水輪機調速器低頻振動故障分析與處理

周 伍，董文婷

(長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

葛洲壩電站12號機組屬大型軸流轉槳式水輪發電機組，單機容量150 MW，設計水頭18.6 m，額定轉速62.5 rpm。調速器為能事達公司WBST-150-4.0型微機步進電機式導輪葉雙調節調速器(見圖1)，采用步進電機+主配壓閥的結構形式，主配直徑150 mm，系統額定油壓4.0 MPa，是帶機械位移反饋的二級調速系統，其導葉、輪葉機械位置信號均采用鋼絲繩反饋，通過杠桿作用在引導閥上實現機械自復中功能。

圖1 調速器輪葉側結構示意圖

1 故障現象

葛洲壩電站12號機組在年度例行檢修后，進行調速器動作試驗時，發現每次操作輪葉時，輪葉側主配壓閥均出現持續的低頻抽動現象，并引發輪葉側引導閥及杠桿、反饋裝置、調速油管路乃至機頭受油器處均出現3 Hz左右共振，且各部位振動幅度較大，必須通過動作手操機構，在反饋杠桿處施加作用力，方能遏制振動。

2 故障檢查與分析

經過試驗確認，輪葉側出現低頻共振的概率約在70%左右，與操作平穩性有一定關系，在輪葉極限位置更容易引發共振，而導葉側多次試驗未出現此類現象。現場檢查了輪葉反饋鋼絲繩、導向滑輪以及重錘均在正常工作位置，輪葉引導閥、主配壓閥以及杠桿導向桿均能夠靈活動作，未見調速器機械部件存在異常情況[1]。

由于修前無類似缺陷的記錄，而本次檢修工作中更換了調速器輪葉側屈服連桿內的彈簧，增大了彈簧K值以提高調速器響應速度和自復中能力，故初步分析是因為更換屈服彈簧降低了輪葉調速器的緩沖能力，調節過程中產生了液壓沖擊引發共振。基于此分析，調低屈服彈簧預緊力無果后，回裝了原屈服機構組件，但輪葉操作試驗仍出現調速系統共振[2]。

多次試驗過程中，我們注意到，機組機頭罩受油器處共振幅值達2 mm左右，而且偶爾出現的正常無共振操作中，在輪葉調節啟動和停止的瞬間，機頭罩及受油器也有一定程度的振動。經過甄別，在無共振操作中，輪葉操作油管的振動，越靠近受油器處越強烈，靠近主配壓閥側反而幾乎無振動，因而推斷每次操作受油器處產生了異常振動，并且向外部傳導[3]，這是否會是調速器共振的激振源呢？

現場檢查我們發現，雖然輪葉反饋裝置自身工作狀態正常，但有2個反饋鋼絲繩的導向滑輪安裝在受油器外罩上(見圖2)，在每次輪葉操作過程中，受油器外罩振動都會直接帶動導向滑輪振動，從而造成鋼絲繩位置反饋信號發生變化，一旦這種變化超出了整個反饋裝置的死區范圍，就會拉動輪葉引導閥偏離中間位置，啟動一次反方向的輪葉位置調節。而由于每次受油器罩的振動速度極快，其所引發的位置反饋信號變化比較激烈，一旦變化量突破反饋裝置死區，則引發的引導閥回調表現也較激烈，必然造成受油器的再次反向大幅振動，從而形成“受油器→反饋裝置→調速器→受油器”的一個循環，形成低頻共振[4]。

在多次試驗中，這一低頻共振的傳遞路徑分析得到了反復驗證。

圖2 輪葉受油器結構圖

3 故障處理

顯然，根據我們的故障分析，消除調速器低頻振動缺陷的重點在于遏制每次輪葉調節過程中受油器的初始振動。

實際上，我們從圖2輪葉受油器結構圖上可以看出，輪葉操作過程中，受油器必然會受到液壓油沖擊，并產生一定的振動，尤其是輪葉開啟動作時，受油器整體受向上的液壓力沖擊最大。但根據我們多年運行經驗，通過機組調速器的系統設計以及受油器的結構設計，這一沖擊引發的振動幾乎控制在了不可人為感知的范疇內[5]。為什么12號機組在每次輪葉操作中受油器處都產生如此明顯的振動呢？

據觀測，機組上機架在受油器初始振動中穩定性良好，為此，我們檢查了受油器底部與上機架之間的把緊螺栓。發現受油器底部的24個M30螺栓出現了嚴重的松動情況，最大松動量達到約3 mm(見圖3)。

圖3 受油器底部把緊螺栓松動情況圖片

初步緊固受油器底部把緊螺栓后，重新進行輪葉操作試驗，并且重新安裝了新的屈服連桿組件，受油器初始振動控制良好，未再次出現調速系統共振情況，這也直接證明了故障分析和處理的思路是正確的。

為了進一步明確受油器把緊螺栓松動的原因，我們逐個檢查了把緊螺栓，發現大部分尼龍絕緣套的肩部都存在壓損情況，個別甚至已經完全破裂分離，對此我們更換了該部位全部絕緣套，新絕緣套選用了更高強度的環氧材質。

據此我們還排查了其他機組相同部位絕緣套以及把緊螺栓的運行情況，發現該部位絕緣套主要采用了尼龍和環氧兩種材質，其中幾臺采用尼龍材質絕緣套的機組，部分存在類似12號機組的絕緣套壓損、螺栓松動的情況(見圖4)，為此我們安排了擇機統一處理。

圖4 尼龍絕緣套受損情況圖片

4 結 語

葛洲壩電站12號機組受油器把緊螺栓使用的尼龍絕緣套運行時間過長，在受油器長期沖擊振動下加速損壞，恰逢在本次檢修中更換輪葉側屈服連桿后，調速器自復中能力提高、緩沖能力下降，輪葉操作試驗時開始出現低頻共振，更加劇烈地破壞尼龍絕緣套，導致即使恢復原屈服連桿后，調速器輪葉側仍然出現嚴重的低頻共振。通過更換絕緣套、緊固受油器把緊螺栓，順利消除了此項故障。

調速系統對整個水輪發電機組的安全穩定運行至關重要，此次葛洲壩電站12號機組例行檢修中，及時發現并消除了調速器輪葉側低頻共振這一重大故障，有效保障了調速系統乃至整個機組的安全穩定運行。整個過程思路清晰、判斷準確、行動迅速，排除了屈服連桿等干擾信息，找到了“受油器→反饋裝置→調速器→受油器”的共振循環機理，查明了受油器異常振動的原因，并在全站范圍內進行相關設備的普查并安排處理，一定程度上體現了電站的設備管理水平，其中的思路與方法以及發現的問題，值得同類型電站參考、借鑒。