時(shí)，不能使導(dǎo)葉立面密封面緊密接觸，從而產(chǎn)生間隙。

1.1.1.2 漏水量計(jì)算

導(dǎo)葉立面間隙處漏水量計(jì)算可按孔口淹沒(méi)出流考慮，其計(jì)算公式為

(1)

式中，Q為漏水流量，m3/s；μ為流量系數(shù)；g為重力加速度，m/s2；H為水頭，m；S為水流出口面積，m2。

導(dǎo)葉立面間隙處漏水出口面積為

(2)

式中，i為立面密封面序號(hào)；δcpi為第i個(gè)導(dǎo)葉立面密封處間隙平均值，m；li為第i個(gè)導(dǎo)葉立面密封處有間隙的長(zhǎng)度，m。

將式(2)代入式(1)得導(dǎo)葉立面間隙處漏水量為

(3)

導(dǎo)葉立面間隙處漏水產(chǎn)生的功率為

(4)

式中，η為水輪機(jī)效率。

1.1.2 導(dǎo)葉端面間隙漏水

1.1.2.1 漏水原因

(1)導(dǎo)葉端面上、下總問(wèn)隙和超過(guò)設(shè)計(jì)值。安康水電廠導(dǎo)葉端面密封為橡膠條密封，其凸出高度為lmm，產(chǎn)生磨損后其值將減小，若上、下端面間隙過(guò)大，密封條就不能有效封水，從而產(chǎn)生漏水。

(2)導(dǎo)葉端面間隙分配不合理。若導(dǎo)葉上、下端面間隙調(diào)整不合理，或雖調(diào)整合理，但運(yùn)行中又發(fā)生變化，都會(huì)導(dǎo)致一端間隙大，另一端間隙小的結(jié)果，使導(dǎo)葉端面間隙漏水量增加。

(3)密封橡膠條制造質(zhì)量不良。如密封條材質(zhì)不好，就容易受剪切或擠壓作用而撕裂；若密封條形狀不符合設(shè)計(jì)要求，可能造成密封條壓緊后凸出高度不夠，兩者產(chǎn)生的后果都是密封條封水作用減弱。

1.1.2.2 漏水量計(jì)算

導(dǎo)葉端面間隙漏水流量計(jì)算也可按孔口淹沒(méi)出流對(duì)待，其計(jì)算公式同式(1)。

導(dǎo)葉端面間隙處漏水口面積為

(5)

式中，△j為第j個(gè)導(dǎo)葉上、下端面間隙之和，m；L為兩個(gè)相鄰導(dǎo)葉軸心間的弧長(zhǎng)，m。

L=(πDo-24d)/24=πD0/24-d=0.13D0-d

式中，Do為導(dǎo)葉分布圓直徑，m；d為導(dǎo)葉軸頸直徑，m。則

(6)

導(dǎo)葉端面間隙處漏水產(chǎn)生的功率為

(7)

導(dǎo)葉立、端面間隙漏水產(chǎn)生的總功率為

(8)

1.2 推力軸承阻力矩減小

在使用烏金推力瓦時(shí)，由于啟動(dòng)摩擦系數(shù)和啟動(dòng)力矩較大，機(jī)組在停機(jī)狀態(tài)下一般不會(huì)發(fā)生誤啟動(dòng)。安康水電廠在未更換彈性金屬氟塑料推力瓦之前，只有個(gè)別機(jī)組偶爾發(fā)生過(guò)誤啟動(dòng)現(xiàn)象。更換氟塑料推力瓦后4臺(tái)機(jī)均出現(xiàn)了機(jī)組誤啟動(dòng)，在高水頭時(shí)，停機(jī)后只要風(fēng)閘一撤就發(fā)生機(jī)組誤啟動(dòng)，而水頭低時(shí)此現(xiàn)象消失。其主要原因是彈性金屬氟塑料瓦摩擦系數(shù)小，無(wú)潤(rùn)滑時(shí)塑料瓦與鋼摩擦系數(shù)為0.04～0.O9，而烏金瓦與鋼干摩擦系數(shù)為0.15～0.20，塑料瓦的干摩擦系數(shù)約為鎢金瓦的1/3～1/2，據(jù)某大型水電站3號(hào)機(jī)推力軸承的測(cè)試結(jié)果，塑料瓦的啟動(dòng)摩擦系數(shù)約為烏金瓦的1/2。

在機(jī)組起動(dòng)時(shí)的阻力矩中，推力軸承的阻力矩占主要部分，而推力軸承的阻力矩和起動(dòng)摩擦系數(shù)成正比，推力瓦的起動(dòng)摩擦系數(shù)越小，機(jī)組起動(dòng)時(shí)的阻力矩就越小，當(dāng)機(jī)組漏水產(chǎn)生的動(dòng)力矩大于起動(dòng)阻力矩時(shí)，機(jī)組就會(huì)自行轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。在漏水的動(dòng)力矩一定的情況下，裝氟塑料推力瓦的機(jī)組比裝烏金推力瓦的機(jī)組更易產(chǎn)生誤起動(dòng)。

1.3 機(jī)組誤啟動(dòng)慢轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式推導(dǎo)

機(jī)組處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)漏水的作用要使機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)，就必須克服機(jī)組的摩擦阻力矩，其必要條件是

Md>Mz

(9)

式中，Md為漏水產(chǎn)生的主軸動(dòng)力矩；Mz為機(jī)組阻力矩。

機(jī)組慢轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定時(shí)，其主軸動(dòng)力矩Md與軸功率的關(guān)系為

Md=9552N/n[3]

(10)

式中，N為導(dǎo)葉立、端面間隙漏水產(chǎn)生的機(jī)組軸功率；n為機(jī)組實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。

若不計(jì)導(dǎo)軸承等處的阻力矩，則機(jī)組阻力矩Mz可用下式表示

Mz=fGD/2

(11)

式中，f為推力瓦與鏡板的摩擦系數(shù)；G為水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量；D為發(fā)電機(jī)推力軸承瓦分布圓直徑。

要維持機(jī)組在穩(wěn)定轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)，需使機(jī)組動(dòng)力矩等于摩擦阻力矩，即Md=Mz。

將式(10)、(11)代入式(9)得：n=19104N/fGD。

則由于導(dǎo)葉漏水作用而使機(jī)組慢轉(zhuǎn)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速

(12)

可以看出，誤啟動(dòng)慢轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的大小與導(dǎo)葉立、 端面間隙總和的大小成正比，與水頭的3/2次方成正比，與推力軸承摩擦系數(shù)、機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量、推力軸承瓦分布圓直徑成反比。

2 安康水電廠導(dǎo)葉漏水量和機(jī)組誤啟動(dòng)慢轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速計(jì)算實(shí)例

2.1 導(dǎo)葉漏水量計(jì)算實(shí)例

安康水電廠1號(hào)機(jī)實(shí)測(cè)導(dǎo)水葉立、端面間隙如表1。

導(dǎo)葉漏水量等于導(dǎo)葉立、端面間隙漏水量之和。即

=31.66(0.0278+0.0121)=1.26 m3

(13)式中，H取值76 m；li取值1.375 m；D0為6.4 m；d為0.23 m；δcpi、△j數(shù)據(jù)取自表1。計(jì)算結(jié)果與用容積法測(cè)得的導(dǎo)葉漏水量1.45 m3比較接近。

2.2 機(jī)組慢轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速計(jì)算實(shí)例

利用公式(12)計(jì)算機(jī)組實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速

(14)

n=830 068.8×0.82×0.6×763/2(0.0278+0.0121)/0.04×8 348 310×2.745=11.78 rad/min

實(shí)際測(cè)得機(jī)組慢轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速為8.9%×107.1=9.53 rad/min，與上面計(jì)算值較接近。

3 防止機(jī)組誤起動(dòng)的措施

在以上分析的各種可能原因中，安康水電廠存在下列幾個(gè)方面的問(wèn)題：①由于制造、安裝等原因，導(dǎo)葉立面間隙無(wú)法調(diào)整合格，存在楔形間隙；②導(dǎo)葉立面間隙運(yùn)行中發(fā)生變化；③導(dǎo)葉端面上、 下總間隙和超過(guò)設(shè)計(jì)值；④導(dǎo)葉端面密封條質(zhì)量不良；⑤推力軸承阻力矩小。

3.1 解決導(dǎo)葉立面楔形間隙和防止立面間隙變化的措施

要消除導(dǎo)葉立面間隙存在楔形間隙，主要應(yīng)從以下幾個(gè)方面入手。

3.1.1 提高導(dǎo)葉軸頸同心度

對(duì)導(dǎo)葉上、中、下軸頸不同軸度大的導(dǎo)葉，將3個(gè)軸頸車(chē)削6～8 mm，熱套不銹鋼套后加工至原尺寸，加工時(shí)嚴(yán)格控制尺寸偏差和形位偏差，使導(dǎo)葉軸頸同軸度符合要求。

3.1.2 糾正導(dǎo)葉進(jìn)出水密封面與導(dǎo)葉軸線(xiàn)的平行度

在龍門(mén)刨床上將導(dǎo)葉大、小頭密封面刨削3 mm左右，補(bǔ)焊不銹鋼層，用專(zhuān)用墊塊按加工后的導(dǎo)葉軸線(xiàn)找正，刨削導(dǎo)葉大、小頭密封面，以保證導(dǎo)葉密封面與導(dǎo)葉軸線(xiàn)的平行度。

3.1.3 保證導(dǎo)葉軸孔的同心度及導(dǎo)葉軸線(xiàn)的垂直度

將導(dǎo)葉吊出，預(yù)裝頂蓋，用掛鋼琴線(xiàn)的方法測(cè)量導(dǎo)葉上、中、下軸孔的同心度和軸線(xiàn)的垂直度。可用旋轉(zhuǎn)頂蓋的方法糾正大多數(shù)孔的孔心偏差，剩余部分軸孔不同心度采用加工偏心軸套的方法加以糾正。

3.1.4 將導(dǎo)葉立面密封由硬密封改為彈性密封

導(dǎo)葉立面密封采用剛性密封時(shí)，由于制造、 安裝等原因無(wú)法將所有立面間隙都調(diào)整到零，而采用彈性密封時(shí)，由于密封條可以壓縮，很容易把立面間隙均調(diào)整到零，從有些水電站的運(yùn)行情況看，采用彈性密封的導(dǎo)葉在機(jī)組大小修時(shí)往往不需要調(diào)整導(dǎo)葉立面間隙或僅需少量調(diào)整[4]。

導(dǎo)葉立面采用彈性密封，就是在導(dǎo)葉大頭密封面加工出一條矩形槽，將改性聚氨酯密封條放人槽中，密封條斷面形狀為“T”形，用壓板將密封條壓緊，該壓板與原密封面平齊，而密封條則凸出原密封面1.5～2 mm。這樣，導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)，導(dǎo)葉小頭密封面就能與聚氨酯密封條緊密接觸。

為防止立面間隙發(fā)生變化，應(yīng)將連桿兩側(cè)的背幅打緊，必要時(shí)可與又頭點(diǎn)焊。

3.2 解決導(dǎo)葉端面間隙過(guò)大和端面密封條質(zhì)量問(wèn)題的措施

若導(dǎo)葉上、下端面間隙和過(guò)大，可在導(dǎo)葉的端面堆焊一層不銹鋼，也可沿導(dǎo)葉葉型周邊堆焊一圈不銹鋼，然后將補(bǔ)焊的不銹鋼層切削平整，導(dǎo)葉上、下端面間隙和控制在0.65～0.8 mm之間。這樣處理后可較大幅度地減少導(dǎo)葉端面間隙漏水量。

另外，應(yīng)選用質(zhì)量好的橡膠密封條，對(duì)橡膠條的材質(zhì)、斷面形狀、幾何尺寸嚴(yán)格把關(guān)，不合格的不得使用。

3.3 增加推力軸承阻力矩

安康水電廠推力軸承瓦已由烏金瓦更換成塑料瓦，因塑料瓦有許多優(yōu)點(diǎn)，不可能為了增加阻力矩而返回到原來(lái)的烏金瓦。機(jī)組誤起動(dòng)大部分是在推力瓦有油潤(rùn)滑的情況下發(fā)生的，因此，應(yīng)從潤(rùn)滑油方面采取措施，以增大起動(dòng)阻力矩。機(jī)組誤起動(dòng)最容易發(fā)生在剛停機(jī)的一段時(shí)間內(nèi)，這是因?yàn)閯偼C(jī)時(shí)油膜厚度較大，同時(shí)油溫較高，油的粘度較小，因而起動(dòng)摩擦系數(shù)也就小。若待推力軸承潤(rùn)滑油冷卻后再撤除風(fēng)閘，就可以減少機(jī)組誤啟動(dòng)的幾率，這就需要大大延長(zhǎng)加閘時(shí)間。為了減少加閘備用時(shí)間，停機(jī)后可讓推力外循環(huán)冷卻系統(tǒng)繼續(xù)工作一段時(shí)間，使?jié)櫥脱杆倮鋮s，以增加油的粘度和起動(dòng)摩擦系數(shù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)推力軸承瓦由烏金瓦更換為彈性金屬氟塑料瓦，給機(jī)組的運(yùn)行和檢修帶來(lái)許多益處，但同時(shí)也產(chǎn)生了負(fù)面影響，即機(jī)組誤起動(dòng)。解決機(jī)組誤起動(dòng)的問(wèn)題應(yīng)主要從減少導(dǎo)葉立、 端面間隙入手。

(2)導(dǎo)葉立面采用彈性密封是減少導(dǎo)葉立面間隙簡(jiǎn)便而有效的手段。

(3)導(dǎo)葉端面間隙漏水不可忽視，有時(shí)可能成為漏水的主要通道。解決導(dǎo)葉端面間隙漏水的方法主要是減少上、 下端面總間隙及合理分配上、 下端間隙。

(4)上述減少導(dǎo)水葉漏水量的措施大部分需在機(jī)組擴(kuò)大性大修中進(jìn)行，不經(jīng)擴(kuò)大性大修還沒(méi)有有效的處理方法。有的單位正在研制在蝸殼內(nèi)給導(dǎo)葉開(kāi)槽的機(jī)具，如能投人使用，不需擴(kuò)大性大修也可將導(dǎo)葉立面密封改成彈性密封，為不經(jīng)擴(kuò)大性大修解決機(jī)組誤起動(dòng)問(wèn)題帶來(lái)了希望。

[1]熊朝明， 張洪. 水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)漏水量影響原因分析及處理[J]. 中國(guó)水能及電氣化， 2009(4)： 38-40．

[2]劉忠潮. 水力學(xué)[M]. 上海： 人民教育出版社， 1981．

[3]胡乾善. 理論力學(xué)[M]. 上海： 人民教育出版社， 1980．

[4]張俊才. 龍羊峽2號(hào)機(jī)導(dǎo)水葉漏水量分析及密封結(jié)構(gòu)改造[J]. 青海水力發(fā)電， 1997(3)： 24-26．

(責(zé)任編輯 高 瑜)

Analysis and Treatment for Improper Starting of Hydro-generator Unit

KANG Zhenguo

(Ankang Hydropower Plant, Ankang 725000, Shaanxi, China)

Some hydro-generator unit will happen the improper starting after replacing the pads of thrust bearing with fluorine plastic pads. The reasons of improper starting are analyzed from two aspects of the increase of guide vane leakage and the decrease of coefficient of friction of thrust bearing, and the calculation formula of rotating speed under slow rotating condition is deduced. Taking Ankang Hydropower Plant as study case, the measures for reducing guide vane leakage and increasing coefficient of friction of thrust bearing are proposed. The application of these measures has eliminated the improper starting of units．

improper starting; guide vane leakage; coefficient of friction; hydro-generator unit

2016-05-26

康振國(guó)(1961—)，男，河北易縣人，高級(jí)工程師，主要從事水輪發(fā)電機(jī)組檢修工作．

TM312

A

0559-9342(2016)11-0076-04