水電機組誤起動原因分析及對策

康振國

(安康水力發電廠，陜西安康725000)

水電機組誤起動原因分析及對策

康振國

(安康水力發電廠，陜西安康725000)

一些水輪發電機組推力軸承更換氟塑料瓦后，會發生機組誤啟動現象。從導葉漏水量大和推力軸承摩擦阻力減小兩方面分析了機組誤啟動的原因，并推導出機組慢轉穩定轉速的計算公式。以安康水電廠為例，提出了減少導葉漏水量和增加推力軸承摩擦阻力的措施，以解決機組誤啟動問題。

誤啟動；導葉漏水量；摩擦系數；水輪發電機組

0 概 述

安康水電廠從1994年開始，陸續將4臺200 MW水輪發電機組推力軸承瓦由烏金瓦更換成彈性金屬塑料瓦，由于塑料瓦的摩擦系數遠比烏金瓦低，在庫水位較高時，4臺機組都發生了停機后又自行慢轉起來的現象，即機組誤起動。機組在低速下運轉，推力軸承和導軸承潤滑條件不良，長時間運行有燒損推力軸瓦的危險，因此，機組不得不采用加閘備用的方式防止其誤起動。加閘備用方式，降低了機組事故備用的速動性，若遇到風閘發卡不能下落，將大大地延誤機組開機并網的時間，失去了水電機組可迅速開機的優越性。

1 原因分析

引起機組誤起動的原因主要有兩個方面，一方面是阻力矩減小，主要是推力瓦面摩擦系數變小； 一方面是水動力大，即導水葉漏水量大。

1.1 導葉漏水量大

導葉漏水包括立面間隙漏水和端面間隙漏水兩種。

1.1.1 導葉立面間隙漏水

1.1.1.1 漏水原因

(1)導葉未全關到位。機組自動停機時若導葉不能全關到位(接力器關閉行程不夠)，將使導水葉存在部分間隙，產生一定的漏水量。

(2)運行中導葉立面間隙發生變化。若導葉立面間隙調整好后連桿背帽未鎖緊，在機組運行中由于振動等原因，可能產生連桿背帽松動現象，這樣，連桿就容易發生轉動，而使導葉立面間隙發生變化。

(3)導葉立面間隙無法調整合格。導水機構制造和安裝時存在先天性缺陷，如導葉上、中、下軸頸不同軸度大；導葉密封面與導葉軸線不平行度大；導葉上、中、下軸套不同心；導葉軸線與頂蓋、底環不垂直等[1]。上述缺陷均可造成相鄰兩導葉密封面不平行，調整立面間隙時，立面密封面只有少部分長度接觸，大部分長度存在楔形間隙。

(4)導葉軸頸與軸套間隙過大。若導葉軸套加工尺寸不當或導葉軸套經長期運行磨損均可造成軸頸與軸套配合尺寸增大，當導葉軸套和軸頸間隙過大時，導葉軸心就會有一定的位移，即使各導葉軸心在某一位置時立面間隙已調整合格，但蝸殼充水后受水壓的作用導葉軸心發生位移，使原已調好的立面間隙遭到破壞。

(5)接力器壓緊行程過小。接力器壓緊行程過小時，不能使導葉立面密封面緊密接觸，從而產生間隙。

1.1.1.2 漏水量計算

導葉立面間隙處漏水量計算可按孔口淹沒出流考慮，其計算公式為

(1)

式中，Q為漏水流量，m3/s；μ為流量系數；g為重力加速度，m/s2；H為水頭，m；S為水流出口面積，m2。

導葉立面間隙處漏水出口面積為

(2)

式中，i為立面密封面序號；δcpi為第i個導葉立面密封處間隙平均值，m；li為第i個導葉立面密封處有間隙的長度，m。

將式(2)代入式(1)得導葉立面間隙處漏水量為

(3)

導葉立面間隙處漏水產生的功率為

(4)

式中，η為水輪機效率。

1.1.2 導葉端面間隙漏水

1.1.2.1 漏水原因

(1)導葉端面上、下總問隙和超過設計值。安康水電廠導葉端面密封為橡膠條密封，其凸出高度為lmm，產生磨損后其值將減小，若上、下端面間隙過大，密封條就不能有效封水，從而產生漏水。

(2)導葉端面間隙分配不合理。若導葉上、下端面間隙調整不合理，或雖調整合理，但運行中又發生變化，都會導致一端間隙大，另一端間隙小的結果，使導葉端面間隙漏水量增加。

(3)密封橡膠條制造質量不良。如密封條材質不好，就容易受剪切或擠壓作用而撕裂；若密封條形狀不符合設計要求，可能造成密封條壓緊后凸出高度不夠，兩者產生的后果都是密封條封水作用減弱。

1.1.2.2 漏水量計算

導葉端面間隙漏水流量計算也可按孔口淹沒出流對待，其計算公式同式(1)。

導葉端面間隙處漏水口面積為

(5)

式中，△j為第j個導葉上、下端面間隙之和，m；L為兩個相鄰導葉軸心間的弧長，m。

L=(πDo-24d)/24=πD0/24-d=0.13D0-d

式中，Do為導葉分布圓直徑，m；d為導葉軸頸直徑，m。則

(6)

導葉端面間隙處漏水產生的功率為

(7)

導葉立、端面間隙漏水產生的總功率為

(8)

1.2 推力軸承阻力矩減小

在使用烏金推力瓦時，由于啟動摩擦系數和啟動力矩較大，機組在停機狀態下一般不會發生誤啟動。安康水電廠在未更換彈性金屬氟塑料推力瓦之前，只有個別機組偶爾發生過誤啟動現象。更換氟塑料推力瓦后4臺機均出現了機組誤啟動，在高水頭時，停機后只要風閘一撤就發生機組誤啟動，而水頭低時此現象消失。其主要原因是彈性金屬氟塑料瓦摩擦系數小，無潤滑時塑料瓦與鋼摩擦系數為0.04～0.O9，而烏金瓦與鋼干摩擦系數為0.15～0.20，塑料瓦的干摩擦系數約為鎢金瓦的1/3～1/2，據某大型水電站3號機推力軸承的測試結果，塑料瓦的啟動摩擦系數約為烏金瓦的1/2。

在機組起動時的阻力矩中，推力軸承的阻力矩占主要部分，而推力軸承的阻力矩和起動摩擦系數成正比，推力瓦的起動摩擦系數越小，機組起動時的阻力矩就越小，當機組漏水產生的動力矩大于起動阻力矩時，機組就會自行轉動起來。在漏水的動力矩一定的情況下，裝氟塑料推力瓦的機組比裝烏金推力瓦的機組更易產生誤起動。

1.3 機組誤啟動慢轉轉速計算公式推導

機組處于靜止狀態時，導水機構漏水的作用要使機組轉動，就必須克服機組的摩擦阻力矩，其必要條件是

Md>Mz

(9)

式中，Md為漏水產生的主軸動力矩；Mz為機組阻力矩。

機組慢轉轉速穩定時，其主軸動力矩Md與軸功率的關系為

Md=9552N/n[3]

(10)

式中，N為導葉立、端面間隙漏水產生的機組軸功率；n為機組實時轉速。

若不計導軸承等處的阻力矩，則機組阻力矩Mz可用下式表示

Mz=fGD/2

(11)

式中，f為推力瓦與鏡板的摩擦系數；G為水輪發電機組轉動部分質量；D為發電機推力軸承瓦分布圓直徑。

要維持機組在穩定轉速下轉動，需使機組動力矩等于摩擦阻力矩，即Md=Mz。

將式(10)、(11)代入式(9)得：n=19104N/fGD。

則由于導葉漏水作用而使機組慢轉的穩定轉速

(12)

可以看出，誤啟動慢轉轉速的大小與導葉立、 端面間隙總和的大小成正比，與水頭的3/2次方成正比，與推力軸承摩擦系數、機組轉動部分質量、推力軸承瓦分布圓直徑成反比。

2 安康水電廠導葉漏水量和機組誤啟動慢轉轉速計算實例

2.1 導葉漏水量計算實例

安康水電廠1號機實測導水葉立、端面間隙如表1。

導葉漏水量等于導葉立、端面間隙漏水量之和。即

=31.66(0.0278+0.0121)=1.26 m3

(13)式中，H取值76 m；li取值1.375 m；D0為6.4 m；d為0.23 m；δcpi、△j數據取自表1。計算結果與用容積法測得的導葉漏水量1.45 m3比較接近。

2.2 機組慢轉轉速計算實例

利用公式(12)計算機組實時轉速

(14)

n=830 068.8×0.82×0.6×763/2(0.0278+0.0121)/0.04×8 348 310×2.745=11.78 rad/min

實際測得機組慢轉轉速為8.9%×107.1=9.53 rad/min，與上面計算值較接近。

3 防止機組誤起動的措施

在以上分析的各種可能原因中，安康水電廠存在下列幾個方面的問題：①由于制造、安裝等原因，導葉立面間隙無法調整合格，存在楔形間隙；②導葉立面間隙運行中發生變化；③導葉端面上、 下總間隙和超過設計值；④導葉端面密封條質量不良；⑤推力軸承阻力矩小。

3.1 解決導葉立面楔形間隙和防止立面間隙變化的措施

要消除導葉立面間隙存在楔形間隙，主要應從以下幾個方面入手。

3.1.1 提高導葉軸頸同心度

對導葉上、中、下軸頸不同軸度大的導葉，將3個軸頸車削6～8 mm，熱套不銹鋼套后加工至原尺寸，加工時嚴格控制尺寸偏差和形位偏差，使導葉軸頸同軸度符合要求。

3.1.2 糾正導葉進出水密封面與導葉軸線的平行度

在龍門刨床上將導葉大、小頭密封面刨削3 mm左右，補焊不銹鋼層，用專用墊塊按加工后的導葉軸線找正，刨削導葉大、小頭密封面，以保證導葉密封面與導葉軸線的平行度。

3.1.3 保證導葉軸孔的同心度及導葉軸線的垂直度

將導葉吊出，預裝頂蓋，用掛鋼琴線的方法測量導葉上、中、下軸孔的同心度和軸線的垂直度。可用旋轉頂蓋的方法糾正大多數孔的孔心偏差，剩余部分軸孔不同心度采用加工偏心軸套的方法加以糾正。

3.1.4 將導葉立面密封由硬密封改為彈性密封

導葉立面密封采用剛性密封時，由于制造、 安裝等原因無法將所有立面間隙都調整到零，而采用彈性密封時，由于密封條可以壓縮，很容易把立面間隙均調整到零，從有些水電站的運行情況看，采用彈性密封的導葉在機組大小修時往往不需要調整導葉立面間隙或僅需少量調整[4]。

導葉立面采用彈性密封，就是在導葉大頭密封面加工出一條矩形槽，將改性聚氨酯密封條放人槽中，密封條斷面形狀為“T”形，用壓板將密封條壓緊，該壓板與原密封面平齊，而密封條則凸出原密封面1.5～2 mm。這樣，導葉關閉時，導葉小頭密封面就能與聚氨酯密封條緊密接觸。

為防止立面間隙發生變化，應將連桿兩側的背幅打緊，必要時可與又頭點焊。

3.2 解決導葉端面間隙過大和端面密封條質量問題的措施

若導葉上、下端面間隙和過大，可在導葉的端面堆焊一層不銹鋼，也可沿導葉葉型周邊堆焊一圈不銹鋼，然后將補焊的不銹鋼層切削平整，導葉上、下端面間隙和控制在0.65～0.8 mm之間。這樣處理后可較大幅度地減少導葉端面間隙漏水量。

另外，應選用質量好的橡膠密封條，對橡膠條的材質、斷面形狀、幾何尺寸嚴格把關，不合格的不得使用。

3.3 增加推力軸承阻力矩

安康水電廠推力軸承瓦已由烏金瓦更換成塑料瓦，因塑料瓦有許多優點，不可能為了增加阻力矩而返回到原來的烏金瓦。機組誤起動大部分是在推力瓦有油潤滑的情況下發生的，因此，應從潤滑油方面采取措施，以增大起動阻力矩。機組誤起動最容易發生在剛停機的一段時間內，這是因為剛停機時油膜厚度較大，同時油溫較高，油的粘度較小，因而起動摩擦系數也就小。若待推力軸承潤滑油冷卻后再撤除風閘，就可以減少機組誤啟動的幾率，這就需要大大延長加閘時間。為了減少加閘備用時間，停機后可讓推力外循環冷卻系統繼續工作一段時間，使潤滑油迅速冷卻，以增加油的粘度和起動摩擦系數。

4 結 語

(1)推力軸承瓦由烏金瓦更換為彈性金屬氟塑料瓦，給機組的運行和檢修帶來許多益處，但同時也產生了負面影響，即機組誤起動。解決機組誤起動的問題應主要從減少導葉立、 端面間隙入手。

(2)導葉立面采用彈性密封是減少導葉立面間隙簡便而有效的手段。

(3)導葉端面間隙漏水不可忽視，有時可能成為漏水的主要通道。解決導葉端面間隙漏水的方法主要是減少上、 下端面總間隙及合理分配上、 下端間隙。

(4)上述減少導水葉漏水量的措施大部分需在機組擴大性大修中進行，不經擴大性大修還沒有有效的處理方法。有的單位正在研制在蝸殼內給導葉開槽的機具，如能投人使用，不需擴大性大修也可將導葉立面密封改成彈性密封，為不經擴大性大修解決機組誤起動問題帶來了希望。

[1]熊朝明， 張洪. 水輪機導水機構漏水量影響原因分析及處理[J]. 中國水能及電氣化， 2009(4)： 38-40．

[2]劉忠潮. 水力學[M]. 上海： 人民教育出版社， 1981．

[3]胡乾善. 理論力學[M]. 上海： 人民教育出版社， 1980．

[4]張俊才. 龍羊峽2號機導水葉漏水量分析及密封結構改造[J]. 青海水力發電， 1997(3)： 24-26．

(責任編輯 高 瑜)

Analysis and Treatment for Improper Starting of Hydro-generator Unit

KANG Zhenguo

(Ankang Hydropower Plant, Ankang 725000, Shaanxi, China)

Some hydro-generator unit will happen the improper starting after replacing the pads of thrust bearing with fluorine plastic pads. The reasons of improper starting are analyzed from two aspects of the increase of guide vane leakage and the decrease of coefficient of friction of thrust bearing, and the calculation formula of rotating speed under slow rotating condition is deduced. Taking Ankang Hydropower Plant as study case, the measures for reducing guide vane leakage and increasing coefficient of friction of thrust bearing are proposed. The application of these measures has eliminated the improper starting of units．

improper starting; guide vane leakage; coefficient of friction; hydro-generator unit

2016-05-26

康振國(1961—)，男，河北易縣人，高級工程師，主要從事水輪發電機組檢修工作．

TM312

A

0559-9342(2016)11-0076-04