一起燈泡貫流式機組水輪機轉輪安放角出錯的原因分析及改進措施

陸承友

（福建華電高砂水電有限公司，福建 三明 365050）

1 概 述

該水電站位于閩江主要支流沙溪上，壩址集水面積為113 29 km2，總庫容為0.4×108m3，水庫正常蓄水位是103.00 m。電站共安裝了4臺12.5 MW的燈泡貫流式機組，總裝機容量是50 MW。1號機組于1995年7月投產發電，水輪機型號為GZ990-WJ-4200。2013年11月4日開始增效擴容改造1號機組，改造后的水輪機型號為GZ850-WJ-4200。2015年4月25日，1號機組全面完成安裝和各項調試工作，具備開機條件。安裝單位根據設備制造廠提供的技術資料，在開機前設置1號機轉輪葉片啟動角為0°（轉輪葉片轉角范圍為-18°～+16°）。

2015年4月26日，安裝單位組織開展1號機組改造后的首次啟動試驗。1號機組以電手動方式開機，導葉由調速器電手動打開至大約9%開度，轉輪葉片根據協聯曲線從初始設置的0°角（對應52.94%的轉輪葉片開度，下同）開始往回關。隨著轉輪葉片的持續回關，機組由開機時的緩慢正向轉動狀態逐漸停止并出現緩慢反轉現象，運行操作人員立即關閉導葉停機。導葉全關后，轉輪葉片關了大約-13.6°（對應約40%的葉片開度范圍），自動協聯打開至初始0°角，機組停機[1]。

2 原因分析

針對上述現象，安裝單位立即停止1號機組啟動試驗，并與在場的生產廠家的技術人員溝通，要求生產廠家聯系設計人員分析問題、查找原因，并于26日15時35分按照生產廠家現場技術人員的要求開展以下試驗，排查原因。

首先，應廠家技術人員要求，1號機組采用定槳方式，以電手動方式開機。將轉輪葉片固定在0°，導葉電手動打開約9%開度，機組正向轉動。雖然轉速上升與其他機組相比明顯偏慢，但可以達到額定轉速（125 rev/min）。將導葉切換至自動運行后，調速器跟蹤系統頻率自動調節導葉開度，此時導葉調節非常頻繁，機組運行工況不穩定。手動將轉輪葉片開度由52.94%逐漸關到約40%，導葉跟蹤系統頻率自動調節，導葉開度由原來的約9%自動關到約6%開度。機組工況較9%開度時有所好轉，但導葉自動調節依舊頻繁。在機組轉輪葉片為0°時，關導葉停機，機組轉速下降很慢，停機過程偏長。

其次，應廠家技術人員要求，將轉輪葉片定槳在全關狀態（-18°角），電手動操作導葉開機，導葉開度約為9%時，機組振動明顯，但機組仍未轉動，現場人員立即關導葉停機。

最后，經廠家技術人員許可，26日下午通過將轉輪葉片定槳在0°角的方式，完成了機組瓦溫考驗、機組殘壓測量、機組相序核對、發電機零起升壓、調速器空載擾動和調速器擺動等相關試驗。27日上午仍以轉輪定槳在0°角的方式，繼續完成假并網、模擬機組140%、過速保護動作等試驗項目。

業主單位要求生產廠家聯系水輪機設計人員認真核查，基本確認1號機組在改造后的啟動試驗過程中出現機組運行工況與設計協聯工況相差甚遠、機組開機空轉穩定性差等問題，是由于設計人員失誤，導致轉輪葉片安放角與模型偏差21°。因此，通過更換轉輪葉片轉臂的處理方案，可將1號機轉輪的葉片安放角度恢復到正確位置。

3 搶修方案和措施

業主單位、安裝單位和生產廠家就搶修方案進行商討，核對了1號機組轉輪設計圖紙，分析了1號機組首次啟動試驗現象，基本確認1號機組轉輪葉片的安放角在設計時出錯。同時，要求生產廠家立即安排技術和設計人員到現場測量、復核轉輪葉片操作范圍、操作角度等關鍵數據，進一步明確葉片安放角出錯的具體數值，并分析了以下兩種搶修方案。

3.1 方案1

由生產廠家制定1號機組定漿運行方案，結合現場實際優化后，將1號機組在主汛期定漿運行，待沙溪流域主汛期（5月～7月）過后，再開展1號機組轉輪轉臂更換工作。

以1號機組定漿運行帶6 MW負荷，按近5年5月～7月機組平均運行時間計算，5月～7月1號機組可發電量約508.29×104kW·h，按0.381元/kW·h的電價計算，總電費收入約193.66萬元。但是，1號機組改造后尚未開展穩定性和甩負荷等試驗，運行人員不熟悉1號機組的運行特性，不容易掌控1號機組定漿運行時的具體情況，且定漿運行時機組工況可調范圍較小，機組穩定性較差，特別是在出現機組事故跳閘或系統甩負荷等非正常運行情況時，將會有較大的安全隱患。

3.2 方案2

1號機組立即開展轉輪拆卸和更換新轉輪葉片轉臂的工作。完成該項工作需要約45天，以近5年5月～6月機組平均運行時間計算，完成該項工作后1號機組將損失電量約531.4×104kW·h，按0.381元/kW·h的電價計算，總電費損失約202.46萬元。

3.3 方案選擇及搶修方案實施

認真比較以上兩種方案后，認為采用方案2更切合實際情況，因此全面分析了采用方案2更換新轉臂后可能出現的問題，同時確定了1號機搶修方案、時間進度安排和有關技術要求，分析了施工過程可能出現的問題，并制定了防范和應對措施。轉臂制作期間做好轉輪安裝的各項工作準備，設備到場后要在保證安全和質量的前提下，集中精力，科學合理地完成搶修工作，盡量縮短施工工期，減少發電損失。此外，要求生產廠家公司立即設計、加工制作新的轉輪葉片轉臂，并在5月21日前將所有部件返運到電站交付安裝。安裝單位應在5月11日前將轉輪葉片、樞軸、舊轉臂等相關部件返廠處理，并按照搶修要求抓緊開展1號機組安裝調試工作，確保6月15日前全面完成搶修工作[2]。具體搶修方案如下。

3.3.1 搶修作業范圍和主要工器具

搶修對象主要包括伸縮節、轉輪室、轉輪、主軸密封、受油器和操作油管，所需主要工器具如表1所示。

表1 搶修主要工器具清單表

表2 GS-31-069轉臂廠家制作進度計劃表

3.3.2 技術方案

（1）前期準備工作

第一，辦理1號水輪機機轉輪葉片轉臂更換工作的工作票，辦理搭設轉輪進人孔腳手架的工作票，開啟轉輪室進人孔，在導水機構處導流錐下部搭設工作平臺。

第二，測量葉片和轉輪室之間的數據并記錄，在水導上游側大軸上部架設30 T螺旋千斤頂并受力，使主軸緊靠水導軸承下部，以防轉輪吊出時主軸水導側翹起，并確保30 T螺旋千斤頂固定牢固。

第三，生產廠家負責完成轉臂制作加工、轉輪葉片初始角定位。

GS-31-069轉臂廠家制作進度計劃如表2所示。

（2）GS-31-069轉臂加工工藝

GS-31-069轉臂加工工藝步驟具體描述如下：木模及檢查；鑄造；清鏟、割澆冒口；熱處理、退火；打磨，清除表面不平和氧化皮；劃線，除所有孔外的加工線；粗車，車外圓Ф665 0+1/Ф660，內孔Ф320～Ф310，法蘭厚95～100及右端38端面；打磨，打磨非加工面及處理鑄造缺陷；探傷，作UT和MT檢測，標準；熱處理、調質、材質性能檢測；精車，Ф660、Ф320、法蘭厚95及其他尺寸至要求；劃線，所有孔線 8-M64×4-6H 2-M10、2-Ф70H7銷 孔 35° +35°斜 面、4-M20、2-M16、Ф100H70+0.035； 初 鏜 銷孔，Ф100 0+0.035～ 尺 寸 Ф95、2-Ф700+0.03～Ф60、 寬 84叉 口； 鉆 2-M10-Ф8.5；2-M16-Ф14；4-M20-Ф17.5；精鏜，數控鏜銑加工，Ф100+0.035、8-M64×4-6H；精鏜，與原樞軸2-Ф70銷孔同鏜，與樞軸壓緊后，鏜桿分別與樞軸2-Ф70校正后鏜至要求；鉗工，攻絲2-M10、2-M16、4-M；打標記，應與樞軸編號一致；終檢；稱重，按編號記錄。

隨后，按機組啟動試驗相關規定執行試驗，核實后，交付系統運行。

4 搶修情況

1號水輪機轉輪葉片轉臂更換工作正值主汛期，時間緊，任務重，壓力大。為確保安全、優質、高效地完成搶修工作，業主、施工方、生產廠家共同成立了1號水輪機轉輪葉片轉臂更換搶修組織機構，制定了詳細的施工組織和技術方案，編制了搶修網絡進度圖，科學合理地組織員工晝夜輪班搶修。搶修工作于4月29日開始，5月27日16時9分搶修結束后，機組并網進行72 h試運，運行正常。搶修共歷時29天，比預計45天的搶修計劃提前16天完成。5月31日21時59分試運結束，正式交付系統運行。6月1日觀察1號機運行帶負荷情況正常，4臺機組運行工況比較如表3所示。

表3 4臺機組運行工況比較情況表

業主單位后續委托有資質的試驗單位，對改造后的1號機組開展機組穩定性試驗和效率試驗，各項指標滿足設計要求。

5 結 論

該水電站在水輪機改造過程中發生1號水輪機轉輪安放角設計出錯事件，是一起較為典型的設計失誤事件，在主汛期發生返工而造成的損失和影響是顯著的，教訓是深刻的。各水電單位在類似機組改造過程中，一定要從設計開始就注重改造設備的質量，充分發揮技術監督人員的監督作用，確保改造設備在設計、加工制作、出廠驗收、安裝和試驗過程中不出差錯，或發現錯誤時及時改正，確保改造設備一次投運成功。