轴流转桨式机组桨叶抽动及供油泵频繁启停浅析

时志能

（大唐水电科学技术研究院有限公司，广西 南宁530007）

1 故障概述

某水电站主要由左岸土坝、左岸船闸、左岸发电厂房、溢流坝、左右岸接头坝和开关站等组成。厂房内装设有4台150 MW轴流转桨式机组；水轮机型号ZZA814a-LH-1040，额定水头19.5 m，最低水头8.65 m，最高水头41.5 m，额定转速62.5 r/min，额定流量864.9 m3/s。调速器型号YZ-40/2-6.3-GK-1-04，其工作油压 6.3 MPa。

主汛期，全厂机组均处于自动状态运行，运行人员监测到2号机组油压装置供油泵频繁启动，其启动频率约为正常运行的4～6倍；调速系统液压油油温升高且保持在54℃左右，比正常运行油温增长约35%；同时，桨叶还存在约15 s的抽动间隔。经电厂核查，调速器在自动方式下，通过受油器上油箱观察孔观测到箱内有较大油液外涌；将桨叶和导叶均切机手动后，导叶开度保持不变，桨叶径直往大开度方向漂移，至满开度后桨叶未再发生抽动。经查看下游尾水水面及液压油管路，其总油量未发生泄漏。

由于全流域处于泄洪状态，考虑到停机会带来较大的电量损失，在保证机组振动和摆度未发生严重超标的情况下，根据转轮协联曲线及上、下游水位信息，2号机组临时采用桨叶100%开度、定期手动调整导叶开度以达到改变出力的运行方式。

2 储油容器参数

经主机厂对桨叶活塞容积核算，水轮机桨叶开腔变化1%开度的操作用油量为18.5 L，关腔变化1%开度的操作用油量为16.6 L。当2号机组带负荷运行、桨叶和导叶均切机手动时，假定桨叶关腔变化1%开度减少的透平油全部漏至上油箱，开腔补油全部来自压力油罐，则上油箱油位上升约11.1 mm，压力油罐油位下降约4.87 mm；受油器上油箱、压力油罐结构参数见表1。

表1 储油容器结构参数

3 桨叶抽动排查

2号机组在毛水头低于17.0 m及以下、大桨叶开度时，机组出现桨叶抽动和供油泵频繁启停现象；毛水头高于18.0 m及以上时，桨叶抽动和供油泵异常情况消失。通过分析机组结构图，桨叶抽动可能是桨叶主配压阀、受油器浮动瓦及其密封、桨叶活塞与关腔操作油管的组合密封等部件出现异常[1-4]，从而导致桨叶关腔无法实现保压所致。为了进一步明确部件漏油或窜油导致机组异常的原因，从而确定非汛期机组的检修等级和汛期运行方式，对机组进行了桨叶漂移情况、受油器上浮动瓦漏油量、桨叶关腔压力油量等测试。

3.1 桨叶漂移情况测试

低水头工况下，2号机组在不同桨叶初始开度下的测试数据见表2。测试结果表明，15.5 m、16.0 m毛水头工况下，当桨叶初始开度较小时，相同时间范围内的桨叶漂移量变化较小；随着桨叶初始开度进一步增大，相同时间范围内桨叶开始出现明显的漂移现象。桨叶初始开度基本相同时，对比不同水头下的桨叶漂移量发现：水头越低，其桨叶在机手动状态的偏开速度越快。综合机组的漂移情况分析，桨叶异常抽动不仅与毛水头有关，而且与桨叶开度的大小息息相关。

3.2 受油器上浮动瓦漏油量测试

受油器上油箱主要收集上浮动瓦（与关腔油管连通）、上下浮动瓦平压管、轮毂供油管外侧铜瓦漏油。通过关闭上油箱至油压装置回油箱的连接阀门，采用钢制刻度尺记录上油箱油位变化的方法即可测量上油箱油量；测试过程中桨叶开度每漂移2%，记录一次上油箱、压力油罐的油位变化，受油器结构示意见图1。

图1 受油器结构示意图

毛水头为16.5 m时，桨叶开度从90%左右自动漂移至满开度，机组有功为112.5～106.1 MW，其数据见表3。测试结果表明，桨叶关腔因开度增加而减少的透平油容积平均约占上油箱所收集漏油量的91%，桨叶开腔因开度增加而增加的透平油容积平均约占压力油罐减少油量的87%。忽略测量误差及导叶相关操作阀门的漏油，从透平油的容积变化来看，当桨叶和导叶均切机手动时，在桨叶漂移过程中，桨叶关腔减少的油全部漏至受油器上油箱，而桨叶开腔补充的油全部来自压力油罐。

表3 桨叶开度、上油箱和压力油罐油位变化

3.3 桨叶关腔压力油量测试

在设备密封完好的情况下，桨叶关腔压力油量变化值、受油器上油箱漏油量、压力油罐油量变化值存在如下关系：桨叶和导叶均切机手动时，手动关闭桨叶引起关腔增加的压力油（A）与受油器上油箱漏油量（B）之和等于压力油罐减少油量（C）；即：

为了避免桨叶中间停留过程对测试的影响，关桨叶过程要求保持桨叶开度匀速变化、一次调整到位的方式，关桨叶过程中机组负荷略微降低，毛水头20.4 m的测试结果详见表4。通过比较关桨叶过程中透平油量变化可知，关桨叶过程的时间越短，桨叶引起关腔增加的压力油（A）、受油器上油箱漏油量（B）之和与压力油罐油量（C）的误差越小，即在桨叶主配阀芯开口越大时，A+B=C关系成立；桨叶开、关腔油量守恒也表明了桨叶开腔和关腔不存在内部窜油现象。

综上所述，在水力矩和自重力作用下[5]，由于桨叶关腔压力油无法实现保压，桨叶自动往开方向漂移。当桨叶开度变化超过调速器设定的漂移量时，调速器自动将桨叶调整至协联开度，从而导致机组在低水头、大桨叶开度工况下出现桨叶频繁抽动现象，进而引起油压装置供油泵组频繁启停、透平油油温升高。

停机期间对2号机组巡查发现：桨叶机械和电气反馈信号正常；主配自复中正常，主配先导电磁阀动作灵活；调速器协联关系正常。通过对受油器的分解发现：上浮动瓦及其径向密封、轮毂供油管外侧铜瓦及密封均存在严重磨损现象，且上浮动瓦双边间隙增长近一倍。更换上、下浮动瓦及密封，并按设计要求调整浮动瓦双边间隙后，机组在低水头、大桨叶开度工况运行未再发生桨叶抽动现象，供油泵启停和调速系统油温均恢复正常。

表4 关桨叶过程的透平油变化

4 运行及检修建议

（1）由于轴流转桨式机组同时拥有两套相对独立的油压操作系统，机组负荷变化需要导叶和桨叶的协联配合，运行期间应密切监视供油泵、漏油泵的启停间隔和运行时间，并做好运行记录，以便后期对机组的运行状态进行评估。

（2）桨叶操作系统涉及的密封件数量众多，机组大修期间，应严格控制桨叶压力油系统密封件的安装质量，严格按照国标或行标进行机组盘车和转轮的保压试验[6]。

（3）为了深入掌握桨叶开腔和关腔的运行状况，建议双调机组在与受油器连接的透平油压力管路上安装数显式压力表或压力变送器。

（4）定期对调速系统透平油进行油质检验，并做好检查记录。