水泵水轮机控制环窜动原因分析及处理

李永红，朱海峰，赵 浩，祁亚静，胡立昂，陈 超

（河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北 石家庄 050300）

水泵水轮机控制环窜动原因分析及处理

李永红，朱海峰，赵 浩，祁亚静，胡立昂，陈 超

（河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北 石家庄 050300）

主要是结合生产实际分析水泵水轮机控制环在工作中出现窜动的原因，在不需要对设备解体的情况下找到问题所在并及时处理。

水泵水轮机；控制环；窜动；导叶接力器

1 电厂概况

张河湾抽水蓄能电站位于河北省石家庄市井陉县测鱼镇附近的甘陶河干流上，距石家庄市公路里程77 km。该电站总装机容量为1 000 MW，安装4台单机容量250 MW的单级混流可逆式水泵水轮机组。电站额定水头305 m，电站综合效率系数为0.76。电站建成后接入冀南电网，在系统中承担调峰、填谷、调频、调相及事故备用任务。

2 4号机组水泵水轮机控制环窜动现象

在4号机组停机过程中发现导叶关闭时间比正常关闭时间长50 s左右，随即对其进行处理分析，即在静水情况下开启关闭导叶，开启过程正常，当导叶关闭至3%左右开度时，水车室控制环附近能听到间隔的较大的沉闷的金属撞击声和强烈的振动感，控制环沿转动的方向出现3 mm至6 mm不等的窜动。由于声波在金属中传播很快，故无法判断声源和振动源。

3 水泵水轮机控制环窜动分析及试验结论

从上述现象可以初步确定其原因：一是控制环自身或连接机构存在问题，二是接力器本体存在问题。

3.1 对控制环自身及其连接结构进行分析试验

（1）控制环结构简介

4号机组控制环是安装在顶盖表面的“L”型支承板上，支承板在圆周方向均匀分布着8块，支承板与控制环的接触面安装有润滑板，安装在支承板上的压板限制控制环轴向位移。20个导叶通过连杆与控制环相连，控制环通过上下连扳、圆柱销与接力器相连（见图1）。

控制环转动过程中的受力：1）自身重力；2）导水机构的反作用力；3）周向的摩擦力；4）接力器的作用力；5）L型支承板的作用力；6）压板的作用力等。

图1 控制环与顶盖剖面图

（2）检查控制环及其相关连接部件外观

首先对控制环与支承板、压板之间的接触面进行检查，未发现明显的磨损、碰撞、凹凸不平的痕迹；其次对控制环与连杆的连接部位、活动导叶与连杆连接部位、活动导叶本体等结构进行检查，也未发现任何的磨损、卡涩等现象；然后对控制环与接力器之间的连接机构进行检查，也未发现任何异常现象。

（3）测量控制环与压板、支承板之间的间隙值及其轴向、径向位移

对4号机静水开启、关闭导叶，用塞尺测量不同开度下控制环与压板，支承板之间的上、下端面及立面的间隙变化数据。并通过在轴向+X、+Y、-X、-Y，径向+X、+Y方向架设百分表对控制环进行监测。分别在不同开度（0，1%，2%，3%，5%，10%，5%，3%，2%，1%，0）情况下读取轴向和径向百分表数据，测量过程中发现轴向和径向百分表瞬间变化幅度较大，当开度不变后数据也会趋于稳定，在开启方向开度大于3%左右后数据基本不变，关闭方向开度小于3%左右后数据变化明显。上、下端面及立面的间隙数据变化虽然较大，但是所测量数据都满足安装工艺要求的数值。

（4）测量接力器推拉杆的水平度

我厂接力器从投产以来从未对接力器进行解体检修，故怀疑长时间运行会导致水平度不满足要求。经过检查发现两个接力器的推拉杆水平度满足要求。

（5）结论

从以上检查和测量结果分析，可以得出产生控制环窜动的直接原因不是控制环发生机械卡涩。

3.2 对接力器本体结构进行检查分析

通过以上的试验及测量结果得出的结论分析，可以初步确定是接力器本体存在问题，下一步将从接力器的操作油回路和结构进行分析试验。

（1）接力器简介

接力器由法国阿尔斯通公司提供，每台机组配备2台直缸式接力器，均安装于上游机坑里衬上。接力器工作油压为6.4 MPa，行程为420 mm。左接力器配备一套液压自动锁定装置，右接力器配备一套手动锁锭装置。左接力器的开启腔和右接力器的关闭腔共用一路油管，左接力器的关闭腔和右接力器的开启腔共用另一路油管，两路油管既可供油，又可排油。每台接力器都配备一套调速节流装置，左接力器的调速节流装置安装于开启腔侧，右接力器的调速节流装置安装于关闭腔侧，当导叶接近关闭时，它能减慢接力器的动作速度。调速节流装置可以从接力器外部进行调节控制关闭速度（见图2）。

图2 接力器与控制环示意图

（2）接力器的操作油回路检查

当两接力器的操作油压不一致时会使接力器出现不同步动作，这样控制环就会出现窜动和异常声响。为了验证两个接力器开启腔、关闭腔的压力是否正常，首先我们分别在两接力器的开启腔和关闭腔外接4个相同的压力表；其次在静水状态下开启导叶至全开，发现左接力器关闭腔（或开启腔）与右接力器开启腔（或关闭腔）的两块压力表变化基本一致；最后关闭导叶至全关，在关闭过程中压力表变化基本一致，当出现控制环窜动和异响的同时左接力器开启腔与右接力器关闭腔的压力表发生异常变化，即左接力器开启腔的压力降为0 MPa，右接力器关闭腔的压力会增大到11 MPa，并且会随着控制环的窜动而波动。

以上试验可以说明在关闭最后阶段左、右接力器的受力明显不等，由于左接力器开启腔和右接力器关闭腔此时都在排油，这就不难得出右接力器关闭腔增大到11 MPa是由于其排油不畅造成的，故可以初步判定是右接力器存在问题。

（3）确定右接力器存在问题

为了进一步确定是右接力器的原因，把控制环与右接力器连接的连扳解开，然后用左接力器去推拉控制环，发现控制环未发生窜动和异响。可以肯定控制环的异响是由于右接力器存在问题造成的。

（4）右接力器问题查找

结合上面试验和右接力器结构分析，唯一可能导致右接力器关闭腔最后阶段排油不畅的原因是调速节流装置油路堵塞。

通过对右接力器结构（见图3）的进一步分析，发现调速节流装置的功能是通过调节锥形螺杆改变截面积来实现的，接力器活塞与缸壁之间的密封不断摩擦会产生粉末，粉末随着油流流过节流装置时就会容易堵塞，久而久之会形成大量的油泥直至堵塞节流处。

图3 右接力器结构示意图

4 解决措施及验证

经过多次对调节螺栓的调整，增大节流横截面，调整完毕后进行导叶静水开启关闭试验，并对左、右接力器的开启腔和关闭腔压力进行观察，直至接力器在关闭时控制环无窜动和异响，然后对接力器的工作性能进行负载试验。

4.1 逐步变化负载

负载分别是：150 MW，200 MW，250 MW，240 MW，190 MW，140 MW，100 MW，90 MW。

图4 左、右接力器开启腔压强

图5 左、右接力器关闭腔压强

图6 左、右接力器行程

从图4～图6可以得出：两个开启腔压力基本一致，两个关闭腔压力基本一致。

4.2 连续变化负载

机组启动到额定速度空载工况，然后连续的缓慢的把功率从空载慢慢加到满载，再减少到空载，并关闭机组。

（1）连续升负荷从90 MW到250 MW；

（2）连续降低负荷从250 MW到150 MW然后正常关机。

从图7～图11可以得出：除了完全关闭前的一个阶段，两个开启腔压力基本一致，两个关闭腔压力基本一致。

图7 左、右接力器腔压强

图8 左、右接力器行程

图9 左、右接力器开启腔压强

图10 左、右接力器关闭腔压强

图11 左、右接力器行程

4.3 验证结果

对于左、右接力器的开启腔压力，不一致仅发生在完全关闭之前，这是由于左边接力器有调速节流装置的原因，是正常的并与设计一致；对于左、右接力器的关闭腔压力，不一致发生在100%开度，机组在实际带负荷运行时达不到这种开度，从带负荷试验中，我们也可以看出两个接力器是一致的。所以接力器工作性能满足运行要求。

5 结语

目前绝大多数抽水蓄能电站所用的导叶接力器都大同小异，每个接力器上都会有与我厂相同原理的调速节流装置，这就有可能出现与我厂类似的问题，而且由于正常停机过程中关闭导叶时间很短，又有噪声影响，即使接力器存在同样的问题也不易发现，我厂出现的问题为同类电站敲响了警钟。为了避免对设备造成损坏，产生不必要的经济损失，需要在今后的检修工作中对接力器进行解体，清理缸体内的杂质，并且也要对调速节流装置和油路进行冲洗，这样才能保证机组安全、稳定运行。

TV734

B

1672-5387（2016）12-0060-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.12.022

2016-08-29

李永红（1986-），男，助理工程师，从事抽水蓄能电站运维管理工作。