安康水力发电厂3号机组泄水锥脱落原因分析

周少兵

(安康水力发电厂，陕西 安康 725000)

安康水力发电厂3号机组泄水锥脱落原因分析

周少兵

(安康水力发电厂，陕西 安康 725000)

通过对3号机组水导摆度数值的分析，提出泄水锥脱落是造成机组各部摆度、振动增大的主要原因，并通过机组在线监测系统数据分析，推断出泄水锥脱落的具体时间，指出泄水锥脱落是由于设计缺陷、安装质量问题、运行方式不合理、监测手段不完善、检修人员经验不足、分析处理问题能力不强等几方面原因导致的，并提出了针对性的防范措施。

水导摆度；泄水锥；在线监测系统；防范措施

安康水电厂机组为混流式，总装机容量为4×200 MW+1×5.25 MW，转轮型号为HL220-LJ-550。1990年12月首台机组发电，1992年12月全部机组投产发电，主要担负着系统的调峰、调频和事故备用任务。

为了掌握机组的实时状态信息及推行状态检修，3号机组于2008年安装了1台机组状态监测系统PSTA2003。状态监测系统投运后，对机组振动摆度等内容的监测取得了较理想的效果。通过分析状态监测系统提供的数据，可推断出3号机组于2012年3月发生了泄水锥脱落故障。

1 泄水锥脱落过程

2011-08-05，运行人员发现3号机组在线稳定性监测系统3号机水导摆度增大：X向547μm， Y向801μm。随即监视3号机水导瓦温为43 ℃。因当时机组在汛期满大负荷运行，所以没有立即停机检查，而是注意监视3号机组水导瓦温不超过规定，水导摆度不超过900μm。2011-11-04，3号机组小修，经调整水导瓦间隙及机组中心轴线后测量水导摆度：X向320μm，Y向340μm。水导摆度与之前相比明显降低。2012-07-02，又发现3号机水导摆度增大：X向480μm，Y向535μm。2013年3月份，在3号机大修时打开蜗壳及尾水管人孔门检查，发现3号机泄水锥脱落，至此3号机水导摆度增大的原因才得以弄清。

2 在线监测系统数据分析

2010—2012年导轴承摆度和顶盖水平振动的变化趋势如表1所示。

表1 2010—2012年导轴承摆度和顶盖水平振动的变化趋势

2.1 数据特征

对表1和水导摆度波形、频谱和轨迹图中导轴承摆度变化趋势，水导摆度的波形、频谱和轨迹，以及相关的数据进行分析，可以得出以下几点特征判断。

(1) 将3号机目前状态检测数据与2009年机组大修后150 MW工况下水导摆度(X向200μm，Y向210μm)数据(现场百分表测量)相比较，发现机组水导摆度在相同工况下有增加的趋势，Y向摆度值已超过标准允许最大值。其他各测点摆度、振动、温度正常。

(2) 2012-03-02，3号机组带200 MW负荷时，顶盖水平振动突然增大许多，同时水导摆度相位、顶盖水平振动相位发生突变。

(3) 3号机组在空载、开机或停机时，水导摆度、上导摆度明显增大，而摆度振动的主要成分均为一倍频，说明存在水力不平衡的情况。

(4) 水导摆度较大且继续不断变大，而瓦温基本不变，可以断定水导抗重螺栓在松动，轴瓦间隙在不断变大。

2.2 数据分析结论

(1) 3号机泄水锥脱落的时间应该在2012-03-02开机过程中机组带满负荷运行期间，强大的水流将脱落的泄水锥冲入尾水渠内，尾水管里衬并没有因为冲撞破坏(事后检查尾水管并没有损伤)。

(2) 泄水锥脱落后，顶盖水平振动的一倍频幅值及其相位发生突变。水导摆度持续增大且其相位突变，相位变化量大于100°。

(3) 机组在开机启动时，随着转速的升高，水导、顶盖、上导摆度急剧增大。在低负荷运行工况下，机组振动明显。

(4) 泄水锥与转轮上冠固定螺栓个别先松动或断裂，机组存在水力及机械不平衡的因素，是水导摆度一直增大的根本原因。随着长时间低负荷振动区的运行，最终因水力振动产生交变应力，螺栓发生疲劳破环而全部断裂，从而导致泄水锥脱落。

3 泄水锥脱落原因分析

3.1 设计缺陷

泄水锥与转轮上冠之间采用普通螺栓连接，把合孔钻好后未做进一步处理。这样，螺栓拧紧后可能存在一定的间隙，从而使螺钉承受附加弯曲应力，由于强度不够，最终导致螺栓断裂。

3.2 安装质量问题

螺栓在拧紧后未采取加装锁定、点焊等止退措施，同时转轮上冠与泄水锥接合面未采用连续焊缝。当水力压力脉动加剧产生共振时，引起泄水锥固定螺栓松动；螺栓松动后转轮上冠与泄水锥仅靠它们之间的间断焊缝连接，且焊缝本身存在局部应力，经过一段时间运行后致使间断焊缝开裂；在间断焊缝开裂后泄水锥因水力振动产生交变应力，螺钉发生疲劳破环而断裂，最终导致泄水锥脱落。

3.3 运行方式不合理

安康水电站机组主要承担系统调峰、调频及事故备用任务，机组开、停机频繁且经常在振动区内运行(1～4号机组振动区负荷为0～100 MW，低水头情况下为120～150 MW)。在此种运行工况下，由于转轮出口处的旋转水流及漩涡脱落和气蚀等影响，在尾水管内会引起水压脉动。尤其是在尾水管内出现大涡带后，涡带以接近固定的频率在管内转动，引起水流低频压力脉动，从而引起尾水管壁、转轮、导水机构、蜗壳的振动，机组水导轴承、顶盖摆度增大。当其频率与发电机或电力系统的自振频率接近时，发生共振，最终导致泄水锥固定螺栓松动、焊口开裂。

3.4 监测手段不完善

安康水电站状态在线监测系统PSTA2003在泄水锥脱落后，机组水导摆度增大的情况下，没有发告警信号。

3.5 检修人员经验不足，分析处理问题能力不强

运行人员发现3号机组水导摆度增大，却未做进一步分析处理，只是采用停机调整机组轴线及水导瓦间隙的方法来消除水导摆度的增大，未从根本上解决问题。另外，机组在春季进行过流部件检查时，运行人员也未及时发现机组泄水锥脱落故障。

4 处理及防范措施

(1) 3号机组更换新的泄水锥，所有固定螺栓内螺纹涂抹天山螺纹锁固剂防松动。螺母锁紧后在其后面增加双螺母锁锭。

(2) 在泄水锥与上冠内外部结合处连续多层焊接，在每个M42把合螺栓与上冠之间、螺母与螺母之间、螺母与螺杆头部之间分别电焊牢固。

(3) 改变机组运行方式，尽量避免机组在振动区运行，机组开机或停机操作时，采用“手动”快速加或减负荷，以减少压力脉动对水机部件的损坏。

(4) 机组在做甩负荷、过速试验后，或机组事故停机后，应及时检查水导摆度。

(5) 定期检查。将泄水锥检查列为小修项目，每年春、秋季小修时对泄水锥各部螺栓及焊点进行检查，及时发现缺陷，及时处理。

(6) 完善其他机组的状态监测系统PSTA2003。将机组状态监测系统PSTA2003接入计算机监控系统，按照规程规定当机组摆度超过允许值时，系统应作用机组停机。另外，将状态监测系统列为运行日常巡视、检查工作项目，以便及时、准确地监测到机组摆度数值。

2013-11-02。

周少兵(1972-)，男，工程师，高级技师，主要从事安康水电厂运行工作。