萬家寨水電站4#6#機穩(wěn)定運行問題分析

萬家寨水電站4#6#機穩(wěn)定運行問題分析

萬家寨水庫配備一臺6臺主缸混流式水輪發(fā)電，實際容量為180mw。其4#～6#機并入山西電網(wǎng),承擔著調(diào)整網(wǎng)間潮流的任務(wù),具有負荷調(diào)節(jié)頻繁、變化幅度大,經(jīng)常在低負荷區(qū)運行的特點,運行工況相對較差。其中4#機運行工況最差,如機組在低負荷運行時振動聲音大、機組擺度和振動值大、水輪機轉(zhuǎn)輪葉片裂紋較多。為保證機組安全穩(wěn)定運行,對機組進行了改造。本文針對4#機穩(wěn)定運行問題進行分析并介紹技術(shù)改造措施。14#水草處理廠運營參數(shù)1.1主缸的基本組成1.2機組安裝完成后4#機組于20001007自投動,載至到20020808共運行6111h,運行工況見表1。2主電源的壓力動脈2.1尾水壓脈動特征分析脈動測點位于尾水管進入門處,從尾水管錐管段鋼板管壁用長500mm,普通自來水管引出至水壓脈動傳感器。處于+Y方向距尾水管錐管進口約0.5D處(見表2)。2.1.1機組水壓脈動檢測結(jié)果分析尾水管水壓脈動分3個主要特征區(qū):a.導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪動靜干涉、葉道渦等與引水系統(tǒng)水位整體或局部水位互相作用形成的主振頻率在1～2.5倍轉(zhuǎn)速頻率的強壓力脈動區(qū)(10～100MW),此負荷區(qū)水壓脈動對整個引水系統(tǒng)乃至水輪機結(jié)構(gòu)具有極強的破壞能力。b.典型的尾水管渦帶脈動區(qū),在110～156MW負荷區(qū)水壓脈動主頻率為0.18～0.55Hz,為水輪機轉(zhuǎn)速頻率的0.11～0.33倍。c.穩(wěn)定運行區(qū),156MW以上出力。2.2機組運行效果a.針對在低負荷區(qū)的壓力脈動,制定出不同水頭下限制機組出力范圍的運行方式,制定了機組穩(wěn)定運行區(qū),過渡運行區(qū),限制運行區(qū)。其中禁止運行區(qū)以真機實測的8mH2O尾水管壓力脈動線為邊界,即在尾水管壓力脈動>8mH2O時機組禁止運行,過渡運行區(qū)在8mH2O尾水管水壓力脈動線和葉片進口邊背面初生汽蝕線之間,在過渡運行區(qū)內(nèi)機組可短時間運行。穩(wěn)定運行區(qū)為葉片進口邊背面初生汽蝕線和最大出力限制線之間區(qū)域。通過積極同電網(wǎng)協(xié)調(diào),配合來水預(yù)測,合理安排運行方式,避開機組在低負荷區(qū)域運行,避免了運行時的強壓力脈動。b.為減小尾水管壓力脈動,4#機組設(shè)計為大軸中心自然補氣,補氣管管徑為350mm,在機組頂部設(shè)有真空破壞閥式的補氣閥,閥前端通過管徑200mm,長18m的鋼管伸出廠外。實際測量補氣效果不理想。分析原因為補氣管直徑太小,補氣閥彈簧預(yù)壓力過大導(dǎo)致閥盤開口尺寸較小,補氣量不足所致。現(xiàn)準備將補氣閥前端的補氣管改為直徑450mm的鋼管,增大有效過流面積,降低大軸中心補氣閥彈簧預(yù)壓力,調(diào)整補氣閥閥盤的可移動行程,保證閥盤開口加大補氣量,此項工作正在實施過程中。3主擾動平衡試驗3.1機動平衡試驗4#機運行中上機架水平振動值偏大,經(jīng)常出現(xiàn)超標現(xiàn)象。2003年9月進行了4#機動平衡試驗,由變速試驗的振動與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線看出:振動速度隨著轉(zhuǎn)速的增加以2次方關(guān)系變化,說明4#機組轉(zhuǎn)動部分存在較大的不平衡力。在空轉(zhuǎn)工況與空載工況相對比,發(fā)現(xiàn)機組不平衡磁拉力較大。3.2發(fā)電機轉(zhuǎn)子配重經(jīng)綜合比較,決定在空載工況下進行配重。將不平衡磁拉力與不平衡重量同視為不平衡因素加以消除。4#機最終配重350kg,配重半徑5m,發(fā)電機轉(zhuǎn)子上端面180kg、下端面170kg。配重后,較大幅度的降低了由轉(zhuǎn)動部分不平衡引起的機架振動、上導(dǎo)擺度、頂蓋振動、水導(dǎo)擺度等指標。同時,根據(jù)配重量、轉(zhuǎn)速和配重半徑計算可知,配重結(jié)果降低了作用于導(dǎo)軸承上徑向力(19562kg),極大地改善了導(dǎo)軸承的工作環(huán)境,從根本上解決了轉(zhuǎn)動部分不平衡力造成的機組振動、擺度問題(見表3、表4)。4不銹鋼zgocr13135mo4#機組轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)和葉片采用不銹鋼ZGOCr16Ni5Mo。機械性最小值如下:屈服強度≥588MPa,抗拉強度≥760MPa。4.1材料測試結(jié)果20020827對轉(zhuǎn)輪進行了探傷檢查,發(fā)現(xiàn)13個葉片在靠近上冠處出水邊都有不同程度的裂紋,其中有3個葉片裂紋較長,在300～500mm間。20020829經(jīng)國家鋼鐵材料測試中心測試分析得出結(jié)論:葉片斷口屬于疲勞斷裂,裂紋面位于葉片根部的應(yīng)力集中位置,裂紋起始位置在葉片出水邊背面的邊緣位置。疲勞裂紋起始區(qū)域為枝晶狀沿晶斷口,疲勞裂在母材內(nèi)擴展的斷口為正常的穿晶斷口。從金相組織看出:葉片兩側(cè)面焊接組織為奧氏體枝狀晶組織,顯微硬度測試結(jié)果表面焊肉硬度與母材接近,葉片母材斷口部位的化學(xué)成分分析結(jié)果表明符合ZGOCr16Ni5Mo鋼的規(guī)定。綜上所述,葉片的應(yīng)力集中使局部存在的微觀缺陷,在應(yīng)力的作用下疲勞擴展,導(dǎo)致葉片疲勞斷裂。4.2體系化有限元分析采用有限元軟件對轉(zhuǎn)輪分別進行了3種強度計算,考慮了葉片與上冠間過渡圓角R30～R50的局部模型,在葉片靠上冠出水邊增加三角補強的局部模型。根據(jù)整體模型計算結(jié)果看出,轉(zhuǎn)輪上整體應(yīng)力很低,額定工況下葉片的應(yīng)力總體上低于100MPa,最大峰值應(yīng)力出現(xiàn)在幾何不連續(xù)的局部區(qū)域。在有限元計算方法中,理論峰值應(yīng)力出現(xiàn)在尖角區(qū)域,因此,進行了轉(zhuǎn)輪局部模型的有限元計算,通過優(yōu)化圓角半徑來減少應(yīng)力集中。通過局部模型計算得出的額定工況下轉(zhuǎn)輪出水邊與上冠連接處的最大綜合應(yīng)力為315MPa,靠轉(zhuǎn)輪上冠出水邊的最大主拉伸應(yīng)力為330MPa,這與轉(zhuǎn)輪實際產(chǎn)生的裂紋位置相吻合。通過有限元技術(shù)評估了在葉片出水邊與上冠連接處增加補強三角塊對應(yīng)力集中的影響,在額定工況下轉(zhuǎn)輪出水邊與上冠連接處的最大綜合應(yīng)力182MPa,轉(zhuǎn)輪出水邊與上冠連接處的轉(zhuǎn)輪最大位應(yīng)力187MPa。計算表明這種補強能使葉片與上冠連接處的最高應(yīng)力降低約42%。4.3上冠和葉片的長度2003年9月對4#機轉(zhuǎn)輪葉片加裝三角塊。在轉(zhuǎn)輪上冠出口邊加了厚度為40mm,上冠部分長100mm,葉片部分長150mm的三角塊。其中,與上冠處的夾角為R70,與葉片處的夾角為R100。4.4實際效果2004年8月進行了4#機轉(zhuǎn)輪葉片檢查,未發(fā)現(xiàn)機組轉(zhuǎn)輪裂紋。表明經(jīng)過機組轉(zhuǎn)輪葉片加裝三角塊后葉片裂紋已經(jīng)得到了有效的控制。5機組氣化改造a.通過合理劃分機組穩(wěn)定運行區(qū)、過渡運行區(qū)、禁止運行區(qū),采取縮短機組在過渡運行區(qū)和禁止運行區(qū)的運行時間,機組補氣裝置改造,來減輕