挂治水电厂机组水冷机组故障分析及处理

挂治水电厂机组水冷机组故障分析及处理

清水港水库位于贵州省锦屏县上游的清水河上游。上游距三河水库约18.0公里，下游距锦屏县约7.0公里。这是三级沅水规划的第三级。工程以发电为主,兼有改善航运条件等综合利用效益,并作为上游三板溪水电站的反调节电站,电站安装有3台50MW轴流转桨式水轮发电机组,总装机容量150MW。工程于2005年2月份正式开工,2007年8-9月3台机组相继投产发电。1问题的总结和初步处理1.1机组投运后耳出已响自1#机组安装完成后开始充水调试开始,机组导叶一旦全关到位后水车室内立即发出“嗡……”的刺耳啸叫声,2#、3#机组相继投产后也同样发出该异常啸叫。首次充水时啸叫声稍弱,开机停运后导叶全关后啸叫声明显增大。为了消除该异常啸叫声,电厂采取了各种方法:更换导叶端面密封条、增大导叶接力器压紧行程、在导叶轴部与底环轴孔间增加塑料密封、改变停机状态下桨叶开度等均未产生效果。1.2换导叶端面密封条时机组的振动现象2#、3#机组自2007年8-9月投产运行约半年后发生停机过程中风闸刚退出就发生蠕动现象。处理过程:首先在机组检修时发现导叶端面密封条已脱落,多次更换导叶端面密封条后机组蠕动现象仍未消除;机组制造厂家组织进行分析并按其要求增加导叶接力器压紧行程,将导叶压紧行程从5mm增大到7.0mm左右,机组蠕动现象有所改善,但仍未消除;为不发生设备损坏事故,采取了在机组停机流程中增加了防蠕动程序,即在机组停机退风闸后发生蠕动则启动程序自动投入制动风闸,1#机在库水位较高时发生间歇性蠕动,2#、3#机蠕动情况严重,蠕动程序投入后需2~4h才能手动退出制动风闸,给机组安全运行带来极大隐患。1.3机组全停时尾水渗漏情况机组投运以后,电厂通过水情系统观察,发现机组导叶漏水严重。电厂曾做过如下统计:在电厂上游区间没有来水的情况下,挂治机组全停、泄洪闸全关状态时,上游库水位1d下降约20cm。图1为3台机组全停时尾水漏水情况,图中很直观地反映了机组漏水情况。为了掌握电厂机组导叶的漏水量情况,对机组漏水情况采用了下游河道量水堰法和水库水位消落法进行了初步测量。测量结果表明,两种方法测得3台机组的总导叶漏水量均为8m3/s左右,平均每台机组漏水量为2~3m3/s,漏水量远大于设计允许值(0.5m3/s)。1.4首先，分析原因1.4.1导叶开度的影响为了验证机组啸叫产生的原因,曾进行了如下试验:当导叶处于全关位置时,水车室内有刺耳的啸叫声;然后手动缓慢开启导叶,在这个过程中,水车室内的啸叫声随导叶开度变大而慢慢变小并逐渐转变为水流流动的“哗哗”声;最后再慢慢关闭导叶,在这个过程中,水车室内的水流流动的“哗哗”声随导叶开度变小而慢慢转变为“嗡嗡”的啸叫声,并且啸叫声随着导叶开度的变小而增大。由此可见,机组啸叫与机组蠕动问题产生的根本原因是由于导叶漏水量偏大所造成的。1.4.2导叶漏水量影响机组发生选择挂治电厂导叶啮合面大头长度为551.80mm,小头长度为369.70mm,偏心率为1.493,导叶高度为2320mm,导叶单片质量2.1t。导叶偏心率较大,停机状态下导叶偏开力较大。根据国内其他电厂机组导叶设计数据统计,导叶偏心率均在1.05~1.20之间,挂治电厂导叶的偏心率为1.493,导叶偏心率明显偏大。因此,流道充水后,作用在导叶小头上力矩远大于作用在导叶大头上的力矩,在水作用下机组有向开机方向的趋势,需通过调速器接力器提供的动力矩进行抵消。经计算,调速器接力需提供3.5MPa油压才能抵消导叶偏开的水压力。其次,导叶高度大,单片质量仅为2.1t,由于偏心率大造成导叶在静水和动水压力作用下弹性变形量大,导叶设计时啮合面上、下端厚度相同,调速器接力器提供的动力矩不能传至导叶中、下部。经有限元分析,在水压作用下,上端面至280mm位置无间隙,但距上端面280mm至导叶下端面近2000mm长度范围内形成二次抛物线张口,几乎从上至下贯穿了整片导叶。因此导叶偏心率大、导叶啮合面线型设计失误及导叶单薄刚度不足三个方面的因素是导叶漏水量大致使机组产生蠕动的主要原因,导叶因漏水量大在动水作用下产生振动是机组发生啸叫的主要原因。另外导叶轴套间隙大,导叶端面间隙偏小增加了导叶关闭时的摩擦阻力,抵消了部分动力矩等也是使机组漏水加大并产生蠕动的原因。1.4.3调速器压紧情况下导叶变形量测量为进一步掌握导叶关闭状态下的变形情况,在现场采用在导叶底部啮合密封处加测试块的方法进行了测试。试验前在导叶底部啮合密封处加200mm×4mm×50mm(长×宽×高)的冷轧板,然后接力器给压,测量接力器压紧情况下导叶立面各部位变形量,检测结果如表1。表1中检修内容:3#机活动导叶变形量测量。测量条件:调速器油压为2.0MPa,接力器压紧行程给上。通过测量结果进一步表明,导叶高度大,单片重量轻,导叶刚度偏小,弹性变形大。因此,正常情况下导叶进水边与出水边上部首先接触,导致导叶关闭力矩全部集中在导叶顶部,导叶下部在水推力作用下被推开,造成导叶漏水。1.4.4导叶受力分析1)计算模型为了计算得到停机工况导叶在全关位置时活动导叶间的立面间隙,选取了2个活动导叶,按照全关位置时的分布位置放置,使用solid45单元对模型进行网格划分,共得到136967个单元,29506个节点,网格模型见图2。2)边界条件在计算导叶轴上端切向位移和外部水压力共同作用的时候,分别约束了各导叶轴承位置处的径向位移;在导叶轴上端约束轴向位移;对称面节点通过耦合使其变形保持一致;导叶的啮合部位通过建立接触对模拟;在活动导叶的过流面上施加相应水压力;在导叶轴上端施加切向位移。3)计算结果已知上游水位322m,下游水位296.53m,导叶中心线高程293m,按额定的操作油压6.0MPa计算,作用在导叶上的操作力矩为94200N·m。通过计算,在操作力矩为94200N·m,蜗壳未充水时,导叶轴上端啮合边的最大切向位移为0.607mm,最大应力196.5MPa。取导叶轴上端切向位移为0.6mm作为计算条件,蜗壳充水后,在水压的共同作用下,导叶啮合边上端最大变形2.59mm,见图3,导叶最大应力为200.7MPa,见图4,导叶最大间隙0.79mm,平均间隙0.49mm,见图5。从以上结果可知,导叶在强度方面满足安全稳定运行要求,但导叶立面平均立面间隙0.49mm远大于设计值0.15mm,从而造成机组漏水量大。有限元计算是完全模拟静水情况下得到的结论,考虑到实际安装误差、导叶轴套间隙等情况,在充水情况下机组的导叶立面间隙实际值可能比理论计算值更大。为减小机组漏水量,即减小导叶关闭时的立面间隙,需要对导叶出水边侧的啮合线进行适当修型。2处理2.1修型方案对比根据试验计算分析,决定对导叶立面进行切削修型处理。导叶的修型方案为:导叶上端面处的修型量为1mm,修型范围为从上端面开始至距离上端面1400mm距离的范围,修型范围线形为直线,即导叶上端面处最大切削量为1mm,从导叶上端往下1400mm高度处的切削量为0。为确保修型效果,在实施前采用了有限元计算法,对修型量1mm、1.2mm两种方案进行了计算,计算结果如表2所示。由以上对比数据可知,导叶修型后,立面间隙有明显改善、导叶啮合应力明显降低。从分析计算结果可看出,1mm的修型效果更好。2.2盖间约束间隙由于设计的原因,导叶上轴根部直径260mm、高20mm,而与之相配的顶盖轴孔直径为265mm,导叶上轴根部与顶盖间单边间隙为2.5mm;导叶下轴根部直径218mm、高20mm,而与之相配的底环轴孔直径为225mm,导叶下轴根部与底环间单边间隙为3.5mm。为了减少该部位的漏水,在24个导叶上下轴部相应位置各加装了一个不锈钢止水圈,上部止水圈尺寸为厚1.5mm、高20mm、直径260mm,下部之水圈尺寸为后2.5mm、高20mm、直径218mm。2.3#机组顶盖与底环间开档尺寸设计值对比根据设计图纸要求,顶盖与底环间开裆设计值为2320+2.1+1.1mm,而3#机组实际测量值详见表3。由表3可以看出,3#机组顶盖与底环间开档尺寸较设计值偏小,导致导叶端面间隙较小,使得导叶开关动作时与顶盖和底环发生刮擦现象。为减小导叶与顶盖、底环间的摩擦阻力,在3#机组A修过程中导叶返厂后,根据导叶端面间隙测量结果对部分导叶端面进行了0.2~1.0mm的修磨处理。3导叶异常叹叫及资挂治水电厂在2011年度3#机组A修时将导叶返厂修型处理,处理后机组停止后水车室内的啸叫声已消失,漏水声明显减小,机组蠕动现象未再发生,处