周 伍，王茂海，王慶書，吳定平

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水輪發(fā)電機(jī)組導(dǎo)葉操作拒動故障分析與處理

周 伍，王茂海，王慶書，吳定平

（葛洲壩水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443002）

為了解決機(jī)組在運(yùn)行過程中出現(xiàn)的導(dǎo)葉開啟拒動故障，經(jīng)反復(fù)檢查、分析，排除了調(diào)速系統(tǒng)故障、導(dǎo)葉端面摩擦等原因，通過在線應(yīng)力試驗確定了導(dǎo)葉中軸套摩擦阻力過大，最終進(jìn)行針對性故障處理，恢復(fù)了導(dǎo)葉操作靈活性，驗證了中軸套吸水膨脹導(dǎo)致導(dǎo)葉拒動的推斷。本文重點(diǎn)介紹導(dǎo)葉拒動故障的原因分析過程與針對性的處理措施。

水輪發(fā)電機(jī)組；導(dǎo)葉拒動；軸套；膨脹；應(yīng)力試驗

0 前言

葛洲壩電站共裝有21臺大型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)規(guī)模2715MW（170×2+125×19）。自2012年開始，葛洲壩電站開始大規(guī)模機(jī)組改造增容工作，原125MW機(jī)組增容至150MW，預(yù)計在2020年左右完成。

葛洲壩電站15號、20號機(jī)組制造廠家為國內(nèi)某廠，均于2013年進(jìn)行了水輪機(jī)改造增容，轉(zhuǎn)輪型號為ZZD673-LH-1020（改造前為ZZ500-LH-1020），設(shè)計水頭18.6m，工作水頭范圍9.1~27.0m，額定轉(zhuǎn)速62.5r/min。調(diào)速器為能事達(dá)公司W(wǎng)BST-150-4.0型產(chǎn)品，采用步進(jìn)電機(jī)+主配壓閥的結(jié)構(gòu)形式，主配直徑150mm，系統(tǒng)額定油壓4.0MPa，是帶機(jī)械位移反饋的二級調(diào)速系統(tǒng)[1]。

1 導(dǎo)葉拒動故障現(xiàn)象

2016年5月，葛洲壩電站15號、20號機(jī)組頻發(fā)調(diào)速器故障，只能單方向減小導(dǎo)葉開度，無法增大導(dǎo)葉開度，導(dǎo)致負(fù)荷無法增加。統(tǒng)計情況見表1。

表1 15號、20號機(jī)組導(dǎo)葉開啟拒動情況統(tǒng)計

5月17日15號機(jī)組故障初發(fā)時，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)調(diào)速器導(dǎo)葉側(cè)步進(jìn)電機(jī)絲桿已與回復(fù)杠桿脫開，導(dǎo)葉側(cè)主配閥芯處于極限開啟位置，導(dǎo)葉接力器開關(guān)腔壓差達(dá)到4.0MPa，且與壓油罐壓力波動趨勢一致，但導(dǎo)葉無法正常開啟，只能緩慢蠕動。輪葉側(cè)調(diào)速器工作正常。相關(guān)曲線情況如圖1。其余故障現(xiàn)象均與此次類似。

2 故障原因分析

2.1 初步檢查

5月17日，導(dǎo)葉開啟拒動故障發(fā)生后，對15號機(jī)組調(diào)速器進(jìn)行了全面檢查。檢查發(fā)現(xiàn)，故障發(fā)生時調(diào)速柜內(nèi)導(dǎo)葉側(cè)步進(jìn)電機(jī)、回復(fù)杠桿、引導(dǎo)閥等部件工作正常，主配壓閥保持在極限開啟位置，接力器開、關(guān)腔壓差達(dá)4.0MPa；控制環(huán)無異響及異動現(xiàn)象，抗磨板、導(dǎo)軌無異常剮蹭現(xiàn)象；過速系統(tǒng)、分段關(guān)閉裝置等部位均無異常。

綜合15號、20號機(jī)組的一致故障現(xiàn)象，特點(diǎn)有：

（1）導(dǎo)葉側(cè)調(diào)速器的電調(diào)部分、中接以及主配壓閥等正常動作，完成了向接力器配油的工作；

（2）導(dǎo)葉接力器開關(guān)腔形成4.0MPa的持續(xù)壓差，但接力器動作異常緩慢，導(dǎo)葉開啟拒動；

此外，導(dǎo)葉在關(guān)閉過程中接力器關(guān)腔與開啟壓差也在2.0MPa左右，壓差水平較高，但能夠正常操作導(dǎo)葉。導(dǎo)葉開啟與關(guān)閉過程接力器壓差不一致與水流對導(dǎo)葉的助關(guān)作用力有關(guān)。

故分析認(rèn)為故障過程中調(diào)速器整體工作正常，液壓動力成功傳遞至接力器處，導(dǎo)葉開啟拒動的根本原因是導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)阻力異常增大。異常的阻力可能存在于接力器、控制環(huán)以及導(dǎo)葉裝配等三個部位[2,3]。

2.2 應(yīng)力試驗

為了準(zhǔn)確定位存在異常阻力的部位，6月初進(jìn)行了故障機(jī)組15號機(jī)組與正常機(jī)組14號機(jī)組的對比應(yīng)力試驗。

兩臺機(jī)均在停機(jī)備用工況下安裝應(yīng)力測試片，然后開機(jī)至滿負(fù)荷運(yùn)行。試驗主要工況點(diǎn)為82%（當(dāng)時水頭最大出力開度）→75%→80%→70%→75%→ 65%→70%→60%→82%→60%（當(dāng)時水頭穩(wěn)定區(qū)域最小開度），共計9個開關(guān)導(dǎo)葉過渡過程。試驗全程記錄了開關(guān)導(dǎo)葉過程中32個導(dǎo)葉連桿與4個接力器推拉桿的應(yīng)力變化[4,5]。

表2 15號機(jī)組試驗過程中接力器應(yīng)力統(tǒng)計表

表3 14號、15號機(jī)組連桿、推拉桿合力統(tǒng)計表

試驗數(shù)據(jù)顯示開關(guān)導(dǎo)葉過程中：

（1）15號機(jī)組在各工況下四個接力器推拉桿受力基本一致（最大偏差10%~15%），接力器推拉桿合力是14號機(jī)組的4.4倍，測值與開關(guān)腔壓差絕對值相對應(yīng)，表明接力器開關(guān)腔壓差全部轉(zhuǎn)化為推拉桿力量，無內(nèi)部異常阻力；

（2）15號機(jī)組導(dǎo)葉連桿合力是14號機(jī)組的2.8倍，是導(dǎo)致接力器壓差過大的主要原因；

（3）15號機(jī)組控制環(huán)摩擦力較大，造成同樣結(jié)構(gòu)的導(dǎo)葉操作機(jī)構(gòu)條件下，力量輸出輸入比僅為40.5%（14號機(jī)組為62.9%），是導(dǎo)致接力器壓差過大的次要原因。

通過對比應(yīng)力試驗的定量分析，可以確認(rèn)異常阻力主要發(fā)生在導(dǎo)葉裝配處。

2.3 蝸殼排水檢查

為了進(jìn)一步確定導(dǎo)葉裝配異常阻力的具體位置，6月中旬對15號機(jī)進(jìn)行了蝸殼排水檢查。

活動導(dǎo)葉開度約為60%狀態(tài)下，檢查活動導(dǎo)葉上下端面間隙以及下方底環(huán)狀態(tài)：

（1）15號機(jī)組各活動導(dǎo)葉間隙偏差較大，與大修后數(shù)據(jù)對比，上端面間隙無增大現(xiàn)象，表明導(dǎo)葉無下沉現(xiàn)象。

（2）檢查過程中發(fā)現(xiàn)15號機(jī)組部分活動導(dǎo)葉下方底環(huán)的環(huán)氧涂層局部有刮痕，但在60%~100%開度下環(huán)氧涂層基本全部脫落，不影響該開度下導(dǎo)葉正常動作。

檢查結(jié)果表明導(dǎo)葉上下端面無產(chǎn)生異常阻力的現(xiàn)象。結(jié)合2013年15號機(jī)改造增容期間的檢修情況，活動導(dǎo)葉的三個軸套中，下軸套無明顯磨損未更換，中軸套全部更換，且軸套材質(zhì)由尼龍1010更換為MC納米尼龍[6,7]，上軸套與導(dǎo)葉軸領(lǐng)有5mm設(shè)計間隙，故分析認(rèn)為是因中軸套全部更換且變更材質(zhì)后，在運(yùn)行過程中尼龍遇水發(fā)脹，導(dǎo)致摩擦力異常增大，引發(fā)導(dǎo)葉操作拒動[8,9]。

此外，對15號機(jī)組導(dǎo)葉實(shí)際操作力進(jìn)行測量（將拐臂連桿銷拔出，用葫蘆拉動活動導(dǎo)葉，葫蘆上掛電子秤用于測量導(dǎo)葉動作的拉力），結(jié)果再次確認(rèn)了導(dǎo)葉裝配阻力異常增大的情況真實(shí)存在，且與應(yīng)力試驗測試值存在良好的對應(yīng)關(guān)系。

3 故障發(fā)展趨勢

確認(rèn)導(dǎo)葉中軸套膨脹、導(dǎo)致導(dǎo)葉操作拒動的故障原因后，結(jié)合當(dāng)時導(dǎo)葉操作時接力器開關(guān)腔油壓狀態(tài)，認(rèn)為導(dǎo)葉關(guān)閉時接力器壓差為2.0MPa左右，異常狀態(tài)下能夠順利停機(jī)，機(jī)組運(yùn)行風(fēng)險可控。由于當(dāng)時正值汛期，機(jī)組繼續(xù)維持運(yùn)行，并每日監(jiān)控機(jī)組狀態(tài)。

3.1 故障發(fā)生初期（修后~2016年5月）

2016年5月，15號機(jī)導(dǎo)葉開啟拒動故障發(fā)生后，向前追溯其導(dǎo)葉接力器開關(guān)腔壓力，統(tǒng)計值見表4。

表4 故障前接力器開啟過程開關(guān)腔壓差統(tǒng)計表

表中數(shù)據(jù)顯示修前接力器壓差正常，修后2014年2月開始，接力器壓差逐漸由2MPa升至3.5MPa。此階段導(dǎo)葉開關(guān)動作正常，但接力器壓差較大，應(yīng)與中軸套持續(xù)膨脹有關(guān)。至5月底，開始間或出現(xiàn)接力器壓差達(dá)到系統(tǒng)額定壓力4.0MPa，導(dǎo)葉仍無法正常操作的故障。期間導(dǎo)葉關(guān)閉過程接力器壓差約2.0MPa。

故障初期，導(dǎo)葉開啟操作時卡阻現(xiàn)象偶有出現(xiàn)。采取如下應(yīng)對措施：

（1）退出該機(jī)組AGC；

（2）每天在現(xiàn)場對導(dǎo)葉卡澀機(jī)組手動調(diào)整負(fù)荷，調(diào)整幅度在20~30MW，控制機(jī)組運(yùn)行工況不進(jìn)入振動區(qū)，觀察機(jī)組導(dǎo)葉開、關(guān)動作情況。

（3）當(dāng)機(jī)組導(dǎo)葉中接脫開時，將調(diào)速器導(dǎo)葉切手動，將中接關(guān)回，再將油壓打至4.0MPa，監(jiān)視導(dǎo)葉主接動作情況，并記錄導(dǎo)葉接力器開、關(guān)腔壓力，當(dāng)主接跟隨中接后切自動運(yùn)行。

圖2 15號機(jī)組導(dǎo)葉開啟過程壓差變化趨勢圖

3.2 故障發(fā)生中期（2016年6 ~7月）

隨著時間推移，導(dǎo)葉開啟拒動的次數(shù)及持續(xù)時間明顯增加。6月份，導(dǎo)葉開啟拒動主要發(fā)生在高水頭工況下，低水頭工況下導(dǎo)葉開啟正常。7月以來，拒動現(xiàn)象幾乎每天出現(xiàn)，且水頭降低時亦無改善。導(dǎo)葉關(guān)閉過程中接力器壓差也由2.0MPa攀升至3.0MPa。

6月份，15號機(jī)組導(dǎo)葉開啟時接力器壓差有隨水頭波動的現(xiàn)象，是由于在當(dāng)前開度（60%~80%）下，水壓力對導(dǎo)葉起助關(guān)作用，水頭越高，助關(guān)力量越大，導(dǎo)葉開啟越困難，反之亦然。而進(jìn)入7月中下旬，中軸套膨脹量進(jìn)一步增大，導(dǎo)葉調(diào)節(jié)拒動現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，水頭變化已無法改變拒動現(xiàn)象。

故障中期，導(dǎo)葉開啟操作卡阻現(xiàn)象頻率增加。采取如下應(yīng)對措施：

（1）將壓油泵啟停油壓從3.7/4.0MPa調(diào)整至3.8/4.1MPa，壓油泵出口安全閥始排值由4.05MPa調(diào)整至4.25MPa，壓力氣罐空氣安全閥始排值維持4.4MPa。

（2）加工專用擋塊，與100t液壓千斤頂一起放至水車室備用，以便關(guān)機(jī)卡阻時安裝在控制環(huán)與支持蓋的限位塊之間，幫助關(guān)閉導(dǎo)葉。

3.3 故障發(fā)生后期（2016年8月）

7月底，15號機(jī)組首次出現(xiàn)導(dǎo)葉關(guān)閉拒動現(xiàn)象，接力器壓差達(dá)3.94MPa，持續(xù)時間約3min（參考同期同類型14號機(jī)組機(jī)組最大壓差1.17MPa、21號機(jī)組最大壓差1.14MPa）。

圖3 15F首次導(dǎo)葉關(guān)閉拒動曲線圖

同時，進(jìn)入8月份，15號機(jī)組運(yùn)行過程中多次出現(xiàn)剪斷銷剪斷故障，檢查發(fā)現(xiàn)個別導(dǎo)葉套筒隨導(dǎo)葉動作出現(xiàn)螺孔曠量位移，導(dǎo)致剪斷銷剪斷。

圖4 15號機(jī)組導(dǎo)葉導(dǎo)葉套筒曠量位移圖

分析認(rèn)為因中軸套繼續(xù)膨脹，導(dǎo)致個別導(dǎo)葉軸與套筒抱死，拐臂驅(qū)動導(dǎo)葉時帶動套筒一起轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動位移最大為套筒螺孔的曠量約4mm，超過此曠量后套筒及拐臂無法繼續(xù)轉(zhuǎn)動，剪斷銷剪斷。

由于24個導(dǎo)葉中，已有3個導(dǎo)葉套筒發(fā)現(xiàn)有松動跡象，隨時可能進(jìn)一步惡化，發(fā)生導(dǎo)葉與套筒抱死，大規(guī)模破壞剪斷銷的故障，故機(jī)組轉(zhuǎn)為定導(dǎo)葉開度運(yùn)行，并申請停機(jī)檢修。

故障后期，導(dǎo)葉出現(xiàn)關(guān)閉操作時卡阻現(xiàn)象，剪斷銷剪斷，套筒移位。機(jī)組運(yùn)行風(fēng)險不可控，停機(jī)緊急搶修。

圖5 15號機(jī)組導(dǎo)葉軸套結(jié)構(gòu)圖

4 故障處理

由于故障頻發(fā)階段正值汛期機(jī)組滿發(fā)階段，而全面檢修需要工期長，故按應(yīng)急搶修與全面檢修兩個階段處理。

4.1 應(yīng)急搶修

根據(jù)應(yīng)力試驗測值，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，在不拆解接力器供油管路的前提下，選取應(yīng)力測值最大的10個導(dǎo)葉，處理其中軸套。

拆解導(dǎo)葉連桿、拐臂，吊出導(dǎo)葉套筒后，檢查中軸套發(fā)現(xiàn)內(nèi)壁有明顯摩擦痕跡，測量尺寸見表5。

表5 15號機(jī)組搶修抽檢導(dǎo)葉中軸套內(nèi)徑統(tǒng)計表

數(shù)據(jù)顯示，與15號機(jī)組機(jī)組2013~2014年A修時中軸套加工尺寸相比，中軸套膨脹后內(nèi)徑減小平均值0.72mm，最大達(dá)1.2mm。各軸套均存在過盈配合區(qū)域，無間隙。

搶修過程中，對于機(jī)組上投運(yùn)過的舊軸套，內(nèi)徑按照設(shè)計值Φ4000.60 0.40二次加工，更換的新MC尼龍軸套，內(nèi)徑按照Φ4000.80 0.60加工，均按上偏差控制[10-12]。

修后同樣進(jìn)行拉力測試，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉操作力均在1t以下，較修前與有大幅下降。

15號機(jī)組機(jī)組修后開機(jī)，運(yùn)行過程中導(dǎo)葉調(diào)節(jié)過程無卡阻現(xiàn)象。與修前同工況下導(dǎo)葉開啟、關(guān)閉過程中開關(guān)腔壓力進(jìn)行對比，可以看出修后機(jī)組運(yùn)行過程中導(dǎo)葉動作時，開、關(guān)腔壓差有明顯減小，具備安全運(yùn)行的條件。

開啟過程，開、關(guān)腔壓差下降值在0.39~ 0.82MPa之間；關(guān)閉過程，開、關(guān)腔壓差下降值在0.35~ 0.80MPa之間。

表6 15號機(jī)組搶修前后導(dǎo)葉操作力測值對比

圖7 15號機(jī)組搶修前后導(dǎo)葉關(guān)閉過程壓差對比圖

4.2 全面檢修

安全度汛后，15號機(jī)組進(jìn)行了全面的導(dǎo)葉中軸套檢修處理。除了搶修已處理的中軸套，其余全部拆解檢修，中軸套處理方法與搶修一致。修后15號機(jī)組導(dǎo)葉開關(guān)過程中，接力器壓差均下降至正常水平，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)良好。

表7 15號機(jī)組檢修后導(dǎo)葉開關(guān)壓差統(tǒng)計表

5 結(jié)語

由于采用MC納米尼龍?zhí)鎿Q尼龍1010材質(zhì)的軸套時，沒有意識到MC尼龍遇水膨脹性能的不同[13-15]，精加工時沿用舊的尺寸標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)組投運(yùn)后兩年時間內(nèi)，中軸套吸水膨脹，導(dǎo)致導(dǎo)葉操作阻力逐漸增大，最終引發(fā)導(dǎo)葉操作拒動的故障。

故障發(fā)生后，通過各種檢查、對比分析，尤其通過在線應(yīng)力測試，定量分析，確定了故障原因。在故障不同階段，提出了針對性的應(yīng)對措施，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組的安全度汛，并最終通過重新加工中軸套尺寸，消除了故障。

這一事件中導(dǎo)葉拒動故障的發(fā)展趨勢，檢查、分析方法，應(yīng)對措施，以及后期的處理方案，對于水電站處理此類軸套膨脹導(dǎo)致操作阻力增大的故障，具有很好的借鑒意義。

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Fault Analysis and Treatment of the Hydraulic Generator's Guide Vane Operation Rejection

ZHOU Wu, WANG Maohai, WANG Qingshu, WU Dingping

(Gezhouba Hydropower Station, Yichang 443002, China)

In order to treat the rejection fault of guide vane duringoperation, faults of governing system or end-face friction of guide vane were eliminated after repeated examination and analysis. On-line stress testing was carried out to ascertain that the bushing friction between guide vane and shaft sleeve was excessive. Specific treatment was carried out to recover the agility of guide vane, and the deduction that the shaft sleeve expand because of water absorption result in guide vane operation rejection was proved. This paper focuses on the cause analysis and the coresponding measures taken to eliminate the fault.

hydraulic generator; guide vane operation rejection; shaft sleeve; expansion; stress testing

TM312

A

1000-3983(2018)06-0073-06

2018-06-20

周伍（1985-），2007年7月畢業(yè)于西安交通大學(xué)機(jī)械工程自動化專業(yè)，現(xiàn)從事水輪發(fā)電機(jī)組檢修維護(hù)工作，工程師。

湖北省宜昌市西壩建設(shè)路1號郵編：443002

電話：0717-6953712 15871668795