水泵水輪機控制環竄動原因分析及處理

李永紅，朱海峰，趙 浩，祁亞靜，胡立昂，陳 超

（河北張河灣蓄能發電有限責任公司，河北 石家莊 050300）

水泵水輪機控制環竄動原因分析及處理

李永紅，朱海峰，趙 浩，祁亞靜，胡立昂，陳 超

（河北張河灣蓄能發電有限責任公司，河北 石家莊 050300）

主要是結合生產實際分析水泵水輪機控制環在工作中出現竄動的原因，在不需要對設備解體的情況下找到問題所在并及時處理。

水泵水輪機；控制環；竄動；導葉接力器

1 電廠概況

張河灣抽水蓄能電站位于河北省石家莊市井陘縣測魚鎮附近的甘陶河干流上，距石家莊市公路里程77 km。該電站總裝機容量為1 000 MW，安裝4臺單機容量250 MW的單級混流可逆式水泵水輪機組。電站額定水頭305 m，電站綜合效率系數為0.76。電站建成后接入冀南電網，在系統中承擔調峰、填谷、調頻、調相及事故備用任務。

2 4號機組水泵水輪機控制環竄動現象

在4號機組停機過程中發現導葉關閉時間比正常關閉時間長50 s左右，隨即對其進行處理分析，即在靜水情況下開啟關閉導葉，開啟過程正常，當導葉關閉至3%左右開度時，水車室控制環附近能聽到間隔的較大的沉悶的金屬撞擊聲和強烈的振動感，控制環沿轉動的方向出現3 mm至6 mm不等的竄動。由于聲波在金屬中傳播很快，故無法判斷聲源和振動源。

3 水泵水輪機控制環竄動分析及試驗結論

從上述現象可以初步確定其原因：一是控制環自身或連接機構存在問題，二是接力器本體存在問題。

3.1 對控制環自身及其連接結構進行分析試驗

（1）控制環結構簡介

4號機組控制環是安裝在頂蓋表面的“L”型支承板上，支承板在圓周方向均勻分布著8塊，支承板與控制環的接觸面安裝有潤滑板，安裝在支承板上的壓板限制控制環軸向位移。20個導葉通過連桿與控制環相連，控制環通過上下連扳、圓柱銷與接力器相連（見圖1）。

控制環轉動過程中的受力：1）自身重力；2）導水機構的反作用力；3）周向的摩擦力；4）接力器的作用力；5）L型支承板的作用力；6）壓板的作用力等。

圖1 控制環與頂蓋剖面圖

（2）檢查控制環及其相關連接部件外觀

首先對控制環與支承板、壓板之間的接觸面進行檢查，未發現明顯的磨損、碰撞、凹凸不平的痕跡；其次對控制環與連桿的連接部位、活動導葉與連桿連接部位、活動導葉本體等結構進行檢查，也未發現任何的磨損、卡澀等現象；然后對控制環與接力器之間的連接機構進行檢查，也未發現任何異常現象。

（3）測量控制環與壓板、支承板之間的間隙值及其軸向、徑向位移

對4號機靜水開啟、關閉導葉，用塞尺測量不同開度下控制環與壓板，支承板之間的上、下端面及立面的間隙變化數據。并通過在軸向+X、+Y、-X、-Y，徑向+X、+Y方向架設百分表對控制環進行監測。分別在不同開度（0，1%，2%，3%，5%，10%，5%，3%，2%，1%，0）情況下讀取軸向和徑向百分表數據，測量過程中發現軸向和徑向百分表瞬間變化幅度較大，當開度不變后數據也會趨于穩定，在開啟方向開度大于3%左右后數據基本不變，關閉方向開度小于3%左右后數據變化明顯。上、下端面及立面的間隙數據變化雖然較大，但是所測量數據都滿足安裝工藝要求的數值。

（4）測量接力器推拉桿的水平度

我廠接力器從投產以來從未對接力器進行解體檢修，故懷疑長時間運行會導致水平度不滿足要求。經過檢查發現兩個接力器的推拉桿水平度滿足要求。

（5）結論

從以上檢查和測量結果分析，可以得出產生控制環竄動的直接原因不是控制環發生機械卡澀。

3.2 對接力器本體結構進行檢查分析

通過以上的試驗及測量結果得出的結論分析，可以初步確定是接力器本體存在問題，下一步將從接力器的操作油回路和結構進行分析試驗。

（1）接力器簡介

接力器由法國阿爾斯通公司提供，每臺機組配備2臺直缸式接力器，均安裝于上游機坑里襯上。接力器工作油壓為6.4 MPa，行程為420 mm。左接力器配備一套液壓自動鎖定裝置，右接力器配備一套手動鎖錠裝置。左接力器的開啟腔和右接力器的關閉腔共用一路油管，左接力器的關閉腔和右接力器的開啟腔共用另一路油管，兩路油管既可供油，又可排油。每臺接力器都配備一套調速節流裝置，左接力器的調速節流裝置安裝于開啟腔側，右接力器的調速節流裝置安裝于關閉腔側，當導葉接近關閉時，它能減慢接力器的動作速度。調速節流裝置可以從接力器外部進行調節控制關閉速度（見圖2）。

圖2 接力器與控制環示意圖

（2）接力器的操作油回路檢查

當兩接力器的操作油壓不一致時會使接力器出現不同步動作，這樣控制環就會出現竄動和異常聲響。為了驗證兩個接力器開啟腔、關閉腔的壓力是否正常，首先我們分別在兩接力器的開啟腔和關閉腔外接4個相同的壓力表；其次在靜水狀態下開啟導葉至全開，發現左接力器關閉腔（或開啟腔）與右接力器開啟腔（或關閉腔）的兩塊壓力表變化基本一致；最后關閉導葉至全關，在關閉過程中壓力表變化基本一致，當出現控制環竄動和異響的同時左接力器開啟腔與右接力器關閉腔的壓力表發生異常變化，即左接力器開啟腔的壓力降為0 MPa，右接力器關閉腔的壓力會增大到11 MPa，并且會隨著控制環的竄動而波動。

以上試驗可以說明在關閉最后階段左、右接力器的受力明顯不等，由于左接力器開啟腔和右接力器關閉腔此時都在排油，這就不難得出右接力器關閉腔增大到11 MPa是由于其排油不暢造成的，故可以初步判定是右接力器存在問題。

（3）確定右接力器存在問題

為了進一步確定是右接力器的原因，把控制環與右接力器連接的連扳解開，然后用左接力器去推拉控制環，發現控制環未發生竄動和異響。可以肯定控制環的異響是由于右接力器存在問題造成的。

（4）右接力器問題查找

結合上面試驗和右接力器結構分析，唯一可能導致右接力器關閉腔最后階段排油不暢的原因是調速節流裝置油路堵塞。

通過對右接力器結構（見圖3）的進一步分析，發現調速節流裝置的功能是通過調節錐形螺桿改變截面積來實現的，接力器活塞與缸壁之間的密封不斷摩擦會產生粉末，粉末隨著油流流過節流裝置時就會容易堵塞，久而久之會形成大量的油泥直至堵塞節流處。

圖3 右接力器結構示意圖

4 解決措施及驗證

經過多次對調節螺栓的調整，增大節流橫截面，調整完畢后進行導葉靜水開啟關閉試驗，并對左、右接力器的開啟腔和關閉腔壓力進行觀察，直至接力器在關閉時控制環無竄動和異響，然后對接力器的工作性能進行負載試驗。

4.1 逐步變化負載

負載分別是：150 MW，200 MW，250 MW，240 MW，190 MW，140 MW，100 MW，90 MW。

圖4 左、右接力器開啟腔壓強

圖5 左、右接力器關閉腔壓強

圖6 左、右接力器行程

從圖4～圖6可以得出：兩個開啟腔壓力基本一致，兩個關閉腔壓力基本一致。

4.2 連續變化負載

機組啟動到額定速度空載工況，然后連續的緩慢的把功率從空載慢慢加到滿載，再減少到空載，并關閉機組。

（1）連續升負荷從90 MW到250 MW；

（2）連續降低負荷從250 MW到150 MW然后正常關機。

從圖7～圖11可以得出：除了完全關閉前的一個階段，兩個開啟腔壓力基本一致，兩個關閉腔壓力基本一致。

圖7 左、右接力器腔壓強

圖8 左、右接力器行程

圖9 左、右接力器開啟腔壓強

圖10 左、右接力器關閉腔壓強

圖11 左、右接力器行程

4.3 驗證結果

對于左、右接力器的開啟腔壓力，不一致僅發生在完全關閉之前，這是由于左邊接力器有調速節流裝置的原因，是正常的并與設計一致；對于左、右接力器的關閉腔壓力，不一致發生在100%開度，機組在實際帶負荷運行時達不到這種開度，從帶負荷試驗中，我們也可以看出兩個接力器是一致的。所以接力器工作性能滿足運行要求。

5 結語

目前絕大多數抽水蓄能電站所用的導葉接力器都大同小異，每個接力器上都會有與我廠相同原理的調速節流裝置，這就有可能出現與我廠類似的問題，而且由于正常停機過程中關閉導葉時間很短，又有噪聲影響，即使接力器存在同樣的問題也不易發現，我廠出現的問題為同類電站敲響了警鐘。為了避免對設備造成損壞，產生不必要的經濟損失，需要在今后的檢修工作中對接力器進行解體，清理缸體內的雜質，并且也要對調速節流裝置和油路進行沖洗，這樣才能保證機組安全、穩定運行。

TV734

B

1672-5387（2016）12-0060-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.12.022

2016-08-29

李永紅（1986-），男，助理工程師，從事抽水蓄能電站運維管理工作。