桂江電廠大型發(fā)電機(jī)組發(fā)電故障分析

桂江電廠大型發(fā)電機(jī)組發(fā)電故障分析

昭平水電站位于廣西桂江市桂江上游，是一座低水面的電氣站。該站有三個直徑為3.21w的軸流發(fā)電站。該船重量為zz50-lh-450，車輪直徑為4.5m，共有5個不銹鋼葉片，旋轉(zhuǎn)操作裝置的連通性重量為67kg。發(fā)電機(jī)型號SF-J21-48/6950,1994年4月第一臺機(jī)組發(fā)電,1995年8月3臺機(jī)組全部投入運行。一、機(jī)組停機(jī)前后檢查1997年7月6日,1#機(jī)組帶18MW負(fù)荷運行,突然機(jī)組負(fù)荷劇烈擺動,同時伴隨巨大聲響與振動。值班人員迅速趕往聲響最大的水車室與蝸殼層,發(fā)現(xiàn)頂蓋處有不規(guī)則巨大聲響與振動,可肉眼觀看到水輪機(jī)大軸明顯擺動,水機(jī)層蝸殼壓力表、轉(zhuǎn)輪室中環(huán)壓力表指針劇烈擺動,蝸殼層轉(zhuǎn)輪室也傳出巨大聲響與振動,不時發(fā)出巨大撞擊聲。此時機(jī)組無法保持協(xié)聯(lián)運行,操作調(diào)速器減負(fù)荷,聲響振動并不明顯減小。運行人員果斷停機(jī)。停機(jī)后對機(jī)組進(jìn)行了外部詳細(xì)檢查,發(fā)電機(jī)定子轉(zhuǎn)子無異常,空氣間隙正常,無撞擊、冒煙現(xiàn)象;各部軸承以及各聯(lián)接螺栓正常,無明顯松動現(xiàn)象,接力器動作正常(從可以正常關(guān)機(jī)可知),導(dǎo)葉,槳葉亦能正常操作,導(dǎo)葉,槳葉全關(guān)全開位置也與實際行程相對應(yīng)。據(jù)此可初步排除電氣與外部機(jī)械原因。落下機(jī)組進(jìn)水口及尾水檢修閘門,抽干積水檢查。發(fā)現(xiàn)有一塊槳葉處于全開位置(+20°),(后來確認(rèn)是4#槳葉),其余4塊槳葉都處于+5°(開機(jī)啟動角)。操作槳葉,4#槳葉不動作,處于失控狀態(tài),其余4塊槳葉動作正常。流道中沒有發(fā)現(xiàn)異物,也沒有明顯撞擊痕跡,葉片與轉(zhuǎn)輪室間隙在正常范圍內(nèi),葉片無裂紋。二、問題解決1.斷裂機(jī)構(gòu)操作機(jī)構(gòu)4#槳葉處于失控狀態(tài)的原因有以下幾種:(1)操作機(jī)構(gòu)叉頭螺母松脫或叉頭耳柄斷裂。(2)操作機(jī)構(gòu)連桿斷裂。(3)操作機(jī)構(gòu)操作架耳柄斷裂。(4)轉(zhuǎn)臂與連桿相連的軸銷斷裂。2.吊出轉(zhuǎn)子擴(kuò)大性處理方案有兩種,一種是常規(guī)方式,吊出轉(zhuǎn)子,吊出轉(zhuǎn)輪分解,進(jìn)行擴(kuò)大性大修;一種是非常規(guī)方式,檢修工作在機(jī)坑中進(jìn)行,從轉(zhuǎn)輪底部進(jìn)入轉(zhuǎn)輪體中進(jìn)行檢修。(1)天以上、月之后發(fā)電天然氣系統(tǒng)天優(yōu)點:方案成熟,可徹底處理好問題;檢修成功率大,風(fēng)險小;缺點:檢修工作量大,時間較長,預(yù)計55天以上,時值發(fā)電的黃金季節(jié),電量損失大,以每天2萬負(fù)荷計算,55天將損失2640萬kW·h;進(jìn)水口檢修閘門與尾水檢修閘門設(shè)計強(qiáng)度為2年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn),7～8月是主汛期,發(fā)生10年或20年一遇的洪水幾率很大,檢修閘門將不堪重負(fù);(2)方案比選分析優(yōu)點;時間短,如果故障原因如分析所見,檢修位置足夠,可在10天內(nèi)完成任務(wù),把損失降到最低。工作量小,只針對故障部位拆卸,不拆卸其它部件,避免了由于大拆卸而存在的潛在性故障風(fēng)險。缺點:檢修位置狹窄,甚至無法完成特定工作,導(dǎo)致方案失敗,前功盡棄。據(jù)了解,當(dāng)時區(qū)內(nèi)無成功的先例報導(dǎo),無成功借鑒經(jīng)驗?，F(xiàn)場工作環(huán)境復(fù)雜惡劣,無法使用電動起吊設(shè)備與有效的機(jī)械工具,許多工作憑人力完成,有相當(dāng)難度。(3)檢修成功性評估綜合兩種方案的優(yōu)點,決定先采用非常規(guī)方式,從轉(zhuǎn)輪底部進(jìn)入,找出真正原因,具體分析是否具備檢修條件,對檢修成功性進(jìn)行綜合評估。如果不行,馬上轉(zhuǎn)入常規(guī)方式檢修,那樣也僅僅是多用2天時間,相對于最終還是采用常規(guī)方式檢修的55天相比,并不礙大局,但是非常規(guī)方式有成功之把握,則事半功倍,把損失降到最低。3.尾收管檢驗(1)為了彌補進(jìn)水口檢修閘門、尾水檢修閘門防洪標(biāo)準(zhǔn)低的問題,預(yù)防檢修期間突發(fā)洪水,決定將蝸殼充水至底環(huán)位置,約在進(jìn)水口檢修閘門后形成4.8m水深,尾水管充水至泄水錐下2.5m,約在尾水檢修閘門后形成5.5m水深,使閘門防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到防御10年一遇洪水。(2)如遇到超過10年一遇洪水,水文運行部門保證提供洪水到達(dá)前6h預(yù)警,檢修人員快速把轉(zhuǎn)輪下端蓋封回到轉(zhuǎn)輪體上,人員撤走,關(guān)閉蝸殼進(jìn)人門與尾水管進(jìn)人門,將蝸殼與尾水管充滿水。(3)在尾水管進(jìn)人門與蝸殼進(jìn)人門處安裝大功率抽風(fēng)機(jī)抽除轉(zhuǎn)輪室中潮氣、煙霧。(4)排泄機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)油壓,做好檢修安全措施,配備12V專用安全照明電源。4.建構(gòu)操作架托架,完善操作流程第一,利用活動導(dǎo)葉作為懸掛受力點,搭建懸空木板平臺,低于泄水錐最低處50cm,檢修人員從平臺上進(jìn)入泄水錐進(jìn)人孔中,打開轉(zhuǎn)輪體下端蓋放油閥,裝上油泵與接管,排走轉(zhuǎn)輪體中回油腔的積油。第二,將平臺上升至泄水錐中段,拆卸泄水錐與下端蓋聯(lián)接螺栓,利用四周對稱4塊活動導(dǎo)葉作為懸掛受力點,用4個2t繩長12m的手拉葫蘆把泄水錐下放到尾水管底部,不脫鉤。第三,拆卸下端蓋,用類似懸掛方法,懸掛于與平臺同一平面上,上邊鋪木板,彌補了平臺圓心中空的平面部分,防止人員與物件墜落。第四,進(jìn)入轉(zhuǎn)輪體之前,先做好防止葉片轉(zhuǎn)動的措施,在每塊葉片與轉(zhuǎn)輪室間隙中以及葉片軸肩處,打入若干塊楔子板加以固定葉片。第五,下端蓋拆卸后,檢查發(fā)現(xiàn)4#葉片連桿斷裂(見圖2),形狀由“花生豆”形狀斷裂成為一個巨大的“問號”,連桿斷裂的一端正是轉(zhuǎn)臂與連桿連接的一端。第六,用葫蘆與葉片專用夾具,在外部拉動4#葉片,操作槳葉全關(guān)與全開來回幾個行程,槳葉無卡阻,無跳動,動作平穩(wěn)。證明葉片轉(zhuǎn)臂,樞軸與樞軸銅瓦等部件狀況良好。第七,對檢修位置與空間(即拆卸連桿與安裝連桿的人員活動位置與安裝位置)進(jìn)行觀測,雖然回油腔中空間狹窄,但小個子檢修人員克服一些困難,加以一系列輔助手段,站立在3#或4#操作架空間位置中,有把握完成拆卸與安裝連桿的任務(wù)。第八,制作拆卸操作架專用托架,托架用可調(diào)長螺栓(M30)固定于轉(zhuǎn)輪體與下端蓋相接螺紋中,拆卸操作架卡環(huán)套環(huán),拆卸叉頭螺母,利用千斤頂與枕木,逐步把操作架下放到平臺上。第九,雖然連桿斷裂成問號型狀,但斷裂開口小于轉(zhuǎn)臂軸銷直徑,沿軸銷徑向無法脫出連桿,軸銷徑向一側(cè)是本葉片轉(zhuǎn)臂,另一側(cè)是相鄰葉片轉(zhuǎn)臂,位置都不足以拆出連桿,軸銷軸向位置也不足(常規(guī)方式安裝時,轉(zhuǎn)臂與連桿、叉頭三者在轉(zhuǎn)輪外組成一體,然后吊入倒立的轉(zhuǎn)輪體回油腔中安裝的,故不存在軸銷軸向拆卸與安裝位置不夠的問題),采用直流碳弧刨將連桿開口對側(cè)刨斷的方法取下了斷裂連桿及叉頭。(2)屋頂誤差分析與處理方案暗灰色、灰黑連桿斷裂截面明顯呈現(xiàn)兩種顏色,斷面外緣呈暗灰色,斷面內(nèi)緣為灰白色,暗灰色為舊裂紋痕跡,灰白色為新的裂紋痕跡;斷口處材質(zhì)不均勻,有氣孔,夾渣與疏松現(xiàn)象存在;實測連桿斷裂位置對側(cè)倒角為約R5左右(廠家設(shè)計圖紙該處倒角為R25)且倒角處加工粗糙,可明顯看出高低不平的切削痕跡。材料材質(zhì)分析對舊連桿進(jìn)行了取樣分析,材料拉伸試驗與沖擊試驗,證明材料脆性較大,抗拉強(qiáng)度與屈服強(qiáng)度偏低;材質(zhì)分析基本上屬于35#鋼,但材質(zhì)不均勻,有夾渣,疏松存在,證明鍛件不合格;以上化學(xué)成分分析與機(jī)械性能分析,證明連桿材質(zhì)存在問題。裂紋產(chǎn)生原因連桿沒有按設(shè)計圖紙加工,加工粗糙,倒角過小,產(chǎn)生了尖角應(yīng)力效應(yīng),即局部應(yīng)力集中,材質(zhì)不均勻,脆性較大,不合格,成為了裂紋產(chǎn)生的隱患,是導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生的內(nèi)在因素。在工作中,連桿承受拉伸與擠壓循環(huán)負(fù)載作用,當(dāng)連桿圓角部位所承受的應(yīng)力幅值大于本身所承受的疲勞極限值時,不可避免地產(chǎn)生了疲勞破壞現(xiàn)象,即產(chǎn)生裂紋,材質(zhì)不合格的內(nèi)在因素更促進(jìn)了裂紋進(jìn)一步發(fā)展,當(dāng)某一時段,連桿裂紋部位強(qiáng)度無法承受工作負(fù)荷強(qiáng)度時,裂紋迅速發(fā)展,突然斷裂?？蛊谛阅鼙ＷC廠家按圖紙重新校核連桿強(qiáng)度,強(qiáng)度必須符合要求。采用材質(zhì)合格的35#鍛鋼,重新加工連桿,保證鍛壓與加工質(zhì)量,細(xì)化組織、致密組織,提高抗疲勞性能。疲勞裂紋多在尖角處產(chǎn)生,圓角越大,疲勞極限越大,為保險起見,加大圓角R25至R50(見圖3)。連桿中間柄桿部位不做切削加工,保留直徑φ120。(不影響安裝尺寸)要求廠家加快進(jìn)度,連桿應(yīng)盡快航空快運到工地。(3)采用碳弧由柱、堆頭加以壓降第一,在現(xiàn)場條件下,連桿只能想方法沿轉(zhuǎn)臂軸銷軸向套入,由于轉(zhuǎn)輪體內(nèi)錐段位置阻擋,安裝位置不夠,經(jīng)測量徑向差20mm,軸向差160mm。決定采用置換法,先用樣板對需刨切位置20mm×20mm×160mm進(jìn)行外觀放樣記錄,再用碳弧刨槍刨去20mm×20mm×160mm尺寸,刨切過程中注意溫度不宜過高。第二,刨切完成后,在樞軸上端懸掛的定向滑輪,用人力向下收緊通過定滑輪上的麻繩,把新的連桿上升到大致安裝位置,檢修人員站在旁邊狹窄的3#葉片樞軸轉(zhuǎn)臂間隙空間中,由于連桿銅瓦與轉(zhuǎn)臂軸銷配合間隙很小(0.05mm),經(jīng)過不斷調(diào)整位置,把連桿套入轉(zhuǎn)臂軸銷中。第三,轉(zhuǎn)輪體刨削位置進(jìn)行補焊,恢復(fù)原形狀,保證轉(zhuǎn)輪平衡。第四,用專用托架回裝操作架,套入1#、2#、3#、5#叉頭螺母,利用葫蘆與葉片專用工具,轉(zhuǎn)動4#葉片到其它4塊槳葉所處角度,套上4#叉頭,調(diào)節(jié)葉片開口符合要求,安裝緊固5個葉片叉頭螺母。第五,安裝下端蓋、安裝泄水錐、轉(zhuǎn)輪灌油、拆除平臺,恢復(fù)檢修安全措施。(4)機(jī)組操作試驗第一,油壓裝置充壓,進(jìn)行槳葉全開啟與全關(guān)閉操作,觀察葉片無卡阻、無異響、無振動,動作平滑平穩(wěn)。第二,操作試驗結(jié)束后,恢復(fù)安全措施,啟動機(jī)組進(jìn)行空載與各工況帶負(fù)荷運行,各部振擺符合要求,無異常聲響,槳葉操作靈活,甩負(fù)荷試驗亦滿足要求。檢修成功。三、過程中的結(jié)論檢修總共10天時間,比常規(guī)方式節(jié)省了45天時間,節(jié)省了檢修費用,避免了大量電量損失,達(dá)到了損失最小化,事半功倍的效果。1998年4月29日,電廠3#機(jī)又發(fā)生類似問題,用同樣方法進(jìn)行了成功的搶修,同時也認(rèn)識到連桿問題是普遍性問題,在1998年底與1999年兩年中,電廠利用擴(kuò)大性大修機(jī)會,全部更換了3