金沙水電站大型軸流轉槳式水輪機槳葉開度異常分析與處理

趙冉 王立寶

摘要：為研究金沙水電站3號機組投產階段調試中出現的槳葉開度異常問題，利用排查分析、現場優化調整、數據分析和試驗驗證的方法，從多個角度排查、分析了此類故障的誘發因素，最終找出故障原因和解決辦法，從本質上解決了槳葉開度異常的問題，并采取了相應措施排除故障。對水輪機導葉-槳葉協聯關系進行試驗驗證的結果表明：① 此次故障的分析和處理可滿足水輪機模型試驗和協聯關系計算書要求;② 通過各項試驗驗證及試運行效果觀察，機組運行指標及各參數可滿足設計及規范要求，從而有效保證機組效率和安全穩定運行。研究結果可為同類型水電站類似故障的分析和處理提供參考。

關鍵詞： 軸流轉槳式; 水輪機; 槳葉開度異常; 故障分析; 金沙水電站

中圖法分類號：TV730.3 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.03.014

文章編號：1006 - 0081（2022）03 - 0064 - 05

0 引 言

金沙水電站位于四川省攀枝花市西區金沙江干流中游末端的攀枝花河段上，電站裝機容量56萬kW，安裝4臺14萬kW的軸流轉槳式水輪發電機組，轉輪直徑10 650 mm，設計年平均發電量21.77億kW·h。水輪機制造廠家為通用電氣水電設備（中國）有限公司 ，水輪機型號為ZZ（JS）-LH-1065，轉輪槳葉操作機構結構為缸動式結構，主要由操作油管、轉輪體、中心體、活塞、接力器缸、轉臂以及葉片樞軸等部件組成，接力器缸體在壓力油作用下帶動槳葉操作機構控制槳葉開關。調速器采用南瑞集團有限公司SAFR-2000H型微機調速器、雙PCC系統。導葉主配直徑200 mm，槳葉主配直徑150 mm，協聯方式為導葉槳葉協聯，配YZ-40/2-6.3型油壓裝置，調節規律為并聯PID，額定工作壓力為6.3 MPa。為了研究軸流轉槳式水輪發電機組槳葉反饋裝置故障的解決思路和處理方法，通過對金沙水電站3號水輪機組槳葉反饋裝置故障進行分析和研究，提出了解決思路和方法，為國內外同類型機組類似故障的處理提供了借鑒[1]。同時，為軸流轉槳式機組槳葉反饋裝置的設計優化提供了思路，在設計階段避免設備調試、運行過程中發生故障，從而更有利于設備的安全穩定運行。

1 故障情況簡介

2021年7月27日，金沙水電站3號機組按照啟動投產方案及機組啟動試運行大綱要求進行機組進相試驗。上位機將機組負荷加至14萬kW時，出現水輪機導葉開度、槳葉開度明顯異常增大，上位機監控畫面顯示3號機組導葉開度為99.97%，槳葉開度為98.98%，負荷降至13.6萬kW;此時3號機組水頭與1，2號機組在同樣水頭下正常運行（上游水位1 021.33 m，下游水位為1 001.38 m），1號機組導葉開度為70.89%，槳葉開度為81.16%;2號機組導葉開度為70.11%，槳葉開度為79.56%;在機組甩負荷試驗時，機組負荷增至14萬kW，導葉開度顯示79.67%，槳葉開度顯示99%，根據試驗方案要求，通過跳斷路器做甩負荷試驗，機組電氣二級過速保護動作，監控系統啟動緊急停機流程，造成機組事故停機。

2 現場檢查情況

根據導葉和槳葉開度異常增大的故障現象，現場停機并采取安全措施后，分別對以下6個方面進行了檢查：① 進水口攔污柵、蝸殼及尾水流道內部清潔度;② 調速器控制參數設置（水頭及PID參數）;③ 調速器控制程序;④ 邏輯（協聯關系寫入及曲線校核）;⑤ 受油器操作油管、轉輪活塞及杠體進行動作;⑥ 槳葉及導葉開度反饋裝置、協聯關系。

2.1 流道檢查

停機后，檢查攔污柵進口、蝸殼及尾水流道（流道無異常、槳葉實際開度滿足設計要求的36.01°）：關閉進水口、尾水檢修閘門，并開啟蝸殼及尾水肘管盤型閥排水，檢查攔污柵前無異物堵塞，排水后對流道進行全面檢查，未發現異物及流道異常情況，并手動開、關導葉，導葉動作靈活，檢查槳葉全開時開啟角度為36.06°，全關閉時角度為7°，滿足設計要求。槳葉及導葉無卡阻現象，不存在流道有異物及槳葉開度不滿足全開角度引起開度異常的情況。

2.2 調速器設置參數檢查

對調速器比例積分微分控制（PID）調節參數及調節死區等控制參數進行檢查，且經查閱調試報告，核對實際參數與試驗數據未發現異常情況，對導葉及槳葉開度采樣值進行檢查，并在相同工況（水頭與出力相同）下與其他兩臺投運機組進行比較，發現3號機組A套槳葉開度采樣值顯示為18 438，B套顯示為18 486，1，2號機組槳葉開度采樣值均在20 000以上。檢查調速器控制程序及邏輯無異常。

2.3 受油器操作機構檢查

在調速器電氣控制柜手動操作槳葉全開、全關，檢查操作油管與浮動瓦潤滑情況，檢查發現浮動瓦潤滑良好，無異響和卡阻現象，接力器杠與活塞動作正常。檢查受油器操作油壓為6.3 MPa，滿足設計要求，槳葉主配及管路無泄漏點，槳葉主配壓閥零位無漂移現象且鎖定螺母未松動。

2.4 槳葉反饋裝置檢查

拆除發電機上端罩，打開槳葉受油器上頂部油箱蓋，對槳葉開度反饋裝置進行全面檢查，分別檢查其加工尺寸及現場裝配尺寸，反饋裝置裝配尺寸檢查見圖1，槳葉開度反饋裝置見圖2。通過單獨手動操作槳葉全開、全關，記錄的槳葉開度在全關位置及全開位置開度數據，滿足設計圖紙要求;同時槳葉接力器行程為0～418 mm，滿足設計要求。在調速器電調柜手動操作槳葉全開、全關的過程中，檢查反饋裝置機械指針與調速器電調柜顯示開度的對應關系，發現調速器電調柜顯示的槳葉開度比實際機械開度大20%，即機械指針在80%時電調柜已顯示100%;多次手動操作槳葉全開、全關位置，發現彈簧偶發性出現卡澀，槳葉接力器缸行程反饋內油管與反饋裝置球接觸間隙為10 mm，手動向下按壓球，使其與內油管管帽頂部接觸，槳葉開度機械指針可達100%，考慮為彈簧卡澀或安裝高程偏差導致球與管帽接觸不穩定引起槳葉反饋信號失真。同時發現在槳葉關閉（內油管往上頂起體）的過程中，球越往上走（關槳葉），頂部螺帽與軸端的間隙越?。ㄍㄟ^現場用塞尺檢查，在整個行程中間隙最小值為1 mm）[2]。

2.5 導葉開度反饋裝置檢查

檢查反饋機械機構制造及安裝尺寸、傳感器輸出及反饋信號一直性、控制回路有無干擾及異常。因在1號機組調試階段發現，導葉開度反饋裝置接力器特殊的固定方式會導致在運行過程中接觸式傳感器位置偏移，在后續機組安裝過程中對傳感器進行了改造，將接觸式傳感器更換為拉繩式接觸器，并對傳感器支架進行了優化和加固，對3號機組導葉反饋裝置進行現場檢查，并對開度反饋信號及傳感器進行了檢查，未發現異?，F象。

2.6 協聯關系檢查

對調速器內部寫入的協聯關系數據進行檢查，通過抽檢3個水頭下的協聯關系，槳葉-導葉開度滿足廠家協聯關系計算書，檢查導葉及槳葉相關控制回路未發現異常情況。以上檢查基本排除了導葉開度反饋裝置引發故障的可能性，并判斷槳葉開度反饋裝置故障的可能性較大，隨即展開了進一步排查并驗證。

3 槳葉反饋裝置工作原理

轉輪槳葉的開、關由槳葉接力器杠體在額定壓力為6.3 MPa的壓力油作用下連接樞軸及轉臂帶動槳葉動作，接力器杠運行行程為0～418 mm，對應的槳葉開、關角度范圍為7°～36.06°[3]。槳葉開度反饋裝置主要由連接在轉輪活動部件接力器杠蓋的內油管隨槳葉主配開、關腔壓力油作用上下（往上運行為關閉、往下運行為開啟）往復運行，內油管頂部管帽與球接觸，內油管往上運行時會頂起球，內油管往下運行時，球因受彈簧拉力以軸端連接的回復軸為旋轉中心往下運行，回復軸的一端安裝槳葉開度機械指針可以直觀顯示出槳葉的實時開度，另一端安裝槳葉開度傳感器反饋輸出0～20 mA模擬量反饋給調速器控制系統，調速器控制系統對采集到的槳葉開度模擬信號進行處理后，對調速器進行協聯控制[4]。

4 原因分析及處理

4.1 原因分析

通過排查和綜合分析，判斷為槳葉開度反饋裝置在槳葉全關時因球與內油管頂部管帽接觸不良，導致槳葉真實開度未被槳葉開度傳感器反饋給調速器，從而導致調速器采集槳葉開度失真，造成了調速器協聯關系失真。實際上，調速器采集到的槳葉開度只有0～80%，而在協聯關系寫入調速器時，將0～80%的槳葉開度與0～100%的導葉開度進行了匹配，出現了在調試過程中槳葉開度接近100%且負荷加不上去的情況，即因為實際上槳葉開度最大只到80%，導致機組出力及效率均未滿足設計要求[4]。此現象也解釋了在機組100%甩負荷實驗時機組過速的問題。如果調速器未檢測到實際槳葉的全行程，那么槳葉關閉速度就會比設計值慢，而滿負荷時槳葉開度較大，所以在機組甩負荷時容易過速。

4.2 處理過程

檢查并徹底清理流道，確保機組尾肘管及蝸殼內清潔無雜物，避免因流道異物堵塞影響機組出力及效率;重新核對協聯關系導葉及槳葉開度對應關系及參數[5];對內油管頂部的管帽高度進行重新調整并鎖固，確保其在運行過程中與球充分接觸。同時，調整彈簧伸長量滿足彈簧拉力，以確保內油管向下運行時球與管帽充分接觸;對管帽倒角進行加工，將倒角弧度增大，以免長期運行后軸端與管帽間隙變小甚至相互干涉，引起反饋信號失真[6]。

5 調試與試驗

重新校驗并調整槳葉全開、全關時間，槳葉全開時間為39.4 s，全關時間為39.5 s，滿足設計及規范要求;重新對槳葉開度傳感器在槳葉全開和全開時反饋信號進行標定，多次手動開、關槳葉，確保槳葉開度與接力器行程、機械指示顯示一致;設置人工水頭，在不同水頭下靜態模擬導葉動作試驗，校核導葉-槳葉協聯關系，根據水輪機導葉槳葉協聯關系計算單隨機抽取不同的協聯點，給定導葉理論開度，檢查槳葉開度是否和理論開度數值吻合。經過試驗數據分析，導葉-槳葉協聯關系滿足設備廠家提供的協聯關系計算書要求。導葉-槳葉協聯關系驗證試驗數據見表1。

6 改進思路及防范措施

6.1 改進思路

優化改造槳葉開度反饋裝置，采集直線位移信號，以免反饋裝置機構失靈或故障導致采集開度信號失真從而引起機組協聯關系失真、機組出力不能滿發的現象，確保了機組穩定運行和效率，提高了設備運行的可靠性。

6.2 防范措施

在后續機組安裝、調試及檢修過程中對反饋裝置進行檢查并作動作實驗，確保制造和裝配尺寸符合設計圖紙要求。在機組定期檢修時，打開上油箱油箱蓋對反饋裝置機構進行檢查，應重點檢查彈簧及管帽與球的接觸情況，避免因長時間運行導致反饋機構磨損（球體與管帽產生間隙）造成采樣信號出現偏差;在運行過程中，加強對槳葉開度的監視，經?，F場檢查槳葉電調柜開度和機械指針開度的一致性，若發現異常情況，應及時采取措施并進行處理[7]。

7 結 語

軸流轉槳式水輪機組槳葉開度異常的原因很多，因槳葉開度反饋裝置導致的開度異常作為軸流轉槳式機組中的典型故障，需要從多方面入手進行排查和驗證，從而進行故障排查及處理。應全方位展開分析和排查，從各系統分專業進行排除，最終找到問題的根本。本次故障的成功處理，保證了機組安全穩定運行及電站的經濟效益，并為設備制造廠家提供了優化設計思路，可為同類型機組類似故障的處理提供參考。

參考文獻：

[1] 張晗，蘭宇. 軸流轉漿式水輪發電機組槳葉動作不穩定原因分析[J]. 云南水力發電，2021，37（5）：119-122.

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[3] 梁亞房. 水輪機槳葉突然失控的原因及處理[J]. 電力安全技術，2007（6）：44-45.

[4] 陳立. 水輪發電機組槳葉故障原因分析及處理[J]. 水電站機電技術，2021，44（3）：44-46.

[5] 畢瑛. 軸流轉槳式水輪機槳葉卡阻原因分析和故障處理[J]. 大電機技術，2008（6）：53-55.

[6] 吳勇，張廣濤，李宏偉. 尼爾基發電廠軸流轉槳式水輪機槳葉頻繁抽動的分析及處理[J]. 華北水利水電學院學報，2012，33（4）：65-67.

[7] 林家洋，陶紅，黃建熒，等.? 新型槳葉反饋技術在軸流轉槳式水輪機上的應用[C]//中國水力發電工程學會信息化專委會、水電控制設備專委會2013年學術交流會論文集. 北京：中國水力發電工程學會，2013：318-321.

（編輯：唐湘茜）

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