皂市水電站2 號機組導葉停滯原因分析及處理

江信斌，吳晟輝

（湖南澧水流域水利水電開發有限責任公司皂市水電站，湖南 常德 415311）

1 概況

皂市水利樞紐工程位于湖南省石門縣境內的洞庭湖水系澧水流域I 級支流渫水下游，電站裝設2 臺60 MW 混流式水輪發電機組，額定水頭50 m，水輪機型號：HLF161A0-LJ-400；額定轉速：157.89 r/min；接力器設計油壓為4.0 MPa，直徑0.4 m,總容積0.129 m3,推力502 kN,拉力422 kN，導葉全行程關閉時間為20 s，最大關閉速度為5%/s。

水輪機導葉操作機構由拐臂、連桿、控制環、接力器、保護元件、導葉限位裝置等部件組成，共設24 個活動導葉，為不銹鋼整體鑄造（材料：ZG0Cr13Ni4Mo），導葉為三支點軸承結構，采用FZ-2鋼背復合材料自潤滑軸承，導葉主拐臂與副拐臂間設有1 層摩擦材料，副拐臂上裝有摩擦預緊力控制螺栓（預緊力矩300 N·m），導葉全開位置到接近空載開度位置范圍內，具有自關閉趨勢的水力矩特性。

水輪發電機組及調速器設備2008 年5 月投產，2018 年10～12 月完成2 號機組首次A 級檢修，對導水機構部件進行檢修處理，同年10～12 月完成2 臺機組調速器整體更換。根據皂市水電站調速器系統設計計算書，調速器主配通徑由原設計的100 mm調整為80 mm，采用南瑞集團生產的ZFL-80D 調速器，同時，增加與機組、調速器系統相匹配的事故配壓閥，并優化調速器管路。

2 故障發生情況

2019 年1 月，開展1 號、2 號調速器設備入網試驗，驗證調速器相關性能及參數正常。無水試驗情況下，調速器主配、導葉接力器運行情況正常。有水試驗情況下，1 號機組負荷調整過程正常，調速器主配、導葉接力器運行情況正常；進行2 號機組負荷調整時，機組減大負荷過程中導葉開度在36%～38%時出現導葉及接力器停滯1～4 s 后動作現象。2019年8 月，第二次進行2 號調速器有水試驗檢查，機組減大負荷調整時，機組減大負荷過程中導葉開度在42%～44%時出現導葉及接力器停滯1～4 s 后動作現象。2020 年9 月，第三次進行2 號調速器有水試驗檢查，機組減大負荷調整時，機組減大負荷過程中導葉開度在42%～46%時出現導葉及接力器停滯0.3～1.8 s 后動作現象。（數據見表1）。

表1 2 號機導葉減負荷過程數據

表1 中三次試驗過程中，2 號機組減大負荷期間，調速器控制輸出PID 一直具有輸出，主配傳感器有動作輸出；在發生導葉停滯過程中，調速器控制輸出PID 有輸出，主配傳感器有動作輸出，主配壓閥仍向關方向動作；在調速器調速器PID 及主配壓閥持續輸出0.3～4 s 后，導葉瞬間加快向關方向動作，完成該次負荷調整。

3 故障判斷

由于1 號機組有水試驗時調速器及導葉正常動作，導葉停滯現象發生在2 號機組，初步判斷調速器系統改造換型時設計計算的調速器主配壓閥通徑及接力器的容量，滿足導葉承受最大水力矩時調速器按規定的導葉關閉或開啟時間驅動導葉的需要，排除與調速器設備的設計制造因素，故初步分析認為故障過程中調速器整體工作正常，調速器主配壓閥正常打開，油壓能正常傳遞至接力器，導葉出現停滯的原因判斷為導葉操作機構阻力異常增大，阻力存在于導葉傳動機構中的接力器、控制環及導葉裝配等部位。

4 檢查情況

針對2 號機組導葉停滯現象，電站組織專業人員開展導水機構部件相關檢查，發現控制環導向區域壓板-X+Y 方向存在局部刮擦、兩個接力器推拉桿轉動、部分導葉偏心銷螺母松動、導葉操作機構在開機瞬間反饋側接力器推拉桿與控制環連接銷處上抬、剪斷銷上竄情況。

為進一步定位異常阻力發生的部位，利用機組停機檢修機會，開展導水傳動機構詳細檢查及試驗，測量接力器行程、導葉壓緊行程、導葉端/立面間隙、接力器軸力及腔體油壓、導葉拐臂高程。

通過檢查、測量、試驗發現：①導葉關閉時，帶反饋側無桿腔壓力和無反饋側有桿腔壓力高于帶反饋側有桿腔壓力和無反饋側無桿腔壓力，導葉停滯過程中接力器有桿腔和無桿腔壓力急劇升高（測試情況見圖1）;②控制環導向抗磨板、接力器與控制環連接銷銅套、連桿銷銅套，抗磨板及銅套等處存在不同程度磨損；③導葉副拐臂摩擦裝置處把合螺栓緊固力大小不均（數據見表2）。

圖1 2 號機組有水試驗接力器油缸壓力測試情況

表2 導葉副拐臂（連板）把合螺栓緊固力現場實測數據

5 故障原因分析

根據導葉接力器設計要求，轉動導葉的力由接力器產生，并依次通過控制環、連桿、導葉連板、導葉臂、導葉摩擦裝置使活動導葉轉動，從而控制活動導葉的開度增大或減小。導葉在水力矩的單獨作用下會自由轉動，此時導葉臂與連接板間的摩擦力矩成了唯一能限制導葉自由轉動的因素，而只有當摩擦力矩大于最大水力矩時，摩擦力矩才可能與水力矩抗衡，制動導葉。按照設計要求，摩擦力矩的大小須稍大于最大水頭下最大水力矩，一般可取1.1 倍的最大水力矩。

導葉上的水力矩及摩擦力矩：

接力器在導葉上的牽引力矩為：

式中：

Mq—導葉水力矩；

Mr—導葉摩擦力矩；

Fr—導葉水力矩產生的力；

Fc—導葉摩擦力矩產生的力；

Ft—接力器牽引力；

Dy—控制環大耳銷分布圓直徑；

Dc—控制環小耳銷分布圓直徑；

Lp—導葉臂名義長度；

Zn—導葉數量；

α—導葉臂中心線與連桿中心線間夾角；

β—連桿中心線和小耳銷分布圓切線間夾角。

此牽引力矩和對應開度下導葉的作用力矩應平衡，即Mc=Mq+Mr；因此需要推動導葉轉動時，主要是克服作用在導葉上的水力矩和作用在傳動機構上的摩擦力矩，

因導葉摩擦裝置為安裝在導葉軸頸上的夾緊式裝置，借助于連接板的夾緊力使得摩擦環和導葉臂處產生摩擦力矩，防止導葉在水中擺動。摩擦裝置上緊固螺柱的預緊程度決定了導葉連接板夾緊導葉臂產生的最大摩擦力矩大?。▽畽C構示意見圖2）。

圖2 導水機構示意圖

在導葉正常關閉速度下關閉時，會發生以下2種情況：①控制環導向抗磨板、接力器與控制環連接銷銅套、連桿銷銅套等配合運動部件磨損，使得局部緊密配合的傳動連接部位間隙死區增大；②各導葉摩擦裝置緊固螺栓緊固力偏差大且未達到設計值，導致導水機構在運行過程中連接板與導葉主拐臂產生滑移現象，連接板與主拐臂間摩擦力矩減小，導葉摩擦力矩產生的力增大。隨著導葉開度的減小，導葉水力矩因數增加，水力矩逐漸減小。查詢主機廠家設備模型試驗數據得知，導葉轉角從46.21°～14.78°之間變換時，導葉上的水力矩由2 400～-4 500 N·m 之間轉換，隨著導葉開度的減小，導葉水力矩的數值逐漸減小，并有變為負值的趨勢，導葉轉角從26.35°～20.44°之間變換（導葉開度約為36%～46%）時，導葉水力矩減小至最小范圍，此時導葉制動力逐步增加。由于導葉制動力增加及部分導葉傳動連接部位間隙死區增大產生的不平衡力因素影響，導致牽引力不足，從而發生導葉不動。

機組減負荷時，調速器程序功率閉環控制中主環控制流程根據功率調整量進行PID 計算出導葉開度后下發至副環執行機構，副環控制經過比例增益“Kp”和副環的積分增益“Ki”處理，以電流的形式送至比例伺服閥，并按照電流的大小動作至相應的開度，從而控制主配壓閥開口，最終使導葉接力器動作。機組減負荷導葉停滯期間，調速器功率閉環控制中流程主環檢測到功率調整量未按下達指令達到要求，因而將功率調整量PID 計算出導葉開度下發至副環執行機構，調速器調節副環根據導葉開度調節輸出量持續以電流形式送至比例伺服閥疊加，此時伺服閥開口逐漸增加，主配壓閥開口持續增加，接力器操作力增加，當操作力增加至克服導葉臂制動力時，導葉開始動作。

通過綜合分析，可以確認異常阻力主要發生在導葉摩擦裝置裝配處。

6 處置措施

針對以上問題情況，利用機組檢修機會：①開展2 號機組24 個導葉主拐臂摩擦裝置連接板緊固螺栓進行重新預緊，將每個連接板緊固螺栓預緊力達到300 N·m 滿足設計要求；②更換磨損的接力器與控制環連接銷銅套、連桿銷等配合運動部件銅套；③調整接力器行程活塞桿與推拉桿接頭的旋合長度，保證兩個接力器活塞與缸蓋應同時接觸。

通過調整使得導葉接力器的牽引力在控制環、連桿、導葉連板、導葉臂、導葉摩擦裝置處受力均衡平穩（測試數據見圖3），2 號機組導葉停滯問題得以徹底解決。

圖3 接力器腔油壓變化情況測試

7 結語

提高水輪機的各部件穩定性及運行質量貫穿于水輪機安裝、檢修、運行的整個過程中。從本例可以看出，在不同水頭下，由于導葉摩擦裝置緊固螺栓預緊力不足導致導葉操作阻力逐漸增大最終引發的故障影響不可忽視。通過對2 號機組導水機構部件的處理，消除了影響機組安全穩定運行的隱患，對水電廠機組運行過程中導葉停滯問題具有很好的借鑒和指導意義。