一起燈泡貫流式機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪安放角出錯(cuò)的原因分析及改進(jìn)措施

陸承友

（福建華電高砂水電有限公司，福建 三明 365050）

1 概 述

該水電站位于閩江主要支流沙溪上，壩址集水面積為113 29 km2，總庫容為0.4×108m3，水庫正常蓄水位是103.00 m。電站共安裝了4臺(tái)12.5 MW的燈泡貫流式機(jī)組，總裝機(jī)容量是50 MW。1號(hào)機(jī)組于1995年7月投產(chǎn)發(fā)電，水輪機(jī)型號(hào)為GZ990-WJ-4200。2013年11月4日開始增效擴(kuò)容改造1號(hào)機(jī)組，改造后的水輪機(jī)型號(hào)為GZ850-WJ-4200。2015年4月25日，1號(hào)機(jī)組全面完成安裝和各項(xiàng)調(diào)試工作，具備開機(jī)條件。安裝單位根據(jù)設(shè)備制造廠提供的技術(shù)資料，在開機(jī)前設(shè)置1號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片啟動(dòng)角為0°（轉(zhuǎn)輪葉片轉(zhuǎn)角范圍為-18°～+16°）。

2015年4月26日，安裝單位組織開展1號(hào)機(jī)組改造后的首次啟動(dòng)試驗(yàn)。1號(hào)機(jī)組以電手動(dòng)方式開機(jī)，導(dǎo)葉由調(diào)速器電手動(dòng)打開至大約9%開度，轉(zhuǎn)輪葉片根據(jù)協(xié)聯(lián)曲線從初始設(shè)置的0°角（對應(yīng)52.94%的轉(zhuǎn)輪葉片開度，下同）開始往回關(guān)。隨著轉(zhuǎn)輪葉片的持續(xù)回關(guān)，機(jī)組由開機(jī)時(shí)的緩慢正向轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)逐漸停止并出現(xiàn)緩慢反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，運(yùn)行操作人員立即關(guān)閉導(dǎo)葉停機(jī)。導(dǎo)葉全關(guān)后，轉(zhuǎn)輪葉片關(guān)了大約-13.6°（對應(yīng)約40%的葉片開度范圍），自動(dòng)協(xié)聯(lián)打開至初始0°角，機(jī)組停機(jī)[1]。

2 原因分析

針對上述現(xiàn)象，安裝單位立即停止1號(hào)機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)，并與在場的生產(chǎn)廠家的技術(shù)人員溝通，要求生產(chǎn)廠家聯(lián)系設(shè)計(jì)人員分析問題、查找原因，并于26日15時(shí)35分按照生產(chǎn)廠家現(xiàn)場技術(shù)人員的要求開展以下試驗(yàn)，排查原因。

首先，應(yīng)廠家技術(shù)人員要求，1號(hào)機(jī)組采用定槳方式，以電手動(dòng)方式開機(jī)。將轉(zhuǎn)輪葉片固定在0°，導(dǎo)葉電手動(dòng)打開約9%開度，機(jī)組正向轉(zhuǎn)動(dòng)。雖然轉(zhuǎn)速上升與其他機(jī)組相比明顯偏慢，但可以達(dá)到額定轉(zhuǎn)速（125 rev/min）。將導(dǎo)葉切換至自動(dòng)運(yùn)行后，調(diào)速器跟蹤系統(tǒng)頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)導(dǎo)葉開度，此時(shí)導(dǎo)葉調(diào)節(jié)非常頻繁，機(jī)組運(yùn)行工況不穩(wěn)定。手動(dòng)將轉(zhuǎn)輪葉片開度由52.94%逐漸關(guān)到約40%，導(dǎo)葉跟蹤系統(tǒng)頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)，導(dǎo)葉開度由原來的約9%自動(dòng)關(guān)到約6%開度。機(jī)組工況較9%開度時(shí)有所好轉(zhuǎn)，但導(dǎo)葉自動(dòng)調(diào)節(jié)依舊頻繁。在機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片為0°時(shí)，關(guān)導(dǎo)葉停機(jī)，機(jī)組轉(zhuǎn)速下降很慢，停機(jī)過程偏長。

其次，應(yīng)廠家技術(shù)人員要求，將轉(zhuǎn)輪葉片定槳在全關(guān)狀態(tài)（-18°角），電手動(dòng)操作導(dǎo)葉開機(jī)，導(dǎo)葉開度約為9%時(shí)，機(jī)組振動(dòng)明顯，但機(jī)組仍未轉(zhuǎn)動(dòng)，現(xiàn)場人員立即關(guān)導(dǎo)葉停機(jī)。

最后，經(jīng)廠家技術(shù)人員許可，26日下午通過將轉(zhuǎn)輪葉片定槳在0°角的方式，完成了機(jī)組瓦溫考驗(yàn)、機(jī)組殘壓測量、機(jī)組相序核對、發(fā)電機(jī)零起升壓、調(diào)速器空載擾動(dòng)和調(diào)速器擺動(dòng)等相關(guān)試驗(yàn)。27日上午仍以轉(zhuǎn)輪定槳在0°角的方式，繼續(xù)完成假并網(wǎng)、模擬機(jī)組140%、過速保護(hù)動(dòng)作等試驗(yàn)項(xiàng)目。

業(yè)主單位要求生產(chǎn)廠家聯(lián)系水輪機(jī)設(shè)計(jì)人員認(rèn)真核查，基本確認(rèn)1號(hào)機(jī)組在改造后的啟動(dòng)試驗(yàn)過程中出現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)協(xié)聯(lián)工況相差甚遠(yuǎn)、機(jī)組開機(jī)空轉(zhuǎn)穩(wěn)定性差等問題，是由于設(shè)計(jì)人員失誤，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片安放角與模型偏差21°。因此，通過更換轉(zhuǎn)輪葉片轉(zhuǎn)臂的處理方案，可將1號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪的葉片安放角度恢復(fù)到正確位置。

3 搶修方案和措施

業(yè)主單位、安裝單位和生產(chǎn)廠家就搶修方案進(jìn)行商討，核對了1號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)圖紙，分析了1號(hào)機(jī)組首次啟動(dòng)試驗(yàn)現(xiàn)象，基本確認(rèn)1號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片的安放角在設(shè)計(jì)時(shí)出錯(cuò)。同時(shí)，要求生產(chǎn)廠家立即安排技術(shù)和設(shè)計(jì)人員到現(xiàn)場測量、復(fù)核轉(zhuǎn)輪葉片操作范圍、操作角度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，進(jìn)一步明確葉片安放角出錯(cuò)的具體數(shù)值，并分析了以下兩種搶修方案。

3.1 方案1

由生產(chǎn)廠家制定1號(hào)機(jī)組定漿運(yùn)行方案，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際優(yōu)化后，將1號(hào)機(jī)組在主汛期定漿運(yùn)行，待沙溪流域主汛期（5月～7月）過后，再開展1號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)臂更換工作。

以1號(hào)機(jī)組定漿運(yùn)行帶6 MW負(fù)荷，按近5年5月～7月機(jī)組平均運(yùn)行時(shí)間計(jì)算，5月～7月1號(hào)機(jī)組可發(fā)電量約508.29×104kW·h，按0.381元/kW·h的電價(jià)計(jì)算，總電費(fèi)收入約193.66萬元。但是，1號(hào)機(jī)組改造后尚未開展穩(wěn)定性和甩負(fù)荷等試驗(yàn)，運(yùn)行人員不熟悉1號(hào)機(jī)組的運(yùn)行特性，不容易掌控1號(hào)機(jī)組定漿運(yùn)行時(shí)的具體情況，且定漿運(yùn)行時(shí)機(jī)組工況可調(diào)范圍較小，機(jī)組穩(wěn)定性較差，特別是在出現(xiàn)機(jī)組事故跳閘或系統(tǒng)甩負(fù)荷等非正常運(yùn)行情況時(shí)，將會(huì)有較大的安全隱患。

3.2 方案2

1號(hào)機(jī)組立即開展轉(zhuǎn)輪拆卸和更換新轉(zhuǎn)輪葉片轉(zhuǎn)臂的工作。完成該項(xiàng)工作需要約45天，以近5年5月～6月機(jī)組平均運(yùn)行時(shí)間計(jì)算，完成該項(xiàng)工作后1號(hào)機(jī)組將損失電量約531.4×104kW·h，按0.381元/kW·h的電價(jià)計(jì)算，總電費(fèi)損失約202.46萬元。

3.3 方案選擇及搶修方案實(shí)施

認(rèn)真比較以上兩種方案后，認(rèn)為采用方案2更切合實(shí)際情況，因此全面分析了采用方案2更換新轉(zhuǎn)臂后可能出現(xiàn)的問題，同時(shí)確定了1號(hào)機(jī)搶修方案、時(shí)間進(jìn)度安排和有關(guān)技術(shù)要求，分析了施工過程可能出現(xiàn)的問題，并制定了防范和應(yīng)對措施。轉(zhuǎn)臂制作期間做好轉(zhuǎn)輪安裝的各項(xiàng)工作準(zhǔn)備，設(shè)備到場后要在保證安全和質(zhì)量的前提下，集中精力，科學(xué)合理地完成搶修工作，盡量縮短施工工期，減少發(fā)電損失。此外，要求生產(chǎn)廠家公司立即設(shè)計(jì)、加工制作新的轉(zhuǎn)輪葉片轉(zhuǎn)臂，并在5月21日前將所有部件返運(yùn)到電站交付安裝。安裝單位應(yīng)在5月11日前將轉(zhuǎn)輪葉片、樞軸、舊轉(zhuǎn)臂等相關(guān)部件返廠處理，并按照搶修要求抓緊開展1號(hào)機(jī)組安裝調(diào)試工作，確保6月15日前全面完成搶修工作[2]。具體搶修方案如下。

3.3.1 搶修作業(yè)范圍和主要工器具

搶修對象主要包括伸縮節(jié)、轉(zhuǎn)輪室、轉(zhuǎn)輪、主軸密封、受油器和操作油管，所需主要工器具如表1所示。

表1 搶修主要工器具清單表

表2 GS-31-069轉(zhuǎn)臂廠家制作進(jìn)度計(jì)劃表

3.3.2 技術(shù)方案

（1）前期準(zhǔn)備工作

第一，辦理1號(hào)水輪機(jī)機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片轉(zhuǎn)臂更換工作的工作票，辦理搭設(shè)轉(zhuǎn)輪進(jìn)人孔腳手架的工作票，開啟轉(zhuǎn)輪室進(jìn)人孔，在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)處導(dǎo)流錐下部搭設(shè)工作平臺(tái)。

第二，測量葉片和轉(zhuǎn)輪室之間的數(shù)據(jù)并記錄，在水導(dǎo)上游側(cè)大軸上部架設(shè)30 T螺旋千斤頂并受力，使主軸緊靠水導(dǎo)軸承下部，以防轉(zhuǎn)輪吊出時(shí)主軸水導(dǎo)側(cè)翹起，并確保30 T螺旋千斤頂固定牢固。

第三，生產(chǎn)廠家負(fù)責(zé)完成轉(zhuǎn)臂制作加工、轉(zhuǎn)輪葉片初始角定位。

GS-31-069轉(zhuǎn)臂廠家制作進(jìn)度計(jì)劃如表2所示。

（2）GS-31-069轉(zhuǎn)臂加工工藝

GS-31-069轉(zhuǎn)臂加工工藝步驟具體描述如下：木模及檢查；鑄造；清鏟、割澆冒口；熱處理、退火；打磨，清除表面不平和氧化皮；劃線，除所有孔外的加工線；粗車，車外圓Ф665 0+1/Ф660，內(nèi)孔Ф320～Ф310，法蘭厚95～100及右端38端面；打磨，打磨非加工面及處理鑄造缺陷；探傷，作UT和MT檢測，標(biāo)準(zhǔn)；熱處理、調(diào)質(zhì)、材質(zhì)性能檢測；精車，Ф660、Ф320、法蘭厚95及其他尺寸至要求；劃線，所有孔線 8-M64×4-6H 2-M10、2-Ф70H7銷 孔 35° +35°斜 面、4-M20、2-M16、Ф100H70+0.035； 初 鏜 銷孔，Ф100 0+0.035～ 尺 寸 Ф95、2-Ф700+0.03～Ф60、 寬 84叉 口； 鉆 2-M10-Ф8.5；2-M16-Ф14；4-M20-Ф17.5；精鏜，數(shù)控鏜銑加工，Ф100+0.035、8-M64×4-6H；精鏜，與原樞軸2-Ф70銷孔同鏜，與樞軸壓緊后，鏜桿分別與樞軸2-Ф70校正后鏜至要求；鉗工，攻絲2-M10、2-M16、4-M；打標(biāo)記，應(yīng)與樞軸編號(hào)一致；終檢；稱重，按編號(hào)記錄。

隨后，按機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)相關(guān)規(guī)定執(zhí)行試驗(yàn)，核實(shí)后，交付系統(tǒng)運(yùn)行。

4 搶修情況

1號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片轉(zhuǎn)臂更換工作正值主汛期，時(shí)間緊，任務(wù)重，壓力大。為確保安全、優(yōu)質(zhì)、高效地完成搶修工作，業(yè)主、施工方、生產(chǎn)廠家共同成立了1號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片轉(zhuǎn)臂更換搶修組織機(jī)構(gòu)，制定了詳細(xì)的施工組織和技術(shù)方案，編制了搶修網(wǎng)絡(luò)進(jìn)度圖，科學(xué)合理地組織員工晝夜輪班搶修。搶修工作于4月29日開始，5月27日16時(shí)9分搶修結(jié)束后，機(jī)組并網(wǎng)進(jìn)行72 h試運(yùn)，運(yùn)行正常。搶修共歷時(shí)29天，比預(yù)計(jì)45天的搶修計(jì)劃提前16天完成。5月31日21時(shí)59分試運(yùn)結(jié)束，正式交付系統(tǒng)運(yùn)行。6月1日觀察1號(hào)機(jī)運(yùn)行帶負(fù)荷情況正常，4臺(tái)機(jī)組運(yùn)行工況比較如表3所示。

表3 4臺(tái)機(jī)組運(yùn)行工況比較情況表

業(yè)主單位后續(xù)委托有資質(zhì)的試驗(yàn)單位，對改造后的1號(hào)機(jī)組開展機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)和效率試驗(yàn)，各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié) 論

該水電站在水輪機(jī)改造過程中發(fā)生1號(hào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪安放角設(shè)計(jì)出錯(cuò)事件，是一起較為典型的設(shè)計(jì)失誤事件，在主汛期發(fā)生返工而造成的損失和影響是顯著的，教訓(xùn)是深刻的。各水電單位在類似機(jī)組改造過程中，一定要從設(shè)計(jì)開始就注重改造設(shè)備的質(zhì)量，充分發(fā)揮技術(shù)監(jiān)督人員的監(jiān)督作用，確保改造設(shè)備在設(shè)計(jì)、加工制作、出廠驗(yàn)收、安裝和試驗(yàn)過程中不出差錯(cuò)，或發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)及時(shí)改正，確保改造設(shè)備一次投運(yùn)成功。