軸流轉槳式機組修后異常振動原因分析

胡小剛

（重慶大唐國際武隆水電開發有限公司，重慶 408500）

1 概況

水電站位于烏江下游河段，該工程的開發任務是以發電為主，其次為航運。共安裝4臺單機容量161.25 MW的立式軸流轉槳式水輪發電機組，其水輪機型號為：ZZ-LH-860；發電機型號為：SF161.25-72/14100，水輪發電機組于2011年12月12日全部投產發電。水輪機轉輪由轉輪體、葉片、葉片密封裝置、葉片操作系統及泄水錐等組成。其水輪機主要參數：

最高水頭：35.12 m 額定水頭：26.5 m

最低水頭：13 m

額定轉速：83.3 r/min 葉片數量：6

葉片轉角范圍：-11.25°~+14°

3號機組于2019年10月12日至2020年2月28日開展了擴大性B修工作，主要對轉輪內外銅瓦更換、轉輪內各部位密封更換工作，機組各部位軸承解體檢查，導葉軸套更換改造，鑒于機組調速系統機械部分較為穩定未開展機械部分的解體檢修。機組修后由中國大唐集團科學技術研究院有限公司水電科學研究院進行了機組穩定性及效率試驗，通過試驗得出機組安全穩定滿足標準規范的要求。

2 問題的描述

2020年3月1日，機組投入電網運行后由于受油器處管路振動，水車室內有異常聲響，于2020年3月9日10：11退出AGC（自動發電控制）運行。退出AGC調功機組受油器部位、水車室噪聲減小。針對3號機組運行異常噪聲該公司組織對機組進行了相關的試驗。試驗分為變負荷，開機過程（空轉-空載-帶負荷），投退一次調頻及純手動、電手動變負荷試驗，分別在水車室、受油器及調速器主配管路部位進行觀察。在自動變負荷時降負荷過程中水車室聲音很明顯，導葉調整到位后，聲音相比要滯后，同時有一個不明顯的“哐”聲響。受油器部位在連續動葉片過程中，感覺比較平穩。動作葉片時，感覺存在明顯的卡澀、油壓沖擊及振動。在動作瞬間開腔壓力約5.0 MPa，關腔壓力4.4 MPa。在調速器電手動和純手動調整負荷時水車室無明顯異常聲響，受油器部位也正常。

3 問題的分析

3號機組檢修后由水科院進行了穩定性試驗，變轉速、變勵磁、帶負荷正常，說明機組機械、電氣、水力因素是滿足要求的，而投入AGC后受油器管路振動及水車室內有異常聲響，在AGC退出運行在日常巡視檢查中發現，在受油器位移傳感器運動的時候也有輕微的響聲。通過對3號機組狀態檢測數據的采集和分析，在投入AGC的時候頂蓋水平Y向傳感器在某些工況下有突然增大的現象，通過采集投入AGC機組狀態監測數據每天的最大值和平均值發現最大值為平均值的3倍。對數據仔細分析發現，在某些工況下，機組進行調功導葉開度沒變，而葉片的開度僅有1°~2°的變化，然而頂蓋Y向水平有突變偶爾還超標，并且機組在70 MW以穩定工況上也會出現，分析認為是水力因素造成的水車室內的噪聲，而且超標只是在瞬間，這種狀態為突發不穩定態。而退出AGC后，機組狀態監測數據顯示超標現象消失。現象是在ACG調功的時候轉輪水力因素超標，轉輪傳動機構卡澀，死區增大，造成轉輪葉片的速動性跟不上調節協聯。在純手動、電手動的時候，槳葉主配偏離中間位置大，遮程量大，給油大，操作油管到受油器的油流量大壓力大可推動轉輪葉片動作，而投入AGC后調功一般都比較小，遮程小，槳葉主配偏移中間位置較小，操作油管給的油少壓力小推不動轉輪葉片，體現在受油器部位油路阻塞引起管路振動，葉片跟不上協聯引起水壓脈動。而退出AGC后調節沒那么頻繁，所以受油器處的管路振動噪聲減小，在狀態檢測采集的水壓脈動數據也比較穩定。根據GB/T 8564《水輪發電機組安裝技術規范》，5.2.6 e）轉輪接力器動作應平穩，開啟和關閉的最低油壓一般不大于額定工作壓力的15%，該電站調速器系統額定壓力6.3 MPa，則開啟和關閉的最低油壓不大于0.945 MPa。轉輪傳動機構動摩擦有：轉輪活塞密封與活塞缸，活塞桿與上、中、下活塞銅瓦，樞軸與內外銅套，操作架軌道墊板與導向塊，轉輪拐臂與連桿機構，葉片密封摩擦部位（見圖1）。由于轉輪檢修試驗時沒有合適的油泵，開啟和關閉的最低油壓試驗并未嚴格進行。本次檢修進行了內外銅套更換、轉輪內各部位密封更換。需要對轉輪進行仔細排查，3號機組檢修只是對內外銅瓦和密封進行更換，所以排查的重點為動密封，內外銅瓦[1]。根據3號機組檢修時新更換的聚氨酯密封安裝存在密封壓不去，后進行手工打磨處理。槳葉葉片密封為動密封，密封的壓縮率和填充率很關鍵。由于轉輪轉動機構卡澀不靈活，在機組AGC調功時，槳葉主配給油量小：一是造成油路卡阻不暢在受油器處造成管路或浮動瓦、套筒振動；二是槳葉主配來的壓力油推不動活塞動作，葉片速動性跟不上負荷調節引起暫態的水力脈動引起頂蓋及水車室的異常聲響。通過現在懷疑的排查重點是葉片密封，葉片密封壓縮率和填充率過大，葉片卡澀，摩擦力過大，在機組AGC調功時速動性跟不上協聯[2]。

圖1 轉輪裝配圖

4 下一步排查的思路和方法

在機組檢修時，調速器泄壓的同時，分別在4.0 MPa、3.0 MPa、2.0 MPa、1.5 MPa手動操作葉片動作。①輕微點動開關葉片，觀察受油器處的管路振動及聲音；②持續給油開關，觀察受油器的管路振動及聲音。結合1號機組檢修時葉片密封槽測量的尺寸復核反推3號機組葉片密封的壓縮率、填充率，咨詢葉片密封廠家對葉片密封進行評估。葉片密封磨損或許會出現兩個方向：①葉片密封磨損損壞造成轉輪滲油；②槳葉葉片密封磨損磨合配合達標，能滿足AGC調節要求。

針對出現可能出現惡化的現象，筆者提出一些思考。

如果葉片密封壓縮過緊，現在暫且不要投入AGC，如投入AGC調速器的速動性滿足不了電網的要求，影響電網安全運行，長時間投入AGC后水力因素頻繁地不穩定會造成轉輪金屬疲勞，轉輪受水壓脈動引起金屬裂紋，可能會造成空化氣蝕，影響機組效率及長期運行的安全穩定性。該處密封由于壓縮率過大摩擦力大，轉輪接力器相對需要更大的壓力油，會使用壓油泵頻繁啟動，油溫升高，粘度降低，轉輪活塞內泄漏增大，調速器及轉輪內密封老化。葉片密封由于壓縮率過大摩擦力大造成槳葉葉片軸頸和密封摩擦磨損，加速葉片軸頸和葉片密封磨損，使密封壽命減小，有可能造成轉輪常壓腔的透平油滲入江里，造成環保事件。

防范措施。為確保3號機組安全穩定運行，建議：①機組退出AGC調功，減小頻繁調節對密封及設備的劣化影響；②調整修改AGC調控策略[3]，調速器PID參數，優化運行，現調速系統的速動性跟不上，可以理解為機組轉動慣性增大，處理方案將機組的一次調頻增大，調整PID參數以滿足穩定性要求；③做好調速器集油箱、壓力油罐、事故油罐的油量狀態統計對比分析，油量減小時停機排查；④做好調速器壓油泵啟動時間和間隔的統計分析，定期測量壓力油罐、集油箱，管路的溫度及記錄分析；⑤日常點巡檢時做好尾水江面的浮油觀察，如若出現浮油停機檢查。

下一步更換葉片密封方法思路。由于葉片密封為YX型[4]多層V型雙向聚氨酯密封（見圖2），由X型支撐環、V型密封環、墊環（也稱壓環）組成，主要防止轉輪體的透平油外溢出，又能防止外部的水和泥沙進入。密封起主要作用的是V型密封。更換時停機，落進水口、尾水閘門，流道排水，在錐管搭設檢修平臺，開啟蝸殼門，對轉輪常壓腔排油對密封進行更換。處理方法有兩種：①對外側密封墊環進行更換，根據1號機組檢修時測量的葉片部位的溝槽尺寸，對3號機組的葉片密封復核，只對葉片密封外側的墊環更換，滿足葉片密封的壓縮率及填充率；②拆除密封，重新測量溝槽尺寸，設計加工密封，采用粘接的密封圈。優缺點分析：方案一只更換外側的墊環里面的密封為整體整圈的密封整體效果好，但該密封已經用了約1年時間，之前過大的壓縮量摩擦密封有磨損不得而知。如果采用方案二需要重新復核密封溝槽尺寸設計加工安裝需要很長的工期[5]。槳葉密封安裝之前，應確保所有與密封裝配相關的零部件清潔平整，各密封溝槽內雜物清理干凈，檢查溝槽內應平滑，無明顯磨痕，直至符合密封安裝要求。槳葉密封安裝時，并在各密封抹均勻的潤滑脂，應注意防止密封翻邊的情況發生，均勻壓入密封。回裝后試驗，分別在調速器系統壓力1.0 MPa、3.0 MPa、6.3 MPa時手動開關槳葉主配，并觀察槳葉密封。葉片密封裝置均不得漏油，轉輪接力器應動作平穩。

圖2 葉片密封結構

5 結語

針對大型軸流轉槳式機組大修后存在的異常聲響，通過大量的排查分析得出為葉片密封的根本原因，并提出安全運行的防范措施及下一步處理思路和方法，確保設備安全可靠運行。