水輪發電機風閘氣管路改造

張慶賀1，張 淼2

（1.海委引灤工程管理局潘家口水電廠，河北 遷西 064309；2.天津軍糧城發電有限公司，天津 300300）

1 概況

潘家口水電廠1號機組是全傘式水輪發電機組，型號：ST150-60/180；機組轉動部分總重量685.84t。風閘是天津市津世達發電機設備有限公司生產的三活塞三腔偏心球面結構風閘，型號：ZL220-QPD-F；下活塞和中活塞大直徑φ220mm；中活塞小直徑φ160mm；最大工作行程35mm；共有12組24個風閘。

2005年11月投入運行2年后，風閘逐漸出現了蹩卡現象，對風閘進行結構改造，改造后的風閘蹩卡現象沒有消除。分析是氣管里的氣水進入風閘，造成風閘內部部件嚴重銹蝕，出現嚴重蹩卡故障，風閘不能復位,需要人工撬下風閘。

2 風閘故障及結構改造

2.1 風閘故障

三活塞三腔偏心球面結構風閘，投產使用初期機組停機加閘或復位，無漏氣現象。推力瓦建立油膜或機組大修，無漏油現象，風閘活塞動作起落靈活。后期風閘逐漸出現了蹩卡現象，不能自動復位，需要用撬棍撬下風閘。嚴重蹩卡的風閘拆除，吊出機坑分解檢查，兩個氣腔有水有油泥，風閘內部部件輕微銹蝕，活塞芯O型密封圈嚴重損壞，活塞芯固定螺絲松動。分析原因是活塞芯的問題，造成了上活塞不能靠自重下落，是風閘結構不合理見圖1。

2.2 風閘結構改造

2007年底在1號機組大修期間經過與廠家協商溝通，由生產廠家出圖紙將24個風閘全部拆除，吊出發電機層運到機加工車間，取消活塞芯，在上活塞中心鉆通孔，取消芯套，在中活塞中心鉆孔攻絲，用M20×160螺栓將上活塞與中活塞連接，風閘中活塞復位腔給氣壓下落時，中活塞通過M20螺栓帶動上活塞下落。并加工一個支撐板安裝上活塞孔上，支撐風閘偏心球面。裝配后保證下活塞，中活塞升起到位時，螺栓頂面有余留間隙，防止頂面碰上支撐板見圖2。

另外購置一個臥式氣水分離器自動排水裝置，安裝在空壓機室里的風閘主管路上，分離風閘管路里的氣水。

2.3 改造后的狀況

（1）改造后的風閘運行了一段時間，蹩卡現象還是出現，隨著運行時間越長久，蹩卡現象越嚴重，撬風閘的次數增多，特別是建立油膜或機組大修頂轉子后，有的風閘復位腔加低壓氣0.7～0.8MPa時，還需要兩個工作人員各持一根長撬棍，對稱同時用力撬，才能撬下風閘。

圖2 風閘改造后裝配示意

2011年11月1號機組小修期間，18、20號風閘蹩卡嚴重、2號風閘竄油、6號風閘竄氣，分解檢查，風閘缸體內壁及活塞嚴重銹蝕；兩個氣腔內有很多水；缸體內壁嚴重坑洼不平；中、下活塞密封槽塞滿了油泥；O型密封圈扭曲變形損傷嚴重。

（2）在空壓機室里檢查臥式氣水分離器自動排水裝置時，自動排水閥下面的接水器里，沒有看到排出的水。

（3）風閘制動柜周圍地面經常有水，打開風閘制動柜門，檢查是加閘或復位排氣管在排氣時，從排氣管里排出的水流入地面。

（4）風閘回裝就位，用0.7～0.8MPa低壓氣，作風閘加閘或復位氣管接頭實驗，24個風閘起落實驗，氣管接頭無漏氣，風閘起落正常。用高壓油泵作風閘油管接頭和頂轉子實驗，出現高壓油泵壓力在5MPa時，9、16、17號風閘活塞不動，高壓油泵壓力升到6MPa，三個風閘的活塞才逐個升起。高壓油泵壓力升到9MPa，頂起轉子高度3mm，高壓油泵壓力升到11MPa，轉子高度還是3mm，大大超出檢修規程的要求（正常頂轉子，高壓油泵壓力7～8MPa，高度8～10mm）。立即停止頂轉子工作，對發電機和水輪機進行認真檢查，未發現異常。

3 風閘蹩卡故障原因分析

3.1 從拔風閘活塞工藝分析

風閘檢修時，每次拔活塞，上活塞對稱擰上兩個螺栓，一個人用手就能拔出上活塞。拔出中活塞，需用一套專用工具架，將專用工具架的兩根M20長螺桿一頭焊接的M10螺栓，擰進中活塞的兩個螺絲孔，風閘缸體上中間橫放入一塊堅固墊板，中間支撐一個10t千斤頂，頂住專用工具架，用壓桿壓千斤頂才能慢慢拔出中活塞。拔出下活塞比中活塞難度更大，專用工具架對稱方向，各支撐一個10t千斤頂，用鋼板尺測量專用工具架兩頭尺寸高度一致，活塞4個方向深度尺寸一致，用壓桿壓千斤頂，對稱方向用力均勻，才能從缸體內拔出下活塞，拔下活塞的過程中，經常發生拔斷長螺桿焊接的M10螺栓。

根據計算風閘的復位力=〔（D12×π/4）－（D22×π/4）〕×P=〔（222×3.14/4）-（162×3.14/4）〕×0.8 MPa≈1432kg。

式中：D1-中活塞大直徑

D2-中活塞小直徑

P-低壓氣壓力

從拔出風閘活塞工藝過程可以看到，拔出中活塞，下活塞的力大于風閘復位的力。

3.2 從分解風閘的部件分析

風閘部件檢查，缸體內壁嚴重銹蝕，破壞了缸體內壁光潔度，大大增加粗糙度，活塞在缸體內壁的運動受到了阻力。由于缸體內壁銹蝕程度不同，粗糙度也不同，缸體內壁坑洼深淺程度不同，摩擦力有大有小，活塞隨著摩擦力大小不同出現傾斜運動，造成缸體內壁與活塞蹩卡，在壓力下損傷缸體內壁，破壞O型密封圈。

3.3 從風閘頂轉子實驗分析

高壓油泵頂轉子實驗，高壓油泵壓力在5MPa時，9、16、17號風閘活塞不動，高壓油泵壓力升到6MPa，三個風閘的活塞才逐個升起，每個風閘蹩卡的頂力=頂起壓力×單個活塞截面積=60×（222×3.14）/4≈24t。高壓油泵壓力升到9MPa，頂起轉子高度3 mm，24個風閘的頂力=風閘數量×頂起壓力×單個活塞截面積=24×90×（222×3.14）/4≈821t。高壓油泵壓力升到11MPa，頂起轉子高度還是3mm，24個風閘的頂力=24×110×（222×3.14）/4≈1003t。按機組轉動部分總重量685.84t，24個風閘頂力多出135～317t重量。

風閘結構不合理，不是造成嚴重蹩卡現象的主要原因。風閘部件嚴重銹蝕，破壞了風閘缸體與活塞配合間隙，損壞部件，是造成嚴重蹩卡的主要原因。嚴重的銹蝕，是由風閘氣管里的氣水進入風閘長期浸泡，腐蝕部件造成的。

4 風閘蹩卡故障解決方法

2011年11月根據現場位置考察實際空間大小尺寸，并設計自制兩個符合要求的立式氣水分離器電子排水裝置。

（1）自制裝置結構：由自制的氣水分離器和購置的JDV-16B系列數字式電子排水閥組成。

氣水分離器由罐體和兩個氣水分離器板組成，分離器板裝在罐體內傾斜45°角，分上下兩層方向相反搭接，氣水分離器板底部有進氣孔，周圍與罐體焊接，氣水分離器罐體下端成錐形，有排水管與電子排水閥連接，上端、中間有進排氣管見圖3。

圖3 氣水分離器電子排水裝置

JDV-16B數字式電子排水閥，是創新的數字式定時器，實現壓縮空氣系統冷凝水的定時自動排放。間隔時間(OFF)0.5～99min,排放時間(ON)0.5～99s。電源電壓:110～230VAC/DC50/60Hz,電流消耗最大4mA。環境溫度-20℃～+60℃。進/出接口1/2吋,流量孔徑4mm。

（2）連接方式：2個立式氣水分離器和2個電子排水裝置，分別安裝在2號和3號風閘之間，下擋風板下的加閘和復位垂直氣管上。加閘氣水分離器的中間進排氣管與風閘控制柜加閘進排氣管路連接，上端進排氣管與風閘加閘進排氣環形管路連接。復位氣水分離器的中間進排氣管與風閘控制柜復位進排氣管路連接，上端進排氣管與風閘復位進排氣環形管路連接見圖4。

圖4 氣水分離器電子排水裝置管路連接示意圖

（3）運行過程：風閘控制柜進行操作風閘加閘或復位運行時，氣管里的氣水通過氣水分離器中間進排氣管，進入氣水分離器下腔，進行氣水分離，分離過后的氣，從下層氣水分離器板底部進氣孔，進入氣水分離器中腔，進行氣水分離，分離過后的氣，再從上層氣水分離器板底部進氣孔，進入氣水分離器上腔，進行氣水分離，分離過后的氣，通過氣水分離器上端進排氣管，將氣輸送到風閘加閘或復位環形管路。氣水分離器上腔、中腔、下腔分離的水，順著傾斜45°角的氣水分離板流入氣水分離器罐體下端，通過排水管經電子排水閥定時自動排放，排放時間（ON）10s，間隔時間（OFF）90min見圖3、圖4。

5 結語

風閘氣管路里含有水，是由于各方面的因素。通過設計自制的氣水分離器電子排水裝置，安裝在位置比較合適的風閘管路上，經過風閘控制柜操作，反復幾次加閘或復位實驗后，每次都能從電子排水閥排出水。2012年3月檢修9號風閘，風閘缸體內沒有發現有水，說明氣水分離器電子排水裝置起到了作用。本文的改造方法對于其他電站風閘出現的類似問題，可以作為參考。

[1]潘家口水力發電廠.機械檢修規程[Z].