軸流轉槳式水輪機槳葉開度測量技術研究及應用

林家洋

(福建水口發電集團有限公司，福建福州350004)

0 前 言

某電站共安裝7臺目前世界上單機容量最大的軸流轉槳式水輪發電機組，自1993年8月第一臺機組投產至1996年12月7臺機組相繼投產發電。槳葉開度測量作為機組調速器實現協聯運行最重要的條件之一，20多年來，水輪機槳葉系統曾經發生過多次運行中燒瓦、反饋裝置拉斷(如圖1所示)、浮動瓦漏油大等缺陷[1]。據了解，國內外水電站軸流轉槳式水輪機槳葉反饋裝置均采用接觸式結構，由于結構復雜，機組運行過程中既有旋轉運動，也有軸向移動，槳葉開度位置測量必須將旋轉運動部分通過一套軸承過渡裝置轉換為只有軸向位移的單一運動。但是由于其運行中要求同心度、垂直度以及水平度相當高，旋轉部件運行過程中必然存在機械磨損，一旦位置偏差超過允許范圍，反饋軸蹩勁發卡，滑軸與滑套配合不同心被拉斷，必須立即組織搶修，整組更換滑軸、滾動軸承和滑套，導致較大損失，該問題成為困擾軸流轉槳式機組安全穩定運行的一大隱患。

圖1 接觸式開度反饋結構折斷

1 接觸式槳葉開度反饋裝置失效原因

接觸式槳葉開度反饋裝置失效的主要原因有以下4方面：

(1)結構方面。圖2所示受油器反饋結構由上操作油管、外罩、過渡軸、軸承裝配、滑軸、滑套以及位移傳感器構成。上操作油管隨機組同步旋轉，為了實時反映機組槳葉位置狀態，通過過渡軸及軸承裝配實現將旋轉運動轉換為軸向移動，從而將槳葉角度位置機械信號轉換為電氣信號輸出，為機組導葉、槳葉通過調速器協聯關系進行運行狀態調節。但是由于反饋裝置整體處于機組最頂部，轉換環節中有多處聯接及配合，軸承、滑軸、滑套必然存在磨損問題，運行中這些部件存在晃動不穩定狀態，為設備正常運行埋下隱患[2]。

圖2 受油器原反饋結構示意

(2)安裝及檢修工藝方面。反饋裝置安裝及檢修要求高，必須嚴格控制反饋軸水平度在0.05 mm/m以內，上操作油管與固定部件中心偏差必須小于0.50 mm，同時，操作油管凈全擺度值必須在0.20 mm 以內。由于安裝或檢修時，操作油管屬于細長桿，由上、中、下三段組成，共有4個分段連接處，其同心度很難保證一致，存在一定曲折量；受油器整體底座水平面受結構及加工限制，水平也很難達0.05 mm/m以內，同心度雖然在檢修或安裝時調整合格，但運行一段時間，每次檢修都發現有較大偏差。這3種關鍵技術指標運行后均超過技術要求，因此，在機組運行中上下移動時容易引起發卡、蹩勁以及不靈活等問題，超過一定程度就會導致拉傷、拉斷事故。

(3)運行維護方面。對于滾動軸承、滑軸以及滑套摩擦部件，日常潤滑保養是保證其正常運行的外部因素，潤滑不足造成干摩擦，增加上下移動阻力，運行受阻導致拉斷。此外，滾動軸承運行磨損，隨著時間累積，會引起間隙變大，若沒有及時更換檢修，必將導致軸線傾斜、不同心。

(4)不利工況影響方面。作為調峰調頻機組以及受水電機組季節性影響，機組頻繁開停機、負荷調節，必然加大旋轉部件磨損、使用壽命縮短。

2 非接觸式槳葉開度反饋裝置研制

目前軸流機組或貫流機組槳葉反饋方式基本采用接觸式轉換裝置，這是一種傳統結構。由于上述4個方面的原因，導致接觸式槳葉開度反饋裝置失效。針對產生問題的原因，經過多次分析研討，設計不同方案，反復論證，提出非接觸式槳葉開度測量反饋結構[3]，其基本邏輯框圖如圖3所示。

圖3 非接觸式槳葉開度信號采集及處理邏輯

非接觸式槳葉反饋裝置采用磁致伸縮位移傳感器測量原理[4](如圖4所示)，通過兩個不同磁場相交產生一個應變脈沖信號來準確測量位置。測量元件是一根波導管，波導管內的敏感元件由特殊的磁致伸縮材料制成。測量過程是由傳感器的電子室內產生電流脈沖，該電流脈沖在波導管內傳輸，從而在波導管外產生一個圓周磁場，當該磁場和套在波導管上作為位置變化的活動磁環產生磁場相交時，由于磁致伸縮的作用，波導管內會產生一個應變機械波脈沖信號，這個應變機械波脈沖信號以固定的聲音速度傳輸，并很快被電子室所檢測到。由于這個應變機械波脈沖信號在波導管內的傳輸時間和活動磁環與電子室之間的距離成正比，通過測量時間，就可以高度精確地確定這個距離。由于輸出信號是一個真正的絕對值，而不是比例的或放大處理的信號，所以不存在信號漂移或變值的情況，更無需定期重標。

圖4 槳葉開度測量原理示意

表1 槳葉開度傳感器測量記錄 (°)

3 非接觸式槳葉開度測量反饋裝置的安裝與運行試驗

3.1 安裝及注意事項

非接觸式槳葉開度測量裝置如圖5所示。安裝時，將轉軸聯結在上操作油管上，調整兩者同心度；將磁性環安裝在轉軸上，檢查磁性環與轉軸同心情況，再把反饋桿、位移傳感器安裝在外罩頂部平臺，找準水平及與磁性環的同心度，保證圓周方向間基本均勻。同時，行程刻度板、行程刻度指示線按設計要求裝配到位[5]。最后按接線圖，連接電源線、信號線以及與調速器電氣柜輸入端子。

安裝及初試中，應在接線前檢查供電電源是否滿足+15V DC～+24V DC的要求，并且電源輸出功率必須大于產品總功耗，電纜的屏蔽網線必須保持完好無斷線，并接到后續設備的地端。傳感器的屏蔽電纜線必須避開大功率電源、高壓電纜線、有強電磁輻射的場所、射頻信號源和其他有噪聲的傳輸線等；數字信號輸出方式為4～20 mA電流量。初次通電進行全行程開關試驗，并按槳葉開度范圍進行重新標定，校核機組協調關系吻合性，信號準確無誤。

圖5 非接觸式槳葉開度測量裝置示意示意

3.2 運行試驗

該槳葉開度測量裝置在水輪發電機組上是第一次嘗試，為全面了解和掌握各項性能，本著科學嚴謹的態度，在未裝入機組之前，先對該傳感器按滿量程將零點和滿度調校好，并在試驗室采用外加信號方式，檢查輸入和輸出對應關系，發現線性度好、精度高。同時，將其放在高速運轉的車床上進行更復雜的試驗，外加擾動、振擺動、快速移動等不同工況，反饋信號均非常理想。最后，將整套裝置安裝在水輪發電機槳葉開度反饋軸上，按設計要求進行必要的同平度、同心度以及相應位置調整，安裝牢固，在真機上進行模擬機組各種工況及開度試驗。真機試驗的測量數據如表1所示。多次長時間運行試驗表明，新裝置信號反應靈敏，數據準確度高，重復性好，運行穩定，完全滿足使用要求。

4 結 語

槳葉開度測量新技術在水電站軸流轉槳式機組進行首次嘗試，通過幾年來機組各種工況試驗及實測數據分析，任何工況下槳葉位移開度與電氣輸出信號關系十分吻合，測量數據準確，精度高。該反饋裝置測量技術是一種技術創新，不會受到機組不利工況的影響，完全避免了原反饋裝置可靠性低并常導致機組事故停機的重大隱患。實踐表明新槳葉反饋測量裝置技術先進、結構簡單，安裝方便，維護測試方便，使用壽命長，運行效果良好，創新改進取得圓滿成功，對其他水電站同類機組具有廣泛的借鑒意義。