軸流轉槳式機組槳葉抽動及供油泵頻繁啟停淺析

時志能

（大唐水電科學技術研究院有限公司，廣西 南寧530007）

1 故障概述

某水電站主要由左岸土壩、左岸船閘、左岸發電廠房、溢流壩、左右岸接頭壩和開關站等組成。廠房內裝設有4臺150 MW軸流轉槳式機組；水輪機型號ZZA814a-LH-1040，額定水頭19.5 m，最低水頭8.65 m，最高水頭41.5 m，額定轉速62.5 r/min，額定流量864.9 m3/s。調速器型號YZ-40/2-6.3-GK-1-04，其工作油壓 6.3 MPa。

主汛期，全廠機組均處于自動狀態運行，運行人員監測到2號機組油壓裝置供油泵頻繁啟動，其啟動頻率約為正常運行的4～6倍；調速系統液壓油油溫升高且保持在54℃左右，比正常運行油溫增長約35%；同時，槳葉還存在約15 s的抽動間隔。經電廠核查，調速器在自動方式下，通過受油器上油箱觀察孔觀測到箱內有較大油液外涌；將槳葉和導葉均切機手動后，導葉開度保持不變，槳葉徑直往大開度方向漂移，至滿開度后槳葉未再發生抽動。經查看下游尾水水面及液壓油管路，其總油量未發生泄漏。

由于全流域處于泄洪狀態，考慮到停機會帶來較大的電量損失，在保證機組振動和擺度未發生嚴重超標的情況下，根據轉輪協聯曲線及上、下游水位信息，2號機組臨時采用槳葉100%開度、定期手動調整導葉開度以達到改變出力的運行方式。

2 儲油容器參數

經主機廠對槳葉活塞容積核算，水輪機槳葉開腔變化1%開度的操作用油量為18.5 L，關腔變化1%開度的操作用油量為16.6 L。當2號機組帶負荷運行、槳葉和導葉均切機手動時，假定槳葉關腔變化1%開度減少的透平油全部漏至上油箱，開腔補油全部來自壓力油罐，則上油箱油位上升約11.1 mm，壓力油罐油位下降約4.87 mm；受油器上油箱、壓力油罐結構參數見表1。

表1 儲油容器結構參數

3 槳葉抽動排查

2號機組在毛水頭低于17.0 m及以下、大槳葉開度時，機組出現槳葉抽動和供油泵頻繁啟停現象；毛水頭高于18.0 m及以上時，槳葉抽動和供油泵異常情況消失。通過分析機組結構圖，槳葉抽動可能是槳葉主配壓閥、受油器浮動瓦及其密封、槳葉活塞與關腔操作油管的組合密封等部件出現異常[1-4]，從而導致槳葉關腔無法實現保壓所致。為了進一步明確部件漏油或竄油導致機組異常的原因，從而確定非汛期機組的檢修等級和汛期運行方式，對機組進行了槳葉漂移情況、受油器上浮動瓦漏油量、槳葉關腔壓力油量等測試。

3.1 槳葉漂移情況測試

低水頭工況下，2號機組在不同槳葉初始開度下的測試數據見表2。測試結果表明，15.5 m、16.0 m毛水頭工況下，當槳葉初始開度較小時，相同時間范圍內的槳葉漂移量變化較小；隨著槳葉初始開度進一步增大，相同時間范圍內槳葉開始出現明顯的漂移現象。槳葉初始開度基本相同時，對比不同水頭下的槳葉漂移量發現：水頭越低，其槳葉在機手動狀態的偏開速度越快。綜合機組的漂移情況分析，槳葉異常抽動不僅與毛水頭有關，而且與槳葉開度的大小息息相關。

3.2 受油器上浮動瓦漏油量測試

受油器上油箱主要收集上浮動瓦（與關腔油管連通）、上下浮動瓦平壓管、輪轂供油管外側銅瓦漏油。通過關閉上油箱至油壓裝置回油箱的連接閥門，采用鋼制刻度尺記錄上油箱油位變化的方法即可測量上油箱油量；測試過程中槳葉開度每漂移2%，記錄一次上油箱、壓力油罐的油位變化，受油器結構示意見圖1。

圖1 受油器結構示意圖

毛水頭為16.5 m時，槳葉開度從90%左右自動漂移至滿開度，機組有功為112.5～106.1 MW，其數據見表3。測試結果表明，槳葉關腔因開度增加而減少的透平油容積平均約占上油箱所收集漏油量的91%，槳葉開腔因開度增加而增加的透平油容積平均約占壓力油罐減少油量的87%。忽略測量誤差及導葉相關操作閥門的漏油，從透平油的容積變化來看，當槳葉和導葉均切機手動時，在槳葉漂移過程中，槳葉關腔減少的油全部漏至受油器上油箱，而槳葉開腔補充的油全部來自壓力油罐。

表3 槳葉開度、上油箱和壓力油罐油位變化

3.3 槳葉關腔壓力油量測試

在設備密封完好的情況下，槳葉關腔壓力油量變化值、受油器上油箱漏油量、壓力油罐油量變化值存在如下關系：槳葉和導葉均切機手動時，手動關閉槳葉引起關腔增加的壓力油（A）與受油器上油箱漏油量（B）之和等于壓力油罐減少油量（C）；即：

為了避免槳葉中間停留過程對測試的影響，關槳葉過程要求保持槳葉開度勻速變化、一次調整到位的方式，關槳葉過程中機組負荷略微降低，毛水頭20.4 m的測試結果詳見表4。通過比較關槳葉過程中透平油量變化可知，關槳葉過程的時間越短，槳葉引起關腔增加的壓力油（A）、受油器上油箱漏油量（B）之和與壓力油罐油量（C）的誤差越小，即在槳葉主配閥芯開口越大時，A+B=C關系成立；槳葉開、關腔油量守恒也表明了槳葉開腔和關腔不存在內部竄油現象。

綜上所述，在水力矩和自重力作用下[5]，由于槳葉關腔壓力油無法實現保壓，槳葉自動往開方向漂移。當槳葉開度變化超過調速器設定的漂移量時，調速器自動將槳葉調整至協聯開度，從而導致機組在低水頭、大槳葉開度工況下出現槳葉頻繁抽動現象，進而引起油壓裝置供油泵組頻繁啟停、透平油油溫升高。

停機期間對2號機組巡查發現：槳葉機械和電氣反饋信號正常；主配自復中正常，主配先導電磁閥動作靈活；調速器協聯關系正常。通過對受油器的分解發現：上浮動瓦及其徑向密封、輪轂供油管外側銅瓦及密封均存在嚴重磨損現象，且上浮動瓦雙邊間隙增長近一倍。更換上、下浮動瓦及密封，并按設計要求調整浮動瓦雙邊間隙后，機組在低水頭、大槳葉開度工況運行未再發生槳葉抽動現象，供油泵啟停和調速系統油溫均恢復正常。

表4 關槳葉過程的透平油變化

4 運行及檢修建議

（1）由于軸流轉槳式機組同時擁有兩套相對獨立的油壓操作系統，機組負荷變化需要導葉和槳葉的協聯配合，運行期間應密切監視供油泵、漏油泵的啟停間隔和運行時間，并做好運行記錄，以便后期對機組的運行狀態進行評估。

（2）槳葉操作系統涉及的密封件數量眾多，機組大修期間，應嚴格控制槳葉壓力油系統密封件的安裝質量，嚴格按照國標或行標進行機組盤車和轉輪的保壓試驗[6]。

（3）為了深入掌握槳葉開腔和關腔的運行狀況，建議雙調機組在與受油器連接的透平油壓力管路上安裝數顯式壓力表或壓力變送器。

（4）定期對調速系統透平油進行油質檢驗，并做好檢查記錄。