迪仕林電站機組抬機與轉輪葉片裂紋分析

張建軍

（國網東北分部綠源水電檢修公司，遼寧 丹東 118000）

1 電站基本情況

幼發拉底河是中東地區較大的、水量較為充沛的河流之一，它發源于土耳其的亞美尼亞高地，由北向南流經敘利亞轉東流入伊拉克。迪仕林（TISHRIN）水電站位于敘利亞阿拉伯共和國境內北部的幼發拉底河上，距土耳其邊境75 km。工程樞紐主要由河床土壩和帶泄水底孔的廠房建筑物組成，泄水道布置較有特點，是在蝸殼下面，并把尾水管錐體部分包住，其末端出口平行尾水肘管并在其上面通過。電站裝設6臺立軸半傘式水輪發電機組，發電機型號為SF105－66/12800，水輪機型號為ZZ440a－LH－750，單機容量105 MW。該電站土建部分由俄羅斯設計施工，機電部分為中方設計制造及安裝，1999年12月電站首臺機組投入運行，2000年9月，受四川省機械設備進出口公司委托，太平灣電廠派駐赴敘專業人員指導電站的維護管理，2002年11月，6臺機組全部投產發電。

2 存在問題

2.1 抬機現象

迪仕林電站設計有調相功能，調相系統由2臺4 MPa及1臺0.8 MPa空氣壓縮機組成。調相運行時，先行打開4 MPa供氣管路閥門，由氣罐向轉輪室供氣壓水至轉輪以下后（供氣時間為240 s），啟動0.8 MPa氣機向轉輪室補氣。當水位上返至一定高度，再次打開4 MPa供氣閥門將水位壓下(300 s)。電站先期投運做調相試運行時，機組由空載轉入調相關閉導葉后，轉輪室充氣壓水，但由于機組在水中調相運行時間過長，產生極大的上升推力，瞬間就造成了抬機，致使集電環碳刷脫出刷座而短路停機。在抬機后的機組檢查中，發現碳刷及刷握有損壞、滑環燒傷，轉子勵磁引線有被定子擋風板刮劃損壞的跡象（勵磁引線與擋風板間距離約30 mm）。在后續轉輪的檢查中，也發現頂蓋中錐底部圓周均布的樹脂防護抗磨板，沿旋轉方向已被轉輪研磨堆起（轉輪體上端面與中錐底部的抗磨板間隔為25 mm）。從以上跡象分析，判斷轉子抬機量已達30 mm以上。此后，電站機組取消了調相功能，但在機組自動開停機過程中由于監控系統故障，常常使機組進入調相工況導致抬機。資料記載2002年6月14日，4號機正常開機并網，監控系統顯示有功P為－3.5 MW, 無功Q為5 MVar，但還未等監控系統自動加載，隨即出現勵磁系統故障、電氣事故等報警，機組事故停機，同時現場值班員看見集電環碳刷打火，停機后檢查轉子勵磁引線絕緣已被擋風板劃破，即已發生抬機。目前，各臺機組的轉子勵磁引線均有劃痕，損傷程度不一，還有的機組因永磁機花鍵過長，發生抬機時旋轉軸上串將萬向聯軸節頂碎。

2.2 葉片裂紋

2004年2月，電站在對4號機進行計劃檢修時，首次檢查發現機組轉輪葉片出現裂紋現象，并對其進行了處理。至2006年2月6號機檢修時，全部6臺機轉輪均檢查出有葉片裂紋。裂紋的位置多是在葉片出水邊，即葉片小頭且靠向轉輪室，裂紋的程度從幾百毫米至1 m余長不等，出現在葉片的正面或背面，有的為穿透裂紋，并有錯縫上翹現象（如圖1為1號機5號葉片裂紋）。從歷年檢修記錄來看，每次的機組檢修裂紋處理是最為耗費工時的一項作業。根據具體的裂紋程度，先在裂紋兩端分別鉆止延孔，再用專用工具打出焊接坡口。對單面裂紋，深度較淺的開“V”型坡口即可，較深的開“U”型坡口，若為穿透型裂紋，則采用雙面打坡口，上部坡口深度占2/3左右。施焊時一般選用與母材性質相近、干燥的焊條（敘方用的是俄羅斯產ЭA-395/9-Φ4.0不銹鋼焊條），用小電流短弧焊，對較深的坡口采用鑲邊焊。要求焊接平整、光滑，無夾渣、氣孔，為減小焊縫應力，還要及時對焊道施行錘擊。若有條件，裂紋補焊后，應在100 ℃左右溫度下保溫一段時間，再緩慢冷卻下來。最后用砂輪機將高出部分磨平、磨光。但是，在此后機組的陸續檢修中，還是不斷發現有葉片裂紋（目前唯有6號機還沒第2次檢查出裂紋），其中有重復出現的，而5號機4號葉片還發生邊角掉落1塊（200 mm×250 mm）并伴有延伸裂紋?，F將各機組葉片裂紋情況列于表1。

統計顯示，全部6臺機投產僅4年后，先后總計共有30片次發生裂紋，其中重復發生的為9片。該電站轉輪結構是由6個葉片組成，也就是說裂紋葉片數目近2/3 。其中尤屬2號機問題嚴重，全部轉輪葉片均有裂紋產生。

3 原因分析

如前所述，造成該電站機組產生抬機的根本原因是機組在調相工況運行所致，當然在機組“事故”甩負荷時，不否認反水錘產生抬機推力，但沒有出現大的抬機量。此后，電站機組已取消調相功能。那么機組開停機過程中為何會出現調相現象呢？其根本原因是監控系統不穩定，時常出現死機或控制流程中斷，機組開機并網后不能自動加載并轉入調相工況。停機時又往往因監控系統調整負荷幅度過大，調速器未能及時反饋，此時機組還未解列，導致從系統吸收有功而進入調相。而機組調相運行的深度決定了抬機量的大小，輕則躲過事故，抬機嚴重則事故停機。

迪仕林電站機組計算機監控設備為國內第一代產品，投入運行以來就存在很多問題。2005年，電站曾對工控機進行了更換，但由于信號采集模塊與工控機不匹配，時常出現上述提到的死機或信號傳輸中斷，更有經常發生誤采集諸如事故低油壓這樣的信號，造成事故電磁閥動作使運行中的機組甩負荷（電站投運以來機組“事故”甩負荷情況見表2）。在電站設計中，設計院明確給出了機組吸出高度為－6 m，但由于水工建筑物的設計施工及下游薩烏拉電站實際蓄水等原因，造成實際吸出高度約－15 m左右，機組投運以來真空破壞閥從未檢修調試過，也未曾發現其有過動作補氣（曾對6臺機組由空載至停機過程做過監視，有些機組頂蓋內出現了一定的真空度）。在機組事故停機，導水機構快速關閉時，尾水管內水壓急劇下降，強烈的反水錘作用于葉片，是造成葉片裂紋的主要原因。表2是摘自2001年至2008年統計數據，有73臺次之多“事故”甩負荷，可以說是非常罕見。其次，設備加工會存在一些內在缺陷，如鑄造工藝不良產生的缺陷和鑄造應力，結構設計不合理殘存的結構應力，運行中的水流脈動作用力產生的材料疲勞應力等也加速了葉片的疲勞破壞，而機組頻繁發生的“事故”甩負荷，更加劇了葉片裂紋的產生。資料記載，在處理葉片裂紋過程中，就曾發現葉片本體有氣泡及夾渣現象，且從打磨出的末狀來看材質較軟（葉片材質為ZG0Cr13Ni6Mo不銹鋼），反映出裂紋的產生確有一定的質量原因。另外，機組運行一般所帶負荷均在80 MW左右，最高也很少超過95 MW，運行水頭一般在22 m ，遠低于設計水頭，且上游水質常年較好，從未過載運行。葉片發生裂紋對電站的安全運行危害極大，可怕的是，一旦發生大塊葉片掉落，運行中的機組會因失衡而產生強烈振動引發擴大性事故，因此應注意檢查，及早發現，及時處理。

4 防范與解決

在中方保存的資料中，記載了發現迪仕林電站機組輪葉裂紋后，水科院人員曾于2005年底對2號機進行過葉片應力試驗；2006年6月，受敘方GOLD和GOED的邀請，JV的工程師Mr. Mirkovic和Mr. Hersel也曾對迪仕林電站進行過現場檢查，但均沒有實質性結論報告及解決方案。鑒于迪仕林電站機組這種狀況，太平灣電廠歷屆專家組，采取了許多防范機組調相的安全措施，做了大量葉片裂紋處理的工藝指導及質量把關工作，所幸未發生因此帶來的更加嚴重的事故。

（1）目前，開機時通過監視機旁盤功給顯示正確，機組并網電壓、頻率均正常，合上出口開關后，由手動加載調整負荷；停機時，同樣為避免監控系統的過調或誤調使機組進入調相，先由監控系統下空載令將負荷減至空載，解開出口開關后，再手動將導葉完全關閉。同時，為保證監控系統的正常，由二次專業人員每天上班后先對計算機進行1次重啟動。

（2）已將各機組集電環碳刷架安裝位置上移，即盡量使碳刷接觸于滑環上部，以留出抬機發生時的竄動量，防止滑環及碳刷的損傷。

（3）現正通過逐臺機組的檢修，逐一檢查轉子勵磁引線損壞程度，并松開線夾，將引線高度下調（可大致降低10 mm，即引線與擋風板距離可保證在40 mm左右），再重新處理好引線絕緣。

（4）現設想在機組出口增設功率方向限制裝置，直接作用于機組并網狀態下限制導葉關閉幅度。此方案在研究中，一旦成功將從根本上避免抬機事故的發生。

（5）為確切掌握機組抬機發生時的抬機量，以利于制定合理的機組檢查檢修方案，電站設計制作了抬機監測裝置，用于跟蹤機組抬機狀況。

（6）在機組檢修中，對真空破壞閥進行分解檢修及動作定值校驗，如若開啟真空度選擇偏高，應予以調整，確保其能正常動作，及時消除轉輪室內真空以減小水錘壓力。

5 結束語

迪仕林電站機組轉輪葉片裂紋情況令人堪憂，也是最大的設備隱患，不但設備安全運行難以保障，也極大地增加了運行操作及維護檢修人員的責任以及工作量。先進的計算機監控，本應給機組帶來可靠的控制和保護，但恰恰由于它的不穩定，電站屢屢發生調相運行及“事故”甩負荷，成了機組安全運行的“罪魁禍首”，因此盡早對監控系統進行升級改造，是解決問題的關鍵。