五強溪保安機組尾水閘門跌落故障分析及處理

杜凱堂

(五凌電力有限公司五強溪水電廠，湖南 長沙 410000))

五強溪保安機組尾水閘門跌落故障分析及處理

Analysis and treatment of tail gate abnormal shutdown for Wuqiangxi security unit

杜凱堂

(五凌電力有限公司五強溪水電廠，湖南 長沙 410000))

通過對五強溪電廠某保安機組的故障分析和對尾水閘門的實際運行情況的分析，指出尾水閘門提升拉桿上的聯接柱銷與裝配孔配合間隙過大是造成故障的主要原因，并提出了快速處理方案、改進措施。

尾水閘門；故障關閉；快速處理方案

2014年4月3日，五強溪水電廠保安機組C級檢修完成后首次開機，在開機過程中發現，機組不能達到額定轉速，部分設備損壞。經過檢查，發現尾水閘門在機組開機過程中跌落至底，將尾水管出水口封堵。這種故障比較罕見，為便于對水電廠類似故障處理，文中對故障分析及處理情況進行總結。

該水輪發電機組單機容量為15 MW，水輪機為混流式，型號為:HLA551－LJ－210〔1〕。發電機為懸式，型號為:SF15－22/4250〔2〕。水輪發電機組的結構與國內一般立式混流式水輪發電機組類同。

水輪發電機組及流道均布置在水庫溢洪道的下方。

1 故障分析及處理過程

1.1 故障發生過程

2014年4月3日，上游水庫水位▽101.41 m，下游尾水位▽54.13 m。當日10時06分，機組C級檢修完成后首次開機，采用手動開機方式。當導葉開度至25%時，發現機組轉速上升較慢，至215 r/min時轉速不能再上升，達不到額定轉速272.7 r/min；同時，機組啟動1 min后，發電機軸上端法蘭處噴水。操作人員立即對機組進行事故停機操作，關閉水輪機導葉，機組正常停機。同時對機組設備進行了外觀檢查，發現發電機軸上端與補氣閥下面之間的大軸短管法蘭處橡膠密封墊被沖出，水輪機補氣閥部分固定螺栓被沖斷，其它設備未發現明顯異常。

1.2 故障分析及檢查

專業人員對故障的原因進行了分析。對發電機軸上端法蘭平板橡膠密封墊可能損壞的原因分析如下:運行工況是下游尾水位為▽54.13 m，發電機軸上端法蘭密封墊處高程為▽58 m，正常情況下密封墊不可能損壞。專業人員有2種不同的看法:第一種觀點是密封墊老化導致故障，理由是:機組已運行10多年，同時機組安裝時整體質量不佳，因此密封墊老化的可能性較大。第二種觀點是巨大的壓力將密封墊沖出導致故障。理由是:發電機軸上端法蘭間的密封墊壓緊力較大，機組正常運行時，水不會到達密封墊處，即使老化，密封墊也不會從法蘭處沖出；同時，在機組的前期運行中，當尾水位超過▽58 m時，曾發生過一次大軸補氣閥往外噴水的事件，密封墊沒有損壞，這次下游尾水位為▽54.13 m，低于▽58 m，更加不具備密封墊損壞的條件，密封墊損壞的原因只能是，有一股巨大的壓力水將密封墊從法蘭間快速沖出，造成密封墊損壞。并認為形成巨大壓力水的原因有:1)調速器調節參數發生變化或手動開機操作方式不當，形成巨大的水擊壓力；2)尾水管流水不暢，蝸殼內的水流到轉輪室后，壓力能沒有轉化為動能〔3〕，使發電機軸上端密封墊處壓力過大。上述2種原因都可能存在。

對于大軸補氣閥基礎螺栓被沖斷的原因，也有機組運行或啟動過程中損壞的可能。

機組開機不能達到額定轉速可能的原因有: 1)機組進水口堵塞使壓力鋼管內的水流量不夠，以前發生過由于機組進水口堵塞，機組負荷帶不上去的情況；2)尾水管內有堵塞物存在，水不能正常流出；3)導水機構故障，機組啟動過程中導葉沒有打開。

針對這3種情況，確定做下列檢查:1)調速器參數檢查；2)導水機構檢查；3)機組進水口檢查；4)機組尾水渠及尾水閘門檢查。以上檢查完成后，未發現設備缺陷。

由于尾水管及尾水渠檢查困難較大，決定先對機組進行啟動試驗，檢查有關運行參數，再次分析尾水渠及尾水管是否存在缺陷。

由于不能排除尾水系統的故障，為保證設備安全，機組再次啟動時，緩慢開啟水輪機導葉，同時密切觀察流道系統的壓力參數。

再次進行機組啟動試驗檢查，當水輪機導葉開度開到20%后，機組轉速較慢，到215 r/min后轉速不再上升，機組運行情況與第一次啟動時相似，但發電機上端補氣管未發現有噴水現象。這次開機重點觀察了機組的相關水壓力參數。導葉開度在20%時，尾水肘管壓力為0.2 MPa，機組正常運行時，這個壓力應該為0。蝸殼末端壓力表顯示為0.2 MPa，與尾水管肘管壓力表相同，上述水壓力數據說明，尾水管或尾水渠發生了堵塞。

潛水員下水檢查后，發現尾水閘門在全關位置，尾水閘門與拉桿脫開，拉桿損壞。

機組正常運行時，尾水閘門是通過一拉桿懸掛在尾水渠內。拉桿與尾水閘門的連接結構如圖1。

圖1 尾水閘門與拉桿聯接圖

為了查出拉桿損壞、尾水閘門下落等原因，對拉桿和尾水閘門又進行了全面檢查。對尾水閘門上部與拉桿聯接處檢查后，發現聯接柱銷懸掛在閘門的吊耳上，尾水閘門上部聯接處無損壞。對拉桿進行檢查，發現拉桿叉頭的一側已斷裂，鎖定聯接柱銷的2塊鎖定板與銷接觸部分已完全磨掉。經查閱相關圖紙，尾水閘門拉桿與聯接柱銷的配合為Ф120H11/C11，設計最大間隙為＋0.620 mm，設計最小間隙為＋0.180 mm。根據設備安裝和檢修中的實際情況，對于基本尺寸為Ф120的聯接柱銷，這種配合間隙較大，聯接柱銷在尾水閘門拉桿的裝配孔中很容易滑動。保安機組正常運行時，尾水閘門浸泡在下游尾水渠中，尾水閘門經常搖晃振蕩，導致尾水閘門與拉桿的聯接柱銷在拉桿的裝配孔中滑動，聯接柱銷與鎖定板產生碰撞、摩擦，久而久之，聯接柱銷失去鎖定，從拉桿的裝配孔中滑出，尾水閘門與拉桿分離。

根據分析得出:在機組啟動中，聯接柱銷完全松脫，尾水閘門突然下落，由于水錘的作用，在機組補氣管內形成巨大的壓力，將發電機軸上端法蘭間的平板橡膠密封墊沖出，并同時將位于發電機軸頂端的補氣閥基礎螺栓沖斷。

1.3 故障處理方案

由于下游尾水位較高，拉桿與尾水閘門的聯接部位位于水下，需要潛水員才能完成聯接操作。為不影響機組盡快并網發電，將制定了一個快速處理方案。對聯接裝置進行了臨時改進，將聯接柱銷的鎖定板改在聯接柱銷上，將1個長條形板用螺栓固定在聯接柱銷的端面上作為臨時鎖定措施 (聯接示意圖如圖2)，尾水閘門提升后，機組一次啟動成功。

圖2 尾水閘門與拉桿臨時聯接圖

2 建議

1)由于五強溪保安機組尾水閘門的運行環境不佳，在機組運行時，尾水閘門浸泡在尾水中，經常處于微振蕩狀況，提升拉桿與尾水閘門的聯接結構必須十分可靠。通過上面的分析，目前聯接柱銷與拉桿的裝配孔間隙太大，應該選擇一個合適的數據。根據安裝經驗，對于Φ120的基本尺寸，配合間隙宜選擇IT8〔5〕，配合間隙0.063 mm，比現在的設計值 (0.180～0.620 mm)，明顯偏小。

2)不論是機組進水口平板閘門還是機組尾水平板閘門，對于類似的結構，應定期檢查聯接柱銷的狀況和鎖錠板的完好情況。有疑問時應及時加固或更換。

3)在水電廠類似平板閘門結構中，不能為了檢修的方便，隨意加大拉桿柱銷裝配的配合間隙。

3 結束語

在水力發電系統中，尾水閘門的異常下落是很罕見的，目前公開的文獻中，沒有見過相關報導。

在水力管道系統中，如果水流速度突然發生改變，會在壓力管道內產生水擊現象。水擊壓力的大小與管道內的水流流量、初始速度、管道長度、水流速度改變的時間密切相關。流量越大、初始速度越高、管道越長產生的水擊壓力越大〔4〕。

2014年4月五強溪保安機組尾水閘門故障異常跌落故障發生在機組C級檢修完成后的首次開機，管道系統的流量不大，流速不快，產生的水擊壓力相對較小。但仍使發電機軸上端法蘭平板橡膠密封墊被沖出、大軸補氣閥部分固定螺栓被沖斷。如果機組運行在大負荷高水頭工況，水擊力將增大數倍以上，可能會造成水輪機頂蓋損壞。因此機組運行時，尾水閘門的可靠固定非常重要。如果機組進水口工作閘門快速下落，僅僅甩掉機組所帶負荷，發電設備影響不大。而尾水閘門在運行中突然關閉，可能會造成嚴重設備損壞乃至水淹廠房等嚴重后果。因此，為機組運行安全穩定運行，一定要重視尾水閘門提升拉桿聯結結構的設計和運行維護工作。

〔1〕哈爾濱電機有限責任公司.水輪機結構設計說明書〔S〕.1997.

〔2〕哈爾濱電機有限責任公司.發電機設計說明書 〔S〕.1998.

〔3〕劉大凱.水輪機 〔M〕.北京:水利水電出版社，1997.

〔4〕趙振興，何建京.水力學 〔M〕.北京:清華大學出版社，2010.

〔5〕方昆凡.公差與配合實用手冊 〔M〕.北京:機械工業出版社，2012.

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.01.011

TK730.8

B

1008-0198(2015)01-0042-03

杜凱堂 (1962)，男，高級工程師。長期從事水電廠機電設備維護及技術管理工作。

2014-09-10