水輪發電機組導葉操作拒動故障分析與處理

周 伍，王茂海，王慶書，吳定平

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水輪發電機組導葉操作拒動故障分析與處理

周 伍，王茂海，王慶書，吳定平

（葛洲壩水力發電廠，湖北 宜昌 443002）

為了解決機組在運行過程中出現的導葉開啟拒動故障，經反復檢查、分析，排除了調速系統故障、導葉端面摩擦等原因，通過在線應力試驗確定了導葉中軸套摩擦阻力過大，最終進行針對性故障處理，恢復了導葉操作靈活性，驗證了中軸套吸水膨脹導致導葉拒動的推斷。本文重點介紹導葉拒動故障的原因分析過程與針對性的處理措施。

水輪發電機組；導葉拒動；軸套；膨脹；應力試驗

0 前言

葛洲壩電站共裝有21臺大型軸流轉槳式水輪發電機組，裝機規模2715MW（170×2+125×19）。自2012年開始，葛洲壩電站開始大規模機組改造增容工作，原125MW機組增容至150MW，預計在2020年左右完成。

葛洲壩電站15號、20號機組制造廠家為國內某廠，均于2013年進行了水輪機改造增容，轉輪型號為ZZD673-LH-1020（改造前為ZZ500-LH-1020），設計水頭18.6m，工作水頭范圍9.1~27.0m，額定轉速62.5r/min。調速器為能事達公司WBST-150-4.0型產品，采用步進電機+主配壓閥的結構形式，主配直徑150mm，系統額定油壓4.0MPa，是帶機械位移反饋的二級調速系統[1]。

1 導葉拒動故障現象

2016年5月，葛洲壩電站15號、20號機組頻發調速器故障，只能單方向減小導葉開度，無法增大導葉開度，導致負荷無法增加。統計情況見表1。

表1 15號、20號機組導葉開啟拒動情況統計

5月17日15號機組故障初發時，現場檢查發現調速器導葉側步進電機絲桿已與回復杠桿脫開，導葉側主配閥芯處于極限開啟位置，導葉接力器開關腔壓差達到4.0MPa，且與壓油罐壓力波動趨勢一致，但導葉無法正常開啟，只能緩慢蠕動。輪葉側調速器工作正常。相關曲線情況如圖1。其余故障現象均與此次類似。

2 故障原因分析

2.1 初步檢查

5月17日，導葉開啟拒動故障發生后，對15號機組調速器進行了全面檢查。檢查發現，故障發生時調速柜內導葉側步進電機、回復杠桿、引導閥等部件工作正常，主配壓閥保持在極限開啟位置，接力器開、關腔壓差達4.0MPa；控制環無異響及異動現象，抗磨板、導軌無異常剮蹭現象；過速系統、分段關閉裝置等部位均無異常。

綜合15號、20號機組的一致故障現象，特點有：

（1）導葉側調速器的電調部分、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）導葉接力器開關腔形成4.0MPa的持續壓差，但接力器動作異常緩慢，導葉開啟拒動；

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

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

2.2 應力試驗

為了準確定位存在異常阻力的部位，6月初進行了故障機組15號機組與正常機組14號機組的對比應力試驗。

兩臺機均在停機備用工況下安裝應力測試片，然后開機至滿負荷運行。試驗主要工況點為82%（當時水頭最大出力開度）→75%→80%→70%→75%→ 65%→70%→60%→82%→60%（當時水頭穩定區域最小開度），共計9個開關導葉過渡過程。試驗全程記錄了開關導葉過程中32個導葉連桿與4個接力器推拉桿的應力變化[4,5]。

表2 15號機組試驗過程中接力器應力統計表

表3 14號、15號機組連桿、推拉桿合力統計表

試驗數據顯示開關導葉過程中：

（1）15號機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號機組的4.4倍，測值與開關腔壓差絕對值相對應，表明接力器開關腔壓差全部轉化為推拉桿力量，無內部異常阻力；

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

（3）15號機組控制環摩擦力較大，造成同樣結構的導葉操作機構條件下，力量輸出輸入比僅為40.5%（14號機組為62.9%），是導致接力器壓差過大的次要原因。

通過對比應力試驗的定量分析，可以確認異常阻力主要發生在導葉裝配處。

2.3 蝸殼排水檢查

為了進一步確定導葉裝配異常阻力的具體位置，6月中旬對15號機進行了蝸殼排水檢查。

活動導葉開度約為60%狀態下，檢查活動導葉上下端面間隙以及下方底環狀態：

（1）15號機組各活動導葉間隙偏差較大，與大修后數據對比，上端面間隙無增大現象，表明導葉無下沉現象。

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

檢查結果表明導葉上下端面無產生異常阻力的現象。結合2013年15號機改造增容期間的檢修情況，活動導葉的三個軸套中，下軸套無明顯磨損未更換，中軸套全部更換，且軸套材質由尼龍1010更換為MC納米尼龍[6,7]，上軸套與導葉軸領有5mm設計間隙，故分析認為是因中軸套全部更換且變更材質后，在運行過程中尼龍遇水發脹，導致摩擦力異常增大，引發導葉操作拒動[8,9]。

此外，對15號機組導葉實際操作力進行測量（將拐臂連桿銷拔出，用葫蘆拉動活動導葉，葫蘆上掛電子秤用于測量導葉動作的拉力），結果再次確認了導葉裝配阻力異常增大的情況真實存在，且與應力試驗測試值存在良好的對應關系。

3 故障發展趨勢

確認導葉中軸套膨脹、導致導葉操作拒動的故障原因后，結合當時導葉操作時接力器開關腔油壓狀態，認為導葉關閉時接力器壓差為2.0MPa左右，異常狀態下能夠順利停機，機組運行風險可控。由于當時正值汛期，機組繼續維持運行，并每日監控機組狀態。

3.1 故障發生初期（修后~2016年5月）

2016年5月，15號機導葉開啟拒動故障發生后，向前追溯其導葉接力器開關腔壓力，統計值見表4。

表4 故障前接力器開啟過程開關腔壓差統計表

表中數據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。此階段導葉開關動作正常，但接力器壓差較大，應與中軸套持續膨脹有關。至5月底，開始間或出現接力器壓差達到系統額定壓力4.0MPa，導葉仍無法正常操作的故障。期間導葉關閉過程接力器壓差約2.0MPa。

故障初期，導葉開啟操作時卡阻現象偶有出現。采取如下應對措施：

（1）退出該機組AGC；

（2）每天在現場對導葉卡澀機組手動調整負荷，調整幅度在20~30MW，控制機組運行工況不進入振動區，觀察機組導葉開、關動作情況。

（3）當機組導葉中接脫開時，將調速器導葉切手動，將中接關回，再將油壓打至4.0MPa，監視導葉主接動作情況，并記錄導葉接力器開、關腔壓力，當主接跟隨中接后切自動運行。

圖2 15號機組導葉開啟過程壓差變化趨勢圖

3.2 故障發生中期（2016年6 ~7月）

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

6月份，15號機組導葉開啟時接力器壓差有隨水頭波動的現象，是由于在當前開度（60%~80%）下，水壓力對導葉起助關作用，水頭越高，助關力量越大，導葉開啟越困難，反之亦然。而進入7月中下旬，中軸套膨脹量進一步增大，導葉調節拒動現象頻繁出現，水頭變化已無法改變拒動現象。

故障中期，導葉開啟操作卡阻現象頻率增加。采取如下應對措施：

（1）將壓油泵啟停油壓從3.7/4.0MPa調整至3.8/4.1MPa，壓油泵出口安全閥始排值由4.05MPa調整至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，以便關機卡阻時安裝在控制環與支持蓋的限位塊之間，幫助關閉導葉。

3.3 故障發生后期（2016年8月）

7月底，15號機組首次出現導葉關閉拒動現象，接力器壓差達3.94MPa，持續時間約3min（參考同期同類型14號機組機組最大壓差1.17MPa、21號機組最大壓差1.14MPa）。

圖3 15F首次導葉關閉拒動曲線圖

同時，進入8月份，15號機組運行過程中多次出現剪斷銷剪斷故障，檢查發現個別導葉套筒隨導葉動作出現螺孔曠量位移，導致剪斷銷剪斷。

圖4 15號機組導葉導葉套筒曠量位移圖

分析認為因中軸套繼續膨脹，導致個別導葉軸與套筒抱死，拐臂驅動導葉時帶動套筒一起轉動，轉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轉動，剪斷銷剪斷。

由于24個導葉中，已有3個導葉套筒發現有松動跡象，隨時可能進一步惡化，發生導葉與套筒抱死，大規模破壞剪斷銷的故障，故機組轉為定導葉開度運行，并申請停機檢修。

故障后期，導葉出現關閉操作時卡阻現象，剪斷銷剪斷，套筒移位。機組運行風險不可控，停機緊急搶修。

圖5 15號機組導葉軸套結構圖

4 故障處理

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

4.1 應急搶修

根據應力試驗測值，結合現場實際情況，在不拆解接力器供油管路的前提下，選取應力測值最大的10個導葉，處理其中軸套。

拆解導葉連桿、拐臂，吊出導葉套筒后，檢查中軸套發現內壁有明顯摩擦痕跡，測量尺寸見表5。

表5 15號機組搶修抽檢導葉中軸套內徑統計表

數據顯示，與15號機組機組2013~2014年A修時中軸套加工尺寸相比，中軸套膨脹后內徑減小平均值0.72mm，最大達1.2mm。各軸套均存在過盈配合區域，無間隙。

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

修后同樣進行拉力測試，發現導葉操作力均在1t以下，較修前與有大幅下降。

15號機組機組修后開機，運行過程中導葉調節過程無卡阻現象。與修前同工況下導葉開啟、關閉過程中開關腔壓力進行對比，可以看出修后機組運行過程中導葉動作時，開、關腔壓差有明顯減小，具備安全運行的條件。

開啟過程，開、關腔壓差下降值在0.39~ 0.82MPa之間；關閉過程，開、關腔壓差下降值在0.35~ 0.80MPa之間。

表6 15號機組搶修前后導葉操作力測值對比

圖7 15號機組搶修前后導葉關閉過程壓差對比圖

4.2 全面檢修

安全度汛后，15號機組進行了全面的導葉中軸套檢修處理。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號機組導葉開關過程中，接力器壓差均下降至正常水平，機組運行狀態良好。

表7 15號機組檢修后導葉開關壓差統計表

5 結語

由于采用MC納米尼龍替換尼龍1010材質的軸套時，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準，機組投運后兩年時間內，中軸套吸水膨脹，導致導葉操作阻力逐漸增大，最終引發導葉操作拒動的故障。

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

這一事件中導葉拒動故障的發展趨勢，檢查、分析方法，應對措施，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月畢業于西安交通大學機械工程自動化專業，現從事水輪發電機組檢修維護工作，工程師。

湖北省宜昌市西壩建設路1號郵編：443002

電話：0717-6953712 15871668795