軸流轉槳式機組功率波動及異常振動分析

時志能，何良超，馮國柱

(1. 湖南五凌電力科技有限公司，湖南 長沙 410004； 2. 大唐水電科學技術研究院有限公司，廣西 南寧 530031)

某水電站由船閘、發電廠房、溢流壩、開關站等組成；廠房內安裝有四臺大型軸流轉槳式機組，單機容量150 MW，水輪機型號ZZA814a，額定水頭Hr=19.5 m，最大水頭Hmax=31.5 m，額定轉速nr=62.5 r/min；調速器型號為YZ-40/2-6.3-GK-1-04，工作油壓6.3 MPa。

當運行毛水頭為24 m時，1號機組負荷在100 MW附近出現±3～5 MW波動，對比同時段其他機組相同負荷的導葉、槳葉開度發現，其導葉開度均偏小5%～8%；經排查近一周的運行記錄，期間運行水頭約為22.0～26.0 m，1號機組在大負荷運行時的導葉開度較其他機組偏小5%～8%、槳葉開度偏小10%～20%，且滿負荷運行時水導擺度、上機架及頂蓋水平振動混頻峰峰值均較平時增大1～2倍。

1 缺陷排查

1.1 測量信號排查

結合機組故障運行的歷史數據，對比1號機組在不同時段、不同水頭、不同負荷條件下導槳葉開度及有功信號發現，調速器、監控系統及機械指針的導葉開度和槳葉開度均變化一致；調速器、勵磁系統、監控系統顯示的機組有功均變化一致，說明導葉和槳葉開度傳感器、機組有功信號反饋正常[1]。

1.2 功率波動排查

當運行毛水頭為24.9 m時，三種初始工況下導葉均置為手動狀態，根據表1對1號機組進行開機增負荷工況下的功率波動排查可知：①當機組初始有功為74.84、148.06 MW時，機組有功隨著槳葉開度的單向增加而增大，槳葉開度達到極大值后再反向降低槳葉開度時，機組有功未發生明顯變化；②在119.58 MW初始工況下，槳葉開度先減少4.67%，機組有功未見明顯降低；當單向調整槳葉開度大于初始工況值時，機組有功呈現單向增加趨勢；當槳葉開度達到極大值42.2%后，單向減少導葉開度，機組有功也單向減小。

表1 不同導、槳葉開度下的機組功率變化

1.3 不同機組的有功對比測試

為進一步驗證1號機組帶負荷運行時導槳葉開度是否存在協聯故障，同步對4號機組開展有功差異對比。根據表2可知：①當1號和4號機組功率相同時，1號機組導葉開度偏小約6%，槳葉開度約偏小18%；②當4號機組與1號機組導葉和槳葉開度相同時，4號機組功率偏低21.5 MW；固定4號機組導葉開度，機組有功隨槳葉開度減小而減低，隨槳葉開度增加而增大；③4號機組在導葉開度為64.68%工況下，機組有功從116.2 MW升至150.9 MW時，槳葉開度增至73.4%，較原協聯工況增加23.3%。

表2 毛水頭22.39 m下不同機組有功及導槳葉開度差異對比

綜上所述，雖然1號機組的導葉和槳葉傳感器、機組有功信號無故障，但在運行過程中，機組槳葉單向增加可使其功率增大，反向減少槳葉開度時其功率幾乎不變；與4號機組在相同導槳葉開度、有功的結果對比分析，1號機組在實際運行過程中，導葉和槳葉協聯關系存在失聯特征[2]。

2 機組穩定性測試

由表3可知，1號機組在毛水頭24.8 m單向增負荷工況下，上導、推力軸承處的擺度均呈現緩慢增長趨勢，水導擺度變化較為平穩；除頂蓋垂直振動緩慢增長外，其余振動測點的峰峰值均變化不大；總體而言，各擺度和振動測點在機組單向增負荷過程中無異常突變現象。

表3 機組振動測試數據對比

機組在升至滿負荷后的減負荷試驗工況下，有功在120 MW以下出現了功率波動及異常振動現象。當負荷從150 MW減至120 MW時，上導和推力軸承處的擺度測點峰峰值、尾水管進口壓力脈動均發生突變，增長趨勢明顯；當機組負荷繼續減少時，上導和推力軸承處的擺度變化相對緩慢，但水導擺度幾乎呈線性增長，其峰峰值增加超過1倍。當負荷減至80 MW時，機組有功波動越發明顯，上機架-X水平振動、推力軸承體-X垂直、頂蓋-X垂直振動比150 MW工況的各對應測點峰峰值增長約2～5倍。

3 故障分析與處理

為實現軸流轉槳式或燈泡貫流式水輪機槳葉與導葉的協聯配合，槳葉一般通過缸動式或操作架式結構，將缸體或操作架的直線運動轉換為槳葉的旋轉運行，由于受槳葉水力矩限制，大型軸流轉槳式機組的槳葉操作機構常采用操作架式結構[3-4]。圖1為1號機組的操作架結構示意圖，活塞桿的上下位移帶動操作架產生直線運動，卡環為兩瓣式結構，僅承受操作架的軸向受力，限位套由8顆螺栓緊固，從而達到將卡環與操作架聯成一體的目的。

圖1 操作架結構示意圖

根據1號機組功率及導槳葉的排查結果，槳葉關閉方向異常是引發導葉和槳葉協聯關系破壞、機組功率波動、水力條件惡化及異常振動的直接原因。結合轉輪操作架的結構分析[5-6]，由于在開機增負荷過程中機組運行穩定狀況良好，未出現異常振動和功率波動現象，排除轉輪槳葉某個或某幾個耳柄松動的可能性。結合對機組導葉和槳葉的電氣反饋、機械反饋的排查結果，卡環與限位套存在松動或部分破裂脫落，可能是造成機組槳葉反饋與實際開度不一致、功率波動和異常振動的根本所在。

因1號機組故障發生在汛期來臨之前，經多方討論，電廠在機組流道排空的情況下，通過在泄水錐局部開孔并用針式攝像頭對卡環位置的狀況進行取證，結果顯示卡環的一瓣已經脫落、限位套損壞、活塞桿靠近卡環側已部分磨損。考慮到故障的嚴重性及發電需求，必須將轉輪在安裝間進行解體后才能修復，且由于電廠缺少活塞桿及操作架備件，部件需返廠加工，修復時間長。經主機廠進一步復核，將轉輪葉片與輪轂體通過鋼板焊接的方式將槳葉固定于70%開度，機組采用定槳運行模式，待枯水期再進行大修，盡可能減少主汛期的電量損失。槳葉固定焊接后，機組經穩定性測試后能夠滿足運行要求。

4 結 語

1)定期通過狀態在線監測系統對機組的振動、擺度數據進行分析，以便后期對故障進行溯源。

2)聯合主機廠對卡環緊固的操作架結構進行評估，從卡環材質、結構設計、安裝方面考慮對操作架與活塞桿的連接方式進行優化。