五强溪保安机组尾水闸门跌落故障分析及处理

杜凯堂

(五凌电力有限公司五强溪水电厂，湖南 长沙 410000))

五强溪保安机组尾水闸门跌落故障分析及处理

Analysis and treatment of tail gate abnormal shutdown for Wuqiangxi security unit

杜凯堂

(五凌电力有限公司五强溪水电厂，湖南 长沙 410000))

通过对五强溪电厂某保安机组的故障分析和对尾水闸门的实际运行情况的分析，指出尾水闸门提升拉杆上的联接柱销与装配孔配合间隙过大是造成故障的主要原因，并提出了快速处理方案、改进措施。

尾水闸门；故障关闭；快速处理方案

2014年4月3日，五强溪水电厂保安机组C级检修完成后首次开机，在开机过程中发现，机组不能达到额定转速，部分设备损坏。经过检查，发现尾水闸门在机组开机过程中跌落至底，将尾水管出水口封堵。这种故障比较罕见，为便于对水电厂类似故障处理，文中对故障分析及处理情况进行总结。

该水轮发电机组单机容量为15 MW，水轮机为混流式，型号为:HLA551－LJ－210〔1〕。发电机为悬式，型号为:SF15－22/4250〔2〕。水轮发电机组的结构与国内一般立式混流式水轮发电机组类同。

水轮发电机组及流道均布置在水库溢洪道的下方。

1 故障分析及处理过程

1.1 故障发生过程

2014年4月3日，上游水库水位▽101.41 m，下游尾水位▽54.13 m。当日10时06分，机组C级检修完成后首次开机，采用手动开机方式。当导叶开度至25%时，发现机组转速上升较慢，至215 r/min时转速不能再上升，达不到额定转速272.7 r/min；同时，机组启动1 min后，发电机轴上端法兰处喷水。操作人员立即对机组进行事故停机操作，关闭水轮机导叶，机组正常停机。同时对机组设备进行了外观检查，发现发电机轴上端与补气阀下面之间的大轴短管法兰处橡胶密封垫被冲出，水轮机补气阀部分固定螺栓被冲断，其它设备未发现明显异常。

1.2 故障分析及检查

专业人员对故障的原因进行了分析。对发电机轴上端法兰平板橡胶密封垫可能损坏的原因分析如下:运行工况是下游尾水位为▽54.13 m，发电机轴上端法兰密封垫处高程为▽58 m，正常情况下密封垫不可能损坏。专业人员有2种不同的看法:第一种观点是密封垫老化导致故障，理由是:机组已运行10多年，同时机组安装时整体质量不佳，因此密封垫老化的可能性较大。第二种观点是巨大的压力将密封垫冲出导致故障。理由是:发电机轴上端法兰间的密封垫压紧力较大，机组正常运行时，水不会到达密封垫处，即使老化，密封垫也不会从法兰处冲出；同时，在机组的前期运行中，当尾水位超过▽58 m时，曾发生过一次大轴补气阀往外喷水的事件，密封垫没有损坏，这次下游尾水位为▽54.13 m，低于▽58 m，更加不具备密封垫损坏的条件，密封垫损坏的原因只能是，有一股巨大的压力水将密封垫从法兰间快速冲出，造成密封垫损坏。并认为形成巨大压力水的原因有:1)调速器调节参数发生变化或手动开机操作方式不当，形成巨大的水击压力；2)尾水管流水不畅，蜗壳内的水流到转轮室后，压力能没有转化为动能〔3〕，使发电机轴上端密封垫处压力过大。上述2种原因都可能存在。

对于大轴补气阀基础螺栓被冲断的原因，也有机组运行或启动过程中损坏的可能。

机组开机不能达到额定转速可能的原因有: 1)机组进水口堵塞使压力钢管内的水流量不够，以前发生过由于机组进水口堵塞，机组负荷带不上去的情况；2)尾水管内有堵塞物存在，水不能正常流出；3)导水机构故障，机组启动过程中导叶没有打开。

针对这3种情况，确定做下列检查:1)调速器参数检查；2)导水机构检查；3)机组进水口检查；4)机组尾水渠及尾水闸门检查。以上检查完成后，未发现设备缺陷。

由于尾水管及尾水渠检查困难较大，决定先对机组进行启动试验，检查有关运行参数，再次分析尾水渠及尾水管是否存在缺陷。

由于不能排除尾水系统的故障，为保证设备安全，机组再次启动时，缓慢开启水轮机导叶，同时密切观察流道系统的压力参数。

再次进行机组启动试验检查，当水轮机导叶开度开到20%后，机组转速较慢，到215 r/min后转速不再上升，机组运行情况与第一次启动时相似，但发电机上端补气管未发现有喷水现象。这次开机重点观察了机组的相关水压力参数。导叶开度在20%时，尾水肘管压力为0.2 MPa，机组正常运行时，这个压力应该为0。蜗壳末端压力表显示为0.2 MPa，与尾水管肘管压力表相同，上述水压力数据说明，尾水管或尾水渠发生了堵塞。

潜水员下水检查后，发现尾水闸门在全关位置，尾水闸门与拉杆脱开，拉杆损坏。

机组正常运行时，尾水闸门是通过一拉杆悬挂在尾水渠内。拉杆与尾水闸门的连接结构如图1。

图1 尾水闸门与拉杆联接图

为了查出拉杆损坏、尾水闸门下落等原因，对拉杆和尾水闸门又进行了全面检查。对尾水闸门上部与拉杆联接处检查后，发现联接柱销悬挂在闸门的吊耳上，尾水闸门上部联接处无损坏。对拉杆进行检查，发现拉杆叉头的一侧已断裂，锁定联接柱销的2块锁定板与销接触部分已完全磨掉。经查阅相关图纸，尾水闸门拉杆与联接柱销的配合为Ф120H11/C11，设计最大间隙为＋0.620 mm，设计最小间隙为＋0.180 mm。根据设备安装和检修中的实际情况，对于基本尺寸为Ф120的联接柱销，这种配合间隙较大，联接柱销在尾水闸门拉杆的装配孔中很容易滑动。保安机组正常运行时，尾水闸门浸泡在下游尾水渠中，尾水闸门经常摇晃振荡，导致尾水闸门与拉杆的联接柱销在拉杆的装配孔中滑动，联接柱销与锁定板产生碰撞、摩擦，久而久之，联接柱销失去锁定，从拉杆的装配孔中滑出，尾水闸门与拉杆分离。

根据分析得出:在机组启动中，联接柱销完全松脱，尾水闸门突然下落，由于水锤的作用，在机组补气管内形成巨大的压力，将发电机轴上端法兰间的平板橡胶密封垫冲出，并同时将位于发电机轴顶端的补气阀基础螺栓冲断。

1.3 故障处理方案

由于下游尾水位较高，拉杆与尾水闸门的联接部位位于水下，需要潜水员才能完成联接操作。为不影响机组尽快并网发电，将制定了一个快速处理方案。对联接装置进行了临时改进，将联接柱销的锁定板改在联接柱销上，将1个长条形板用螺栓固定在联接柱销的端面上作为临时锁定措施 (联接示意图如图2)，尾水闸门提升后，机组一次启动成功。

图2 尾水闸门与拉杆临时联接图

2 建议

1)由于五强溪保安机组尾水闸门的运行环境不佳，在机组运行时，尾水闸门浸泡在尾水中，经常处于微振荡状况，提升拉杆与尾水闸门的联接结构必须十分可靠。通过上面的分析，目前联接柱销与拉杆的装配孔间隙太大，应该选择一个合适的数据。根据安装经验，对于Φ120的基本尺寸，配合间隙宜选择IT8〔5〕，配合间隙0.063 mm，比现在的设计值 (0.180～0.620 mm)，明显偏小。

2)不论是机组进水口平板闸门还是机组尾水平板闸门，对于类似的结构，应定期检查联接柱销的状况和锁锭板的完好情况。有疑问时应及时加固或更换。

3)在水电厂类似平板闸门结构中，不能为了检修的方便，随意加大拉杆柱销装配的配合间隙。

3 结束语

在水力发电系统中，尾水闸门的异常下落是很罕见的，目前公开的文献中，没有见过相关报导。

在水力管道系统中，如果水流速度突然发生改变，会在压力管道内产生水击现象。水击压力的大小与管道内的水流流量、初始速度、管道长度、水流速度改变的时间密切相关。流量越大、初始速度越高、管道越长产生的水击压力越大〔4〕。

2014年4月五强溪保安机组尾水闸门故障异常跌落故障发生在机组C级检修完成后的首次开机，管道系统的流量不大，流速不快，产生的水击压力相对较小。但仍使发电机轴上端法兰平板橡胶密封垫被冲出、大轴补气阀部分固定螺栓被冲断。如果机组运行在大负荷高水头工况，水击力将增大数倍以上，可能会造成水轮机顶盖损坏。因此机组运行时，尾水闸门的可靠固定非常重要。如果机组进水口工作闸门快速下落，仅仅甩掉机组所带负荷，发电设备影响不大。而尾水闸门在运行中突然关闭，可能会造成严重设备损坏乃至水淹厂房等严重后果。因此，为机组运行安全稳定运行，一定要重视尾水闸门提升拉杆联结结构的设计和运行维护工作。

〔1〕哈尔滨电机有限责任公司.水轮机结构设计说明书〔S〕.1997.

〔2〕哈尔滨电机有限责任公司.发电机设计说明书 〔S〕.1998.

〔3〕刘大凯.水轮机 〔M〕.北京:水利水电出版社，1997.

〔4〕赵振兴，何建京.水力学 〔M〕.北京:清华大学出版社，2010.

〔5〕方昆凡.公差与配合实用手册 〔M〕.北京:机械工业出版社，2012.

10.3969/j.issn.1008-0198.2015.01.011

TK730.8

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1008-0198(2015)01-0042-03

杜凯堂 (1962)，男，高级工程师。长期从事水电厂机电设备维护及技术管理工作。

2014-09-10