水輪機調(diào)速器低頻振動故障分析與處理

周 伍，董文婷

(長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

葛洲壩電站12號機組屬大型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組，單機容量150 MW，設(shè)計水頭18.6 m，額定轉(zhuǎn)速62.5 rpm。調(diào)速器為能事達公司W(wǎng)BST-150-4.0型微機步進電機式導(dǎo)輪葉雙調(diào)節(jié)調(diào)速器(見圖1)，采用步進電機+主配壓閥的結(jié)構(gòu)形式，主配直徑150 mm，系統(tǒng)額定油壓4.0 MPa，是帶機械位移反饋的二級調(diào)速系統(tǒng)，其導(dǎo)葉、輪葉機械位置信號均采用鋼絲繩反饋，通過杠桿作用在引導(dǎo)閥上實現(xiàn)機械自復(fù)中功能。

圖1 調(diào)速器輪葉側(cè)結(jié)構(gòu)示意圖

1 故障現(xiàn)象

葛洲壩電站12號機組在年度例行檢修后，進行調(diào)速器動作試驗時，發(fā)現(xiàn)每次操作輪葉時，輪葉側(cè)主配壓閥均出現(xiàn)持續(xù)的低頻抽動現(xiàn)象，并引發(fā)輪葉側(cè)引導(dǎo)閥及杠桿、反饋裝置、調(diào)速油管路乃至機頭受油器處均出現(xiàn)3 Hz左右共振，且各部位振動幅度較大，必須通過動作手操機構(gòu)，在反饋杠桿處施加作用力，方能遏制振動。

2 故障檢查與分析

經(jīng)過試驗確認，輪葉側(cè)出現(xiàn)低頻共振的概率約在70%左右，與操作平穩(wěn)性有一定關(guān)系，在輪葉極限位置更容易引發(fā)共振，而導(dǎo)葉側(cè)多次試驗未出現(xiàn)此類現(xiàn)象?，F(xiàn)場檢查了輪葉反饋鋼絲繩、導(dǎo)向滑輪以及重錘均在正常工作位置，輪葉引導(dǎo)閥、主配壓閥以及杠桿導(dǎo)向桿均能夠靈活動作，未見調(diào)速器機械部件存在異常情況[1]。

由于修前無類似缺陷的記錄，而本次檢修工作中更換了調(diào)速器輪葉側(cè)屈服連桿內(nèi)的彈簧，增大了彈簧K值以提高調(diào)速器響應(yīng)速度和自復(fù)中能力，故初步分析是因為更換屈服彈簧降低了輪葉調(diào)速器的緩沖能力，調(diào)節(jié)過程中產(chǎn)生了液壓沖擊引發(fā)共振?；诖朔治?，調(diào)低屈服彈簧預(yù)緊力無果后，回裝了原屈服機構(gòu)組件，但輪葉操作試驗仍出現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)共振[2]。

多次試驗過程中，我們注意到，機組機頭罩受油器處共振幅值達2 mm左右，而且偶爾出現(xiàn)的正常無共振操作中，在輪葉調(diào)節(jié)啟動和停止的瞬間，機頭罩及受油器也有一定程度的振動。經(jīng)過甄別，在無共振操作中，輪葉操作油管的振動，越靠近受油器處越強烈，靠近主配壓閥側(cè)反而幾乎無振動，因而推斷每次操作受油器處產(chǎn)生了異常振動，并且向外部傳導(dǎo)[3]，這是否會是調(diào)速器共振的激振源呢？

現(xiàn)場檢查我們發(fā)現(xiàn)，雖然輪葉反饋裝置自身工作狀態(tài)正常，但有2個反饋鋼絲繩的導(dǎo)向滑輪安裝在受油器外罩上(見圖2)，在每次輪葉操作過程中，受油器外罩振動都會直接帶動導(dǎo)向滑輪振動，從而造成鋼絲繩位置反饋信號發(fā)生變化，一旦這種變化超出了整個反饋裝置的死區(qū)范圍，就會拉動輪葉引導(dǎo)閥偏離中間位置，啟動一次反方向的輪葉位置調(diào)節(jié)。而由于每次受油器罩的振動速度極快，其所引發(fā)的位置反饋信號變化比較激烈，一旦變化量突破反饋裝置死區(qū)，則引發(fā)的引導(dǎo)閥回調(diào)表現(xiàn)也較激烈，必然造成受油器的再次反向大幅振動，從而形成“受油器→反饋裝置→調(diào)速器→受油器”的一個循環(huán)，形成低頻共振[4]。

在多次試驗中，這一低頻共振的傳遞路徑分析得到了反復(fù)驗證。

圖2 輪葉受油器結(jié)構(gòu)圖

3 故障處理

顯然，根據(jù)我們的故障分析，消除調(diào)速器低頻振動缺陷的重點在于遏制每次輪葉調(diào)節(jié)過程中受油器的初始振動。

實際上，我們從圖2輪葉受油器結(jié)構(gòu)圖上可以看出，輪葉操作過程中，受油器必然會受到液壓油沖擊，并產(chǎn)生一定的振動，尤其是輪葉開啟動作時，受油器整體受向上的液壓力沖擊最大。但根據(jù)我們多年運行經(jīng)驗，通過機組調(diào)速器的系統(tǒng)設(shè)計以及受油器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，這一沖擊引發(fā)的振動幾乎控制在了不可人為感知的范疇內(nèi)[5]。為什么12號機組在每次輪葉操作中受油器處都產(chǎn)生如此明顯的振動呢？

據(jù)觀測，機組上機架在受油器初始振動中穩(wěn)定性良好，為此，我們檢查了受油器底部與上機架之間的把緊螺栓。發(fā)現(xiàn)受油器底部的24個M30螺栓出現(xiàn)了嚴重的松動情況，最大松動量達到約3 mm(見圖3)。

圖3 受油器底部把緊螺栓松動情況圖片

初步緊固受油器底部把緊螺栓后，重新進行輪葉操作試驗，并且重新安裝了新的屈服連桿組件，受油器初始振動控制良好，未再次出現(xiàn)調(diào)速系統(tǒng)共振情況，這也直接證明了故障分析和處理的思路是正確的。

為了進一步明確受油器把緊螺栓松動的原因，我們逐個檢查了把緊螺栓，發(fā)現(xiàn)大部分尼龍絕緣套的肩部都存在壓損情況，個別甚至已經(jīng)完全破裂分離，對此我們更換了該部位全部絕緣套，新絕緣套選用了更高強度的環(huán)氧材質(zhì)。

據(jù)此我們還排查了其他機組相同部位絕緣套以及把緊螺栓的運行情況，發(fā)現(xiàn)該部位絕緣套主要采用了尼龍和環(huán)氧兩種材質(zhì)，其中幾臺采用尼龍材質(zhì)絕緣套的機組，部分存在類似12號機組的絕緣套壓損、螺栓松動的情況(見圖4)，為此我們安排了擇機統(tǒng)一處理。

圖4 尼龍絕緣套受損情況圖片

4 結(jié) 語

葛洲壩電站12號機組受油器把緊螺栓使用的尼龍絕緣套運行時間過長，在受油器長期沖擊振動下加速損壞，恰逢在本次檢修中更換輪葉側(cè)屈服連桿后，調(diào)速器自復(fù)中能力提高、緩沖能力下降，輪葉操作試驗時開始出現(xiàn)低頻共振，更加劇烈地破壞尼龍絕緣套，導(dǎo)致即使恢復(fù)原屈服連桿后，調(diào)速器輪葉側(cè)仍然出現(xiàn)嚴重的低頻共振。通過更換絕緣套、緊固受油器把緊螺栓，順利消除了此項故障。

調(diào)速系統(tǒng)對整個水輪發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行至關(guān)重要，此次葛洲壩電站12號機組例行檢修中，及時發(fā)現(xiàn)并消除了調(diào)速器輪葉側(cè)低頻共振這一重大故障，有效保障了調(diào)速系統(tǒng)乃至整個機組的安全穩(wěn)定運行。整個過程思路清晰、判斷準確、行動迅速，排除了屈服連桿等干擾信息，找到了“受油器→反饋裝置→調(diào)速器→受油器”的共振循環(huán)機理，查明了受油器異常振動的原因，并在全站范圍內(nèi)進行相關(guān)設(shè)備的普查并安排處理，一定程度上體現(xiàn)了電站的設(shè)備管理水平，其中的思路與方法以及發(fā)現(xiàn)的問題，值得同類型電站參考、借鑒。