安康水力發電廠3號機組泄水錐脫落原因分析

周少兵

(安康水力發電廠，陜西 安康 725000)

安康水力發電廠3號機組泄水錐脫落原因分析

周少兵

(安康水力發電廠，陜西 安康 725000)

通過對3號機組水導擺度數值的分析，提出泄水錐脫落是造成機組各部擺度、振動增大的主要原因，并通過機組在線監測系統數據分析，推斷出泄水錐脫落的具體時間，指出泄水錐脫落是由于設計缺陷、安裝質量問題、運行方式不合理、監測手段不完善、檢修人員經驗不足、分析處理問題能力不強等幾方面原因導致的，并提出了針對性的防范措施。

水導擺度；泄水錐；在線監測系統；防范措施

安康水電廠機組為混流式，總裝機容量為4×200 MW+1×5.25 MW，轉輪型號為HL220-LJ-550。1990年12月首臺機組發電，1992年12月全部機組投產發電，主要擔負著系統的調峰、調頻和事故備用任務。

為了掌握機組的實時狀態信息及推行狀態檢修，3號機組于2008年安裝了1臺機組狀態監測系統PSTA2003。狀態監測系統投運后，對機組振動擺度等內容的監測取得了較理想的效果。通過分析狀態監測系統提供的數據，可推斷出3號機組于2012年3月發生了泄水錐脫落故障。

1 泄水錐脫落過程

2011-08-05，運行人員發現3號機組在線穩定性監測系統3號機水導擺度增大：X向547μm， Y向801μm。隨即監視3號機水導瓦溫為43 ℃。因當時機組在汛期滿大負荷運行，所以沒有立即停機檢查，而是注意監視3號機組水導瓦溫不超過規定，水導擺度不超過900μm。2011-11-04，3號機組小修，經調整水導瓦間隙及機組中心軸線后測量水導擺度：X向320μm，Y向340μm。水導擺度與之前相比明顯降低。2012-07-02，又發現3號機水導擺度增大：X向480μm，Y向535μm。2013年3月份，在3號機大修時打開蝸殼及尾水管人孔門檢查，發現3號機泄水錐脫落，至此3號機水導擺度增大的原因才得以弄清。

2 在線監測系統數據分析

2010—2012年導軸承擺度和頂蓋水平振動的變化趨勢如表1所示。

表1 2010—2012年導軸承擺度和頂蓋水平振動的變化趨勢

2.1 數據特征

對表1和水導擺度波形、頻譜和軌跡圖中導軸承擺度變化趨勢，水導擺度的波形、頻譜和軌跡，以及相關的數據進行分析，可以得出以下幾點特征判斷。

(1) 將3號機目前狀態檢測數據與2009年機組大修后150 MW工況下水導擺度(X向200μm，Y向210μm)數據(現場百分表測量)相比較，發現機組水導擺度在相同工況下有增加的趨勢，Y向擺度值已超過標準允許最大值。其他各測點擺度、振動、溫度正常。

(2) 2012-03-02，3號機組帶200 MW負荷時，頂蓋水平振動突然增大許多，同時水導擺度相位、頂蓋水平振動相位發生突變。

(3) 3號機組在空載、開機或停機時，水導擺度、上導擺度明顯增大，而擺度振動的主要成分均為一倍頻，說明存在水力不平衡的情況。

(4) 水導擺度較大且繼續不斷變大，而瓦溫基本不變，可以斷定水導抗重螺栓在松動，軸瓦間隙在不斷變大。

2.2 數據分析結論

(1) 3號機泄水錐脫落的時間應該在2012-03-02開機過程中機組帶滿負荷運行期間，強大的水流將脫落的泄水錐沖入尾水渠內，尾水管里襯并沒有因為沖撞破壞(事后檢查尾水管并沒有損傷)。

(2) 泄水錐脫落后，頂蓋水平振動的一倍頻幅值及其相位發生突變。水導擺度持續增大且其相位突變，相位變化量大于100°。

(3) 機組在開機啟動時，隨著轉速的升高，水導、頂蓋、上導擺度急劇增大。在低負荷運行工況下，機組振動明顯。

(4) 泄水錐與轉輪上冠固定螺栓個別先松動或斷裂，機組存在水力及機械不平衡的因素，是水導擺度一直增大的根本原因。隨著長時間低負荷振動區的運行，最終因水力振動產生交變應力，螺栓發生疲勞破環而全部斷裂，從而導致泄水錐脫落。

3 泄水錐脫落原因分析

3.1 設計缺陷

泄水錐與轉輪上冠之間采用普通螺栓連接，把合孔鉆好后未做進一步處理。這樣，螺栓擰緊后可能存在一定的間隙，從而使螺釘承受附加彎曲應力，由于強度不夠，最終導致螺栓斷裂。

3.2 安裝質量問題

螺栓在擰緊后未采取加裝鎖定、點焊等止退措施，同時轉輪上冠與泄水錐接合面未采用連續焊縫。當水力壓力脈動加劇產生共振時，引起泄水錐固定螺栓松動；螺栓松動后轉輪上冠與泄水錐僅靠它們之間的間斷焊縫連接，且焊縫本身存在局部應力，經過一段時間運行后致使間斷焊縫開裂；在間斷焊縫開裂后泄水錐因水力振動產生交變應力，螺釘發生疲勞破環而斷裂，最終導致泄水錐脫落。

3.3 運行方式不合理

安康水電站機組主要承擔系統調峰、調頻及事故備用任務，機組開、停機頻繁且經常在振動區內運行(1～4號機組振動區負荷為0～100 MW，低水頭情況下為120～150 MW)。在此種運行工況下，由于轉輪出口處的旋轉水流及漩渦脫落和氣蝕等影響，在尾水管內會引起水壓脈動。尤其是在尾水管內出現大渦帶后，渦帶以接近固定的頻率在管內轉動，引起水流低頻壓力脈動，從而引起尾水管壁、轉輪、導水機構、蝸殼的振動，機組水導軸承、頂蓋擺度增大。當其頻率與發電機或電力系統的自振頻率接近時，發生共振，最終導致泄水錐固定螺栓松動、焊口開裂。

3.4 監測手段不完善

安康水電站狀態在線監測系統PSTA2003在泄水錐脫落后，機組水導擺度增大的情況下，沒有發告警信號。

3.5 檢修人員經驗不足，分析處理問題能力不強

運行人員發現3號機組水導擺度增大，卻未做進一步分析處理，只是采用停機調整機組軸線及水導瓦間隙的方法來消除水導擺度的增大，未從根本上解決問題。另外，機組在春季進行過流部件檢查時，運行人員也未及時發現機組泄水錐脫落故障。

4 處理及防范措施

(1) 3號機組更換新的泄水錐，所有固定螺栓內螺紋涂抹天山螺紋鎖固劑防松動。螺母鎖緊后在其后面增加雙螺母鎖錠。

(2) 在泄水錐與上冠內外部結合處連續多層焊接，在每個M42把合螺栓與上冠之間、螺母與螺母之間、螺母與螺桿頭部之間分別電焊牢固。

(3) 改變機組運行方式，盡量避免機組在振動區運行，機組開機或停機操作時，采用“手動”快速加或減負荷，以減少壓力脈動對水機部件的損壞。

(4) 機組在做甩負荷、過速試驗后，或機組事故停機后，應及時檢查水導擺度。

(5) 定期檢查。將泄水錐檢查列為小修項目，每年春、秋季小修時對泄水錐各部螺栓及焊點進行檢查，及時發現缺陷，及時處理。

(6) 完善其他機組的狀態監測系統PSTA2003。將機組狀態監測系統PSTA2003接入計算機監控系統，按照規程規定當機組擺度超過允許值時，系統應作用機組停機。另外，將狀態監測系統列為運行日常巡視、檢查工作項目，以便及時、準確地監測到機組擺度數值。

2013-11-02。

周少兵(1972-)，男，工程師，高級技師，主要從事安康水電廠運行工作。