掛治水電廠機(jī)組水冷機(jī)組故障分析及處理

掛治水電廠機(jī)組水冷機(jī)組故障分析及處理

清水港水庫位于貴州省錦屏縣上游的清水河上游。上游距三河水庫約18.0公里，下游距錦屏縣約7.0公里。這是三級(jí)沅水規(guī)劃的第三級(jí)。工程以發(fā)電為主,兼有改善航運(yùn)條件等綜合利用效益,并作為上游三板溪水電站的反調(diào)節(jié)電站,電站安裝有3臺(tái)50MW軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組,總裝機(jī)容量150MW。工程于2005年2月份正式開工,2007年8-9月3臺(tái)機(jī)組相繼投產(chǎn)發(fā)電。1問題的總結(jié)和初步處理1.1機(jī)組投運(yùn)后耳出已響自1#機(jī)組安裝完成后開始充水調(diào)試開始,機(jī)組導(dǎo)葉一旦全關(guān)到位后水車室內(nèi)立即發(fā)出“嗡……”的刺耳嘯叫聲,2#、3#機(jī)組相繼投產(chǎn)后也同樣發(fā)出該異常嘯叫。首次充水時(shí)嘯叫聲稍弱,開機(jī)停運(yùn)后導(dǎo)葉全關(guān)后嘯叫聲明顯增大。為了消除該異常嘯叫聲,電廠采取了各種方法:更換導(dǎo)葉端面密封條、增大導(dǎo)葉接力器壓緊行程、在導(dǎo)葉軸部與底環(huán)軸孔間增加塑料密封、改變停機(jī)狀態(tài)下槳葉開度等均未產(chǎn)生效果。1.2換導(dǎo)葉端面密封條時(shí)機(jī)組的振動(dòng)現(xiàn)象2#、3#機(jī)組自2007年8-9月投產(chǎn)運(yùn)行約半年后發(fā)生停機(jī)過程中風(fēng)閘剛退出就發(fā)生蠕動(dòng)現(xiàn)象。處理過程:首先在機(jī)組檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)葉端面密封條已脫落,多次更換導(dǎo)葉端面密封條后機(jī)組蠕動(dòng)現(xiàn)象仍未消除;機(jī)組制造廠家組織進(jìn)行分析并按其要求增加導(dǎo)葉接力器壓緊行程,將導(dǎo)葉壓緊行程從5mm增大到7.0mm左右,機(jī)組蠕動(dòng)現(xiàn)象有所改善,但仍未消除;為不發(fā)生設(shè)備損壞事故,采取了在機(jī)組停機(jī)流程中增加了防蠕動(dòng)程序,即在機(jī)組停機(jī)退風(fēng)閘后發(fā)生蠕動(dòng)則啟動(dòng)程序自動(dòng)投入制動(dòng)風(fēng)閘,1#機(jī)在庫水位較高時(shí)發(fā)生間歇性蠕動(dòng),2#、3#機(jī)蠕動(dòng)情況嚴(yán)重,蠕動(dòng)程序投入后需2~4h才能手動(dòng)退出制動(dòng)風(fēng)閘,給機(jī)組安全運(yùn)行帶來極大隱患。1.3機(jī)組全停時(shí)尾水滲漏情況機(jī)組投運(yùn)以后,電廠通過水情系統(tǒng)觀察,發(fā)現(xiàn)機(jī)組導(dǎo)葉漏水嚴(yán)重。電廠曾做過如下統(tǒng)計(jì):在電廠上游區(qū)間沒有來水的情況下,掛治機(jī)組全停、泄洪閘全關(guān)狀態(tài)時(shí),上游庫水位1d下降約20cm。圖1為3臺(tái)機(jī)組全停時(shí)尾水漏水情況,圖中很直觀地反映了機(jī)組漏水情況。為了掌握電廠機(jī)組導(dǎo)葉的漏水量情況,對(duì)機(jī)組漏水情況采用了下游河道量水堰法和水庫水位消落法進(jìn)行了初步測量。測量結(jié)果表明,兩種方法測得3臺(tái)機(jī)組的總導(dǎo)葉漏水量均為8m3/s左右,平均每臺(tái)機(jī)組漏水量為2~3m3/s,漏水量遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)允許值(0.5m3/s)。1.4首先，分析原因1.4.1導(dǎo)葉開度的影響為了驗(yàn)證機(jī)組嘯叫產(chǎn)生的原因,曾進(jìn)行了如下試驗(yàn):當(dāng)導(dǎo)葉處于全關(guān)位置時(shí),水車室內(nèi)有刺耳的嘯叫聲;然后手動(dòng)緩慢開啟導(dǎo)葉,在這個(gè)過程中,水車室內(nèi)的嘯叫聲隨導(dǎo)葉開度變大而慢慢變小并逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樗髁鲃?dòng)的“嘩嘩”聲;最后再慢慢關(guān)閉導(dǎo)葉,在這個(gè)過程中,水車室內(nèi)的水流流動(dòng)的“嘩嘩”聲隨導(dǎo)葉開度變小而慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔宋恕钡膰[叫聲,并且嘯叫聲隨著導(dǎo)葉開度的變小而增大。由此可見,機(jī)組嘯叫與機(jī)組蠕動(dòng)問題產(chǎn)生的根本原因是由于導(dǎo)葉漏水量偏大所造成的。1.4.2導(dǎo)葉漏水量影響機(jī)組發(fā)生選擇掛治電廠導(dǎo)葉嚙合面大頭長度為551.80mm,小頭長度為369.70mm,偏心率為1.493,導(dǎo)葉高度為2320mm,導(dǎo)葉單片質(zhì)量2.1t。導(dǎo)葉偏心率較大,停機(jī)狀態(tài)下導(dǎo)葉偏開力較大。根據(jù)國內(nèi)其他電廠機(jī)組導(dǎo)葉設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),導(dǎo)葉偏心率均在1.05~1.20之間,掛治電廠導(dǎo)葉的偏心率為1.493,導(dǎo)葉偏心率明顯偏大。因此,流道充水后,作用在導(dǎo)葉小頭上力矩遠(yuǎn)大于作用在導(dǎo)葉大頭上的力矩,在水作用下機(jī)組有向開機(jī)方向的趨勢,需通過調(diào)速器接力器提供的動(dòng)力矩進(jìn)行抵消。經(jīng)計(jì)算,調(diào)速器接力需提供3.5MPa油壓才能抵消導(dǎo)葉偏開的水壓力。其次,導(dǎo)葉高度大,單片質(zhì)量僅為2.1t,由于偏心率大造成導(dǎo)葉在靜水和動(dòng)水壓力作用下彈性變形量大,導(dǎo)葉設(shè)計(jì)時(shí)嚙合面上、下端厚度相同,調(diào)速器接力器提供的動(dòng)力矩不能傳至導(dǎo)葉中、下部。經(jīng)有限元分析,在水壓作用下,上端面至280mm位置無間隙,但距上端面280mm至導(dǎo)葉下端面近2000mm長度范圍內(nèi)形成二次拋物線張口,幾乎從上至下貫穿了整片導(dǎo)葉。因此導(dǎo)葉偏心率大、導(dǎo)葉嚙合面線型設(shè)計(jì)失誤及導(dǎo)葉單薄剛度不足三個(gè)方面的因素是導(dǎo)葉漏水量大致使機(jī)組產(chǎn)生蠕動(dòng)的主要原因,導(dǎo)葉因漏水量大在動(dòng)水作用下產(chǎn)生振動(dòng)是機(jī)組發(fā)生嘯叫的主要原因。另外導(dǎo)葉軸套間隙大,導(dǎo)葉端面間隙偏小增加了導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)的摩擦阻力,抵消了部分動(dòng)力矩等也是使機(jī)組漏水加大并產(chǎn)生蠕動(dòng)的原因。1.4.3調(diào)速器壓緊情況下導(dǎo)葉變形量測量為進(jìn)一步掌握導(dǎo)葉關(guān)閉狀態(tài)下的變形情況,在現(xiàn)場采用在導(dǎo)葉底部嚙合密封處加測試塊的方法進(jìn)行了測試。試驗(yàn)前在導(dǎo)葉底部嚙合密封處加200mm×4mm×50mm(長×寬×高)的冷軋板,然后接力器給壓,測量接力器壓緊情況下導(dǎo)葉立面各部位變形量,檢測結(jié)果如表1。表1中檢修內(nèi)容:3#機(jī)活動(dòng)導(dǎo)葉變形量測量。測量條件:調(diào)速器油壓為2.0MPa,接力器壓緊行程給上。通過測量結(jié)果進(jìn)一步表明,導(dǎo)葉高度大,單片重量輕,導(dǎo)葉剛度偏小,彈性變形大。因此,正常情況下導(dǎo)葉進(jìn)水邊與出水邊上部首先接觸,導(dǎo)致導(dǎo)葉關(guān)閉力矩全部集中在導(dǎo)葉頂部,導(dǎo)葉下部在水推力作用下被推開,造成導(dǎo)葉漏水。1.4.4導(dǎo)葉受力分析1)計(jì)算模型為了計(jì)算得到停機(jī)工況導(dǎo)葉在全關(guān)位置時(shí)活動(dòng)導(dǎo)葉間的立面間隙,選取了2個(gè)活動(dòng)導(dǎo)葉,按照全關(guān)位置時(shí)的分布位置放置,使用solid45單元對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,共得到136967個(gè)單元,29506個(gè)節(jié)點(diǎn),網(wǎng)格模型見圖2。2)邊界條件在計(jì)算導(dǎo)葉軸上端切向位移和外部水壓力共同作用的時(shí)候,分別約束了各導(dǎo)葉軸承位置處的徑向位移;在導(dǎo)葉軸上端約束軸向位移;對(duì)稱面節(jié)點(diǎn)通過耦合使其變形保持一致;導(dǎo)葉的嚙合部位通過建立接觸對(duì)模擬;在活動(dòng)導(dǎo)葉的過流面上施加相應(yīng)水壓力;在導(dǎo)葉軸上端施加切向位移。3)計(jì)算結(jié)果已知上游水位322m,下游水位296.53m,導(dǎo)葉中心線高程293m,按額定的操作油壓6.0MPa計(jì)算,作用在導(dǎo)葉上的操作力矩為94200N·m。通過計(jì)算,在操作力矩為94200N·m,蝸殼未充水時(shí),導(dǎo)葉軸上端嚙合邊的最大切向位移為0.607mm,最大應(yīng)力196.5MPa。取導(dǎo)葉軸上端切向位移為0.6mm作為計(jì)算條件,蝸殼充水后,在水壓的共同作用下,導(dǎo)葉嚙合邊上端最大變形2.59mm,見圖3,導(dǎo)葉最大應(yīng)力為200.7MPa,見圖4,導(dǎo)葉最大間隙0.79mm,平均間隙0.49mm,見圖5。從以上結(jié)果可知,導(dǎo)葉在強(qiáng)度方面滿足安全穩(wěn)定運(yùn)行要求,但導(dǎo)葉立面平均立面間隙0.49mm遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值0.15mm,從而造成機(jī)組漏水量大。有限元計(jì)算是完全模擬靜水情況下得到的結(jié)論,考慮到實(shí)際安裝誤差、導(dǎo)葉軸套間隙等情況,在充水情況下機(jī)組的導(dǎo)葉立面間隙實(shí)際值可能比理論計(jì)算值更大。為減小機(jī)組漏水量,即減小導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)的立面間隙,需要對(duì)導(dǎo)葉出水邊側(cè)的嚙合線進(jìn)行適當(dāng)修型。2處理2.1修型方案對(duì)比根據(jù)試驗(yàn)計(jì)算分析,決定對(duì)導(dǎo)葉立面進(jìn)行切削修型處理。導(dǎo)葉的修型方案為:導(dǎo)葉上端面處的修型量為1mm,修型范圍為從上端面開始至距離上端面1400mm距離的范圍,修型范圍線形為直線,即導(dǎo)葉上端面處最大切削量為1mm,從導(dǎo)葉上端往下1400mm高度處的切削量為0。為確保修型效果,在實(shí)施前采用了有限元計(jì)算法,對(duì)修型量1mm、1.2mm兩種方案進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如表2所示。由以上對(duì)比數(shù)據(jù)可知,導(dǎo)葉修型后,立面間隙有明顯改善、導(dǎo)葉嚙合應(yīng)力明顯降低。從分析計(jì)算結(jié)果可看出,1mm的修型效果更好。2.2蓋間約束間隙由于設(shè)計(jì)的原因,導(dǎo)葉上軸根部直徑260mm、高20mm,而與之相配的頂蓋軸孔直徑為265mm,導(dǎo)葉上軸根部與頂蓋間單邊間隙為2.5mm;導(dǎo)葉下軸根部直徑218mm、高20mm,而與之相配的底環(huán)軸孔直徑為225mm,導(dǎo)葉下軸根部與底環(huán)間單邊間隙為3.5mm。為了減少該部位的漏水,在24個(gè)導(dǎo)葉上下軸部相應(yīng)位置各加裝了一個(gè)不銹鋼止水圈,上部止水圈尺寸為厚1.5mm、高20mm、直徑260mm,下部之水圈尺寸為后2.5mm、高20mm、直徑218mm。2.3#機(jī)組頂蓋與底環(huán)間開檔尺寸設(shè)計(jì)值對(duì)比根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求,頂蓋與底環(huán)間開襠設(shè)計(jì)值為2320+2.1+1.1mm,而3#機(jī)組實(shí)際測量值詳見表3。由表3可以看出,3#機(jī)組頂蓋與底環(huán)間開檔尺寸較設(shè)計(jì)值偏小,導(dǎo)致導(dǎo)葉端面間隙較小,使得導(dǎo)葉開關(guān)動(dòng)作時(shí)與頂蓋和底環(huán)發(fā)生刮擦現(xiàn)象。為減小導(dǎo)葉與頂蓋、底環(huán)間的摩擦阻力,在3#機(jī)組A修過程中導(dǎo)葉返廠后,根據(jù)導(dǎo)葉端面間隙測量結(jié)果對(duì)部分導(dǎo)葉端面進(jìn)行了0.2~1.0mm的修磨處理。3導(dǎo)葉異常嘆叫及資掛治水電廠在2011年度3#機(jī)組A修時(shí)將導(dǎo)葉返廠修型處理,處理后機(jī)組停止后水車室內(nèi)的嘯叫聲已消失,漏水聲明顯減小,機(jī)組蠕動(dòng)現(xiàn)象未再發(fā)生,處