陳 立

（重慶大唐國(guó)際武隆水電開(kāi)發(fā)有限公司，重慶 408506）

1 引言

對(duì)于雙調(diào)機(jī)組而言，槳葉操作機(jī)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，環(huán)節(jié)多，容易出現(xiàn)故障，輕則導(dǎo)致槳葉控制不到位，失去協(xié)聯(lián)，重則導(dǎo)致槳葉完全失去控制，無(wú)法正常操作。出現(xiàn)故障的原因和部位各種各樣，分析起來(lái)難易差別也很大，較為常見(jiàn)的故障有調(diào)速器故障、主配壓閥卡阻以及操作油管漏油等。本文對(duì)一次較為少見(jiàn)的槳葉故障進(jìn)行了詳細(xì)分析，最終準(zhǔn)確找到故障部位和原因。

某水電站有4 臺(tái)機(jī)組，機(jī)組水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)型號(hào)均相同，其水輪機(jī)型號(hào)為ZZA813a-LH-1040，機(jī)組額定出力150 MW，調(diào)速器型號(hào)為PFWST-250-6.3，雙PLC 電氣冗余。現(xiàn)對(duì)該電站1 號(hào)機(jī)組槳葉故障導(dǎo)致機(jī)組有功波動(dòng)及振動(dòng)異常的情況，從故障的表象開(kāi)始，分析機(jī)組槳葉故障的原因，判定故障點(diǎn)部位。

2 故障描述

2019 年某日凌晨，1 號(hào)機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行，在調(diào)度下令調(diào)節(jié)負(fù)荷時(shí)，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)1 號(hào)機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)較大，1 號(hào)機(jī)組和4 號(hào)機(jī)組的導(dǎo)葉、槳葉開(kāi)度有差異，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看槳葉和導(dǎo)葉機(jī)械柜約5 min 左右有油流聲，未見(jiàn)有明顯的頻繁動(dòng)作，查看1 號(hào)機(jī)組電調(diào)柜，槳葉開(kāi)度13.57%～13.65%間小幅波動(dòng)，導(dǎo)葉開(kāi)度在46.70%～46.74%間小幅波動(dòng)，機(jī)組頻率在50.01～50.02 Hz 之間，系統(tǒng)頻率50 Hz，機(jī)組有功在100 MW 上下不停小幅度波動(dòng)，波動(dòng)幅度3～5 MW；查看4 號(hào)機(jī)組，機(jī)組有功較穩(wěn)定，在100 MW，槳葉開(kāi)度在28.10%，導(dǎo)葉開(kāi)度在55.52%，槳葉和導(dǎo)葉變化幅度在0.02%左右，申請(qǐng)1 號(hào)機(jī)組停備檢查處理。

3 現(xiàn)場(chǎng)檢查與故障原因分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)檢查

上午，1 號(hào)開(kāi)機(jī)帶150 MW 并網(wǎng)運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)查看開(kāi)機(jī)情況，未見(jiàn)機(jī)組異常振動(dòng)，機(jī)組帶負(fù)荷平穩(wěn)無(wú)波動(dòng)。測(cè)量1 號(hào)機(jī)組調(diào)速器10 min 機(jī)械零位漂移，機(jī)組83 MW 負(fù)荷時(shí)，導(dǎo)葉零位偏移量偏關(guān)1.4%，槳葉偏開(kāi)2.4%，伴隨有明顯的機(jī)組振動(dòng)，空載及100 MW 以上負(fù)荷時(shí)，導(dǎo)葉零位偏移量偏關(guān)約0.8%，槳葉偏開(kāi)約0.9%；對(duì)比其他機(jī)組，在100 MW 負(fù)荷時(shí)，1 號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度比同負(fù)荷同水頭的其他機(jī)組均小5%～8%開(kāi)度，而在110 MW 相差較小，在1%開(kāi)度以內(nèi)；檢查了1 號(hào)機(jī)調(diào)速器A、B 套控制系統(tǒng)的各項(xiàng)反饋參數(shù)，與現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械開(kāi)度及監(jiān)控顯示開(kāi)度均一致；核對(duì)了1 號(hào)機(jī)實(shí)際協(xié)聯(lián)符合協(xié)聯(lián)曲線，偏差在規(guī)定范圍內(nèi)；核對(duì)了1 號(hào)機(jī)各項(xiàng)控制參數(shù)，與其他機(jī)組一致，未發(fā)生改變；檢查1 號(hào)機(jī)調(diào)速器控制回路，未發(fā)現(xiàn)異常?；デ蠥、B 套控制系統(tǒng)對(duì)比，沒(méi)有區(qū)別。

導(dǎo)葉開(kāi)度、槳葉開(kāi)度、有功信號(hào)檢查?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)比對(duì)1 號(hào)機(jī)組在不同水頭不同負(fù)荷時(shí)調(diào)速器人機(jī)界面、監(jiān)控系統(tǒng)顯示的導(dǎo)葉開(kāi)度值與水車(chē)室導(dǎo)葉控制環(huán)上的標(biāo)尺指示的導(dǎo)葉開(kāi)度是一致的?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)比對(duì)1 號(hào)機(jī)組在不同水頭不同負(fù)荷時(shí)調(diào)速器人機(jī)界面、監(jiān)控系統(tǒng)顯示的槳葉開(kāi)度值與受油器上的標(biāo)尺指示的槳葉開(kāi)度是一致的。現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)比對(duì)1 號(hào)機(jī)組不同負(fù)荷時(shí)調(diào)速器、勵(lì)磁、監(jiān)控顯示的有功測(cè)值是一致的。

協(xié)聯(lián)關(guān)系檢查。現(xiàn)場(chǎng)比對(duì)1 號(hào)機(jī)組、2 號(hào)機(jī)組、4 號(hào)機(jī)組調(diào)速器錄入的協(xié)聯(lián)關(guān)系表是一致的，調(diào)速器人機(jī)界面顯示的自動(dòng)運(yùn)行水頭也是一致的。當(dāng)調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷由小變大然后再減小，即機(jī)組負(fù)荷由100 MW →120 MW →140 MW →150 MW →120 MW→100 MW 升降負(fù)荷過(guò)程中，機(jī)組在負(fù)荷上升和下降過(guò)程的對(duì)應(yīng)負(fù)荷下的導(dǎo)葉開(kāi)度、槳葉開(kāi)度無(wú)大差異。

機(jī)組增減負(fù)荷試驗(yàn)。機(jī)組負(fù)荷由75 MW 開(kāi)始，以15 MW 間隔向上增負(fù)荷，到達(dá)指定負(fù)荷后，測(cè)試機(jī)組的振動(dòng)情況，在此過(guò)程中，機(jī)組各部擺度和振動(dòng)變化平穩(wěn)，尾水管進(jìn)口壓力脈動(dòng)無(wú)明顯變化，機(jī)組整體穩(wěn)定性情況和平時(shí)無(wú)明顯差異，和其他機(jī)組也無(wú)明顯差異。減負(fù)荷階段，機(jī)組有功在120 MW 以下出現(xiàn)功率波動(dòng)現(xiàn)象；負(fù)荷由150 MW 減至120 MW時(shí)，機(jī)組擺度和振動(dòng)發(fā)生較大變化，增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯；負(fù)荷小于100 MW 時(shí)，其增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。負(fù)荷減小至80 MW 時(shí)，機(jī)組有功波動(dòng)更加明顯，機(jī)組擺度和振動(dòng)更加嚴(yán)重。負(fù)荷小于100 MW 時(shí)，尾水管脈動(dòng)值隨負(fù)荷變化增長(zhǎng)明顯。

槳葉開(kāi)度調(diào)整試驗(yàn)。在122 MW 負(fù)荷工況，將調(diào)速器導(dǎo)葉、槳葉置電手動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)手動(dòng)調(diào)整機(jī)組槳葉開(kāi)度，觀察機(jī)組有功和振動(dòng)的變化情況。固定導(dǎo)葉開(kāi)度，槳葉開(kāi)度從協(xié)聯(lián)點(diǎn)42.64%減小至6.15%時(shí)，機(jī)組有功功率基本保持不變；除尾水管壓力脈動(dòng)減小外，其余各擺度和振動(dòng)測(cè)點(diǎn)峰峰值均基本保持不變，變化曲線較為平緩。槳葉開(kāi)度從6.15%增至70.75%過(guò)程中，機(jī)組有功、振動(dòng)、擺度均未發(fā)生較大變化；槳葉開(kāi)度大于70.75%時(shí)，機(jī)組有功開(kāi)始下降，機(jī)組擺度增長(zhǎng)較為明顯，機(jī)組垂直振動(dòng)快速增大。

3.2 故障原因分析

從上述現(xiàn)場(chǎng)檢查情況及后所做的試驗(yàn)情況可知，在各種不同工況下機(jī)組的調(diào)速器顯示的導(dǎo)葉開(kāi)度、槳葉開(kāi)度與現(xiàn)地標(biāo)尺及監(jiān)控系統(tǒng)等一致，有功信號(hào)也與多個(gè)測(cè)量源結(jié)果一致，這表明機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度、槳葉開(kāi)度和機(jī)組有功等測(cè)量信號(hào)是正確的。同時(shí)，調(diào)速器導(dǎo)葉開(kāi)度和槳葉開(kāi)度的PID 輸出值和反饋值基本一致，表明調(diào)速器輸出是正常的，機(jī)組調(diào)速器電調(diào)部分應(yīng)是正常的，機(jī)組故障的根源應(yīng)該在機(jī)械部分。

機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度標(biāo)尺安裝在頂蓋上方機(jī)組調(diào)速環(huán)上，調(diào)速環(huán)通過(guò)連桿和拐臂與機(jī)組活動(dòng)導(dǎo)葉剛性連接在一起，外觀檢查各部件連接無(wú)松動(dòng)、脫落等情況，表明機(jī)組導(dǎo)葉的開(kāi)關(guān)是正常的，機(jī)組導(dǎo)葉也不存在異物卡阻情況。從受油器上方的槳葉指示標(biāo)尺刻度和調(diào)速器測(cè)量的槳葉反饋開(kāi)度一致看，調(diào)速器對(duì)槳葉的開(kāi)關(guān)控制也是正常的?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)調(diào)速器機(jī)調(diào)柜的檢查也無(wú)異常，主配壓閥也沒(méi)有明顯的竄油聲，機(jī)組槳葉開(kāi)度反饋及指示標(biāo)尺動(dòng)作迅速，沒(méi)有遲滯現(xiàn)象。

在機(jī)組導(dǎo)葉操作及調(diào)速器槳葉操作油路正常的情況下，由前面的試驗(yàn)現(xiàn)象可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)組的有功波動(dòng)及異常振動(dòng)只發(fā)生在特定工況，且振動(dòng)異常時(shí)，機(jī)組尾水管進(jìn)口壓力脈動(dòng)也異常增大，振動(dòng)頻譜分析機(jī)組振動(dòng)主要為低頻水力振動(dòng)，這表明機(jī)組的振動(dòng)應(yīng)該主要是由水力因素引起。對(duì)于雙調(diào)機(jī)組，水力不平衡振動(dòng)主要由機(jī)組協(xié)聯(lián)關(guān)系不佳或被破壞引起，對(duì)本機(jī)組，除機(jī)組在80 MW 負(fù)荷以下存在的運(yùn)行振動(dòng)區(qū)外，在機(jī)組原來(lái)平穩(wěn)運(yùn)行的100 MW 負(fù)荷出現(xiàn)振動(dòng)異常增大現(xiàn)象，則只能是協(xié)聯(lián)關(guān)系不佳或被破壞。而機(jī)組導(dǎo)葉和槳葉開(kāi)度輸出值與反饋值和現(xiàn)地標(biāo)尺指示值一致，協(xié)聯(lián)關(guān)系是正常的。機(jī)組振動(dòng)原因和機(jī)組協(xié)聯(lián)的正常之間似乎存在矛盾，究竟哪一個(gè)是正確的？

進(jìn)一步分析機(jī)組轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)（如圖1），可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)轉(zhuǎn)輪活塞桿下方的卡環(huán)出現(xiàn)故障脫落后，活塞桿將只能正常操作操作架向下（即開(kāi)槳葉），而向上操作時(shí)，若卡環(huán)脫落，則活塞桿不能正常操作操作架向上（即關(guān)槳葉）。此故障將會(huì)造成機(jī)組槳葉可以正常開(kāi)，但不能正常關(guān)，因此機(jī)組在增負(fù)荷時(shí)機(jī)組振動(dòng)無(wú)異常，而當(dāng)減負(fù)荷時(shí)，由于只是操作架無(wú)法正常動(dòng)作，導(dǎo)致槳葉無(wú)法進(jìn)行正確的關(guān)操作，最終致使導(dǎo)葉和槳葉失去協(xié)聯(lián)，機(jī)組水力狀況惡化，振動(dòng)增大，運(yùn)行穩(wěn)定性變差，導(dǎo)致機(jī)組有功波動(dòng)。由于此故障不影響轉(zhuǎn)輪活塞的正常動(dòng)作，因此也就不影響槳葉開(kāi)度指示標(biāo)尺及其實(shí)時(shí)刻度，即調(diào)速器顯示的開(kāi)度和現(xiàn)地指示標(biāo)尺均是正確的，調(diào)速器顯示的協(xié)聯(lián)關(guān)系也是正確的。

圖1 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪圖

為進(jìn)一步確認(rèn)機(jī)組故障，機(jī)組停機(jī)排空尾水，對(duì)上述卡環(huán)進(jìn)行內(nèi)窺鏡檢查，確認(rèn)了轉(zhuǎn)輪活塞桿上的卡環(huán)已脫落，證實(shí)了前面的分析。

3.3 分析結(jié)論

1 號(hào)機(jī)組有功波動(dòng)及振動(dòng)異常現(xiàn)象，是由于機(jī)組轉(zhuǎn)輪活塞桿下方的卡環(huán)脫落造成，卡環(huán)脫落導(dǎo)致機(jī)組槳葉只能正常開(kāi)，不能正常關(guān)，致使機(jī)組導(dǎo)葉和槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系被破壞，由此產(chǎn)生的機(jī)組水力狀況惡化，進(jìn)一步使機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性變差及機(jī)組有功波動(dòng)。

4 故障處理

故障位置位于轉(zhuǎn)輪內(nèi)部，要徹底處理此故障，必須打開(kāi)轉(zhuǎn)輪下部。若采用不吊出轉(zhuǎn)輪，在機(jī)組流道內(nèi)直接處理，則由于轉(zhuǎn)輪尺寸較大，轉(zhuǎn)輪泄水錐及轉(zhuǎn)輪下蓋重量巨大，需拆卸大量大直徑連接螺栓，轉(zhuǎn)輪部件支撐及操作空間均十分有限，工期和安全均難保證。故而徹底處理此故障需在機(jī)組大修時(shí)將轉(zhuǎn)輪吊出機(jī)坑，再進(jìn)行處理。在無(wú)法安排機(jī)組大修的情況下，本次機(jī)組槳葉故障采用了臨時(shí)固定槳葉運(yùn)行的方式，確保機(jī)組運(yùn)行的安全。

5 結(jié)語(yǔ)

此次機(jī)組槳葉故障原因比較少見(jiàn)，通常槳葉故障多為調(diào)速器或操作油路故障，加上本次故障機(jī)組調(diào)速器的各種顯示、現(xiàn)地實(shí)際數(shù)據(jù)均是正確的，給機(jī)組故障部位的定位帶來(lái)了難度。但通過(guò)多次試驗(yàn)，由易到難，由表及里，還是能逐步準(zhǔn)確定位到故障點(diǎn)，為機(jī)組槳葉故障原因的分析提供了思路和借鑒。