調速器開機規律對機組轉輪裂紋的影響

吳永智，何常勝

(1.華能瀾滄江水電有限公司，昆明 650214;2.云南電網公司電力研究院，昆明 650217)

1 前言

某水電站裝設6臺單機容量700 MW的混流式機組，總裝機容量為4200 MW，保證出力185.4 MW，多年平均發電量190.6億千瓦·時。電站以發電為主兼有防洪、為灌溉和庫區水運等綜合效。由于機組長期運行在水頭變化大、調峰深度大、開/停機頻繁等惡劣條件下，對水輪機轉輪提出了更高要求。調速器采用6.3 MPa油壓作為操作能源，其電氣系統主要由SAFR－2000H調速器電器柜，ZFL－GE－250調速器機械柜，YZ－10－6.3油壓裝置控制柜組成，為重要的主機控制設備。

某水電站機組轉輪葉片采用VOD精煉鑄造，材料為馬氏體不銹鋼鑄件。葉片采用五軸數控機床加工，上冠、下環為鑄造，上冠設有與水輪機軸連接的法蘭。轉輪采用現場組焊的加工方式完成。

2 水輪機轉輪裂紋情況

在轉輪檢測中，典型的葉片裂紋主要有葉片出水邊－下環空蝕現象。

從檢查結果來看，除了5號水輪機的裂紋位于葉片中部靠近上冠側之外，其它所有水輪機的葉片裂紋都位于葉片出水邊靠近下環側的高應力區和出水邊相交的最薄處附近。在每次機組檢修轉輪檢查中，均能發現轉輪不同程度的裂紋，現針對部分轉輪葉片出現的裂紋問題，主要從設計、材料和制造質量以及運行工況和時間方面進行分析。

2.1 材質檢測

通過對機組轉輪葉片裂紋斷口形貌及缺陷形態進行檢測和裂紋分析，裂紋處于焊接融合線上，該處具有焊接組織特征。此外，斷口檢驗也證明斷口上存在大量的熔渣類物資。由于葉片為鑄件，裂源處距焊縫有一定的距離。因此，可以認為葉片存在補焊現象，補焊后熔渣沒有完全消除導致熔渣殘留在補焊區，一方面焊渣分割消弱了基體的結合強度，另一方面焊渣缺陷會在使用過程中形成應力集中，導致運行過程的裂紋從缺陷處萌生。補焊工藝不當形成的補焊缺陷引起運行過程中葉片萌生裂紋，并最終導致疲勞開裂。

個別葉片鑄件存在極個別的超標缺陷或存在不超標的小鑄造缺陷，但在生產制造過程中未能檢測出來或由于工藝的原因無法檢測出而造成水輪機在運行過程中首先在葉片出水邊下環側的高應力區產生應力集中造成疲勞斷裂進而擴展到葉片內部。

此外，個別葉片第一次檢查出現裂紋即屬于這種情況，這同時也和下面提到的不當開機規律和長期在低負荷運行應力很大相關。對此，今后需進一步加強葉片鑄件質量控制，特別是制造過程的嚴格控制。同時需要和改進探傷工藝和手段達到確保在高應力區無缺陷的要求。

2.2 設計復核

根據對轉輪的有限元受力分析計算可知，轉輪在各種設計工況下的靜態應力并不算高，完全滿足合同技術規范的要求，靜態應力大小不是造成裂紋的主要原因。從應力的分布看，無論是靜態應力還是動態應力，裂紋處的應力都最大，屬于應力集中點，特別是在非設計工況下 (空載和部分負荷)，轉輪的動態應力更大。因此，不宜在空載和部分負荷下長期運行，屬于禁止運行區。

2.3 機組運行工況分析

為分析機組運行工況和運行時間對轉輪裂紋的影響，收集了小灣水電站1至6號機組一段時間內的運行工況和運行小時數。

圖1 各臺機組在禁止運行區運行時間統計

通過圖1可以看出，受水電機組運行特點(啟動靈活、頻發，承擔系統備用機組)影響，每臺機組都會有較長時間處在禁止運行或不合理區域運行。

2.4 真機運行和轉輪動應力測試與診斷

根據工程經驗，當機組投產以后需要對真機的運行特性和穩定性進行實測，以便掌握機組的運行規律，分析產生問題的根源和制定合理的運行規程，以確保機組長期安全、可靠和穩定運行，并通過實測彌補理論計算和分析難于或現階段無法實現的真機特性。

2.4.1 葉片應力測試結果

對4號機進行了應力測試，測試時的靜水頭約198 m。實測結果可以看出，水輪機葉片上冠側的靜應力隨出力的增大而減少，下環側的應力隨出力的增大而增大，最大靜應力為90 MPa，滿足相關規定標準要求。

從實際數據顯示，水輪機在連續穩定運行區和限制運行區的動態壓力、動態應力的主導因素是無翼區的動靜干涉問題，壓力脈動頻譜分析有明顯的主頻 (一倍的葉片通過頻率37.5 Hz和二倍頻率75 Hz)，而不是尾水管的壓力脈動問題，這是高水頭水輪機的典型特點。實測結果與水輪機設計相吻合，滿足技術規范的要求。但在禁止運行區，動態壓力、動態應力的主導因素是尾水管的壓力脈動和動態壓力問題而不是無翼區的動靜干涉問題。此外，在200 MW和300 MW之間主要是由于轉輪旋轉渦帶造成的，壓力脈動頻譜分析有明顯的0.9 Hz的主頻;但在200 MW以下則是由于水輪機的運行工況嚴重偏離設計工況以后葉道渦發生、發展，嚴重的水力擾流和水力不穩定造成的，沒有明顯的主頻，完全是多個葉道渦和水力擾流的混頻合成作用的結果。如果水輪機在200 MW以下，特別是100 MW以下負荷運行，其壓力脈動和動態應力非常高，遠遠超過正常運行工況的值，極易造成水輪機轉輪的疲勞破壞。

2.4.2 相對疲勞計算

根據對葉片相對疲勞進行計算、分析，可以看出，影響疲勞壽命的主要因素是不良的開機規律和超出運行范圍的極低部分負荷運行兩大因素，具體如圖2所示。因此得出如下結論:

圖2 5號葉片損壞速率分布

1)在200 MW以上運行時轉輪沒有疲勞問題;

2)甩負荷對疲勞的影響很小;

3)如果僅用優化后的開機規律代替原開機規律，則轉輪的疲勞壽命可增加2倍;

4)如果在優化后的開機規律以后并同時避免在200 MW以下運行，則轉輪的壽命是原來的7倍;

5)空載運行和底負荷運行對轉輪的疲勞損傷相當，應盡可能減少或避免機組在空載運行時間。

考慮到水電機組應具備熱備用能力以確保電網安全，故而機組啟停較為頻繁，甚至經常會處在設計禁止運行區域運行，對機組損害較大。因此，要提高機組轉輪壽命，減少轉輪裂紋，應該優化開機規律。

3 開機優化

通過對機組轉輪裂紋原因進行分析以及機組開機方式進行分析、比較和優化，結果顯示，在不同的開機規律下水輪機轉輪葉片上的應力差別比較大，開機規律不合理成為轉輪產生裂紋的重要原因之一。

3.1 原調速器開機規律描述

在原調速器開機規律描述中，若所有的頻率信號都檢測不到，導葉開到空載開度并保持。若0 Hz﹤機頻≤35 Hz，導葉開度開到空載開度+5%全開度;若35 Hz﹤機頻≤47.5 Hz，導葉開度到1.2倍空載開度;整個開機過程中，導葉的空載開限=1.5倍空載開度。

3.2 調速器開機規律優化實施

通過對比試驗，確定適合小灣機組的開機規律為:導葉按0.25%導葉全開度/秒的開啟速率從全關至1.4倍的空載開度，轉速達到90%的額定轉速后導葉開度開至1.3倍的空載開度，轉速到達95%的額定轉速后調速器控制邏輯由開機狀態轉為空載狀態。整個開機過程中，導葉的空載開限為1.5倍空載開度。

該程序段的描述為:

若所有的頻率檢測不到，導葉開到空載開度并保持。

若機頻≤45 Hz，導葉開度按0.25%導葉全開度/秒的開啟速率從全關開啟至1.4倍的空載開度。

若45 Hz﹤機頻≤47.5 Hz，導葉開度到1.3倍空載開度。

整個開機過程中，導葉的空載開限為1.5倍空載開度。

另外，開始Start_Timer設置值應盡量大，以防止機組提前進入控制狀態，故將開機顯示設置為300 s。

3.3 優化后試驗結果

對機組的開機方式也進行分析、比較和優化，不同的開機規律會對水輪機轉輪的應力造成很大的差別。以下為不同開機規律下的轉輪動應力測量結果。

圖3 開機規律下的葉片動應力

圖4 優化后的開機規律下的葉片動應力

通過對不同的開機時間和開機曲線下的葉片動應力的對比測量，優化調速器開機規律后，轉輪葉片下環側的動應力峰值由原來的開機規律下的340 MPa將至200 MPa，葉片上冠側的動應力峰峰值則由55 MPa將至30 MPa，而開機時間僅增加了20 s，由原來的120 s增加為140 s，效果較為明顯。

4 結束語

從機組的運行時間統計和動應力測試分析可以看出，機組運行在部分負荷，也就是低負荷的時間較多，水輪機在空載和部分負荷下的動態應力都比正常運行工況要大很多，特別是200 MW以下運行和原來調試器不良的開機規律，這都進一步加劇和影響了轉輪裂紋萌生的時間和擴展速度。在運行工況和鑄造缺陷無法更改的情況下，通過調速器開機規律，可以有效減少轉輪裂紋，延長轉輪壽命。

［1］張江濱，解建倉，焦尚彬.水輪發電機組最佳開機規律研究與實踐［J］.水利學報，2004，3(3).

［2］羅偉文，鄭時雄，黃振峰，等.混流式水輪機轉輪葉片裂紋故障及其原因分析［J］.新技術新工藝.機械加工工藝與裝備，2006，9(9).

［3］康玲，姜鐵兵，葉魯卿.水輪機開機規律及仿真試驗研究［J］.華中理工大學學報，1999，5(5).

［4］陳樹勇，張貴山，趙瑞等.水輪發電機組的規劃式開機控制 ［J］.電網技術，2005，11(22).