万家寨水电站4#6#机稳定运行问题分析

万家寨水电站4#6#机稳定运行问题分析

万家寨水库配备一台6台主缸混流式水轮发电，实际容量为180mw。其4#～6#机并入山西电网,承担着调整网间潮流的任务,具有负荷调节频繁、变化幅度大,经常在低负荷区运行的特点,运行工况相对较差。其中4#机运行工况最差,如机组在低负荷运行时振动声音大、机组摆度和振动值大、水轮机转轮叶片裂纹较多。为保证机组安全稳定运行,对机组进行了改造。本文针对4#机稳定运行问题进行分析并介绍技术改造措施。14#水草处理厂运营参数1.1主缸的基本组成1.2机组安装完成后4#机组于20001007自投动,载至到20020808共运行6111h,运行工况见表1。2主电源的压力动脉2.1尾水压脉动特征分析脉动测点位于尾水管进入门处,从尾水管锥管段钢板管壁用长500mm,普通自来水管引出至水压脉动传感器。处于+Y方向距尾水管锥管进口约0.5D处(见表2)。2.1.1机组水压脉动检测结果分析尾水管水压脉动分3个主要特征区:a.导叶与转轮动静干涉、叶道涡等与引水系统水位整体或局部水位互相作用形成的主振频率在1～2.5倍转速频率的强压力脉动区(10～100MW),此负荷区水压脉动对整个引水系统乃至水轮机结构具有极强的破坏能力。b.典型的尾水管涡带脉动区,在110～156MW负荷区水压脉动主频率为0.18～0.55Hz,为水轮机转速频率的0.11～0.33倍。c.稳定运行区,156MW以上出力。2.2机组运行效果a.针对在低负荷区的压力脉动,制定出不同水头下限制机组出力范围的运行方式,制定了机组稳定运行区,过渡运行区,限制运行区。其中禁止运行区以真机实测的8mH2O尾水管压力脉动线为边界,即在尾水管压力脉动>8mH2O时机组禁止运行,过渡运行区在8mH2O尾水管水压力脉动线和叶片进口边背面初生汽蚀线之间,在过渡运行区内机组可短时间运行。稳定运行区为叶片进口边背面初生汽蚀线和最大出力限制线之间区域。通过积极同电网协调,配合来水预测,合理安排运行方式,避开机组在低负荷区域运行,避免了运行时的强压力脉动。b.为减小尾水管压力脉动,4#机组设计为大轴中心自然补气,补气管管径为350mm,在机组顶部设有真空破坏阀式的补气阀,阀前端通过管径200mm,长18m的钢管伸出厂外。实际测量补气效果不理想。分析原因为补气管直径太小,补气阀弹簧预压力过大导致阀盘开口尺寸较小,补气量不足所致。现准备将补气阀前端的补气管改为直径450mm的钢管,增大有效过流面积,降低大轴中心补气阀弹簧预压力,调整补气阀阀盘的可移动行程,保证阀盘开口加大补气量,此项工作正在实施过程中。3主扰动平衡试验3.1机动平衡试验4#机运行中上机架水平振动值偏大,经常出现超标现象。2003年9月进行了4#机动平衡试验,由变速试验的振动与转速关系曲线看出:振动速度随着转速的增加以2次方关系变化,说明4#机组转动部分存在较大的不平衡力。在空转工况与空载工况相对比,发现机组不平衡磁拉力较大。3.2发电机转子配重经综合比较,决定在空载工况下进行配重。将不平衡磁拉力与不平衡重量同视为不平衡因素加以消除。4#机最终配重350kg,配重半径5m,发电机转子上端面180kg、下端面170kg。配重后,较大幅度的降低了由转动部分不平衡引起的机架振动、上导摆度、顶盖振动、水导摆度等指标。同时,根据配重量、转速和配重半径计算可知,配重结果降低了作用于导轴承上径向力(19562kg),极大地改善了导轴承的工作环境,从根本上解决了转动部分不平衡力造成的机组振动、摆度问题(见表3、表4)。4不锈钢zgocr13135mo4#机组转轮上冠、下环和叶片采用不锈钢ZGOCr16Ni5Mo。机械性最小值如下:屈服强度≥588MPa,抗拉强度≥760MPa。4.1材料测试结果20020827对转轮进行了探伤检查,发现13个叶片在靠近上冠处出水边都有不同程度的裂纹,其中有3个叶片裂纹较长,在300～500mm间。20020829经国家钢铁材料测试中心测试分析得出结论:叶片断口属于疲劳断裂,裂纹面位于叶片根部的应力集中位置,裂纹起始位置在叶片出水边背面的边缘位置。疲劳裂纹起始区域为枝晶状沿晶断口,疲劳裂在母材内扩展的断口为正常的穿晶断口。从金相组织看出:叶片两侧面焊接组织为奥氏体枝状晶组织,显微硬度测试结果表面焊肉硬度与母材接近,叶片母材断口部位的化学成分分析结果表明符合ZGOCr16Ni5Mo钢的规定。综上所述,叶片的应力集中使局部存在的微观缺陷,在应力的作用下疲劳扩展,导致叶片疲劳断裂。4.2体系化有限元分析采用有限元软件对转轮分别进行了3种强度计算,考虑了叶片与上冠间过渡圆角R30～R50的局部模型,在叶片靠上冠出水边增加三角补强的局部模型。根据整体模型计算结果看出,转轮上整体应力很低,额定工况下叶片的应力总体上低于100MPa,最大峰值应力出现在几何不连续的局部区域。在有限元计算方法中,理论峰值应力出现在尖角区域,因此,进行了转轮局部模型的有限元计算,通过优化圆角半径来减少应力集中。通过局部模型计算得出的额定工况下转轮出水边与上冠连接处的最大综合应力为315MPa,靠转轮上冠出水边的最大主拉伸应力为330MPa,这与转轮实际产生的裂纹位置相吻合。通过有限元技术评估了在叶片出水边与上冠连接处增加补强三角块对应力集中的影响,在额定工况下转轮出水边与上冠连接处的最大综合应力182MPa,转轮出水边与上冠连接处的转轮最大位应力187MPa。计算表明这种补强能使叶片与上冠连接处的最高应力降低约42%。4.3上冠和叶片的长度2003年9月对4#机转轮叶片加装三角块。在转轮上冠出口边加了厚度为40mm,上冠部分长100mm,叶片部分长150mm的三角块。其中,与上冠处的夹角为R70,与叶片处的夹角为R100。4.4实际效果2004年8月进行了4#机转轮叶片检查,未发现机组转轮裂纹。表明经过机组转轮叶片加装三角块后叶片裂纹已经得到了有效的控制。5机组气化改造a.通过合理划分机组稳定运行区、过渡运行区、禁止运行区,采取缩短机组在过渡运行区和禁止运行区的运行时间,机组补气装置改造,来减轻