水轮机轮叶主配抽动问题分析

王峻峰 刘振东 孙洪武

（四川大唐国际甘孜水电开发有限公司，四川甘孜626001）

0 引言

某电站以发电为主，兼具防洪功能，装机容量3×28 MW，采用轴流转桨式水轮机发电机组。水轮机型号为ZZ560Q-LH-510；发电机型号为SF28-52/7300，额定功率28 MW，额度电压10.5 kV，额定电流1 811.3 A，额定转速115.4 r/min，飞逸转速275 r/min，额定水头16.3 m，吸出高度-4.71 m，额定流量205 m3/s。该电站2006年首台机组并网发电。

1 水轮机轮叶主配抽动故障现象

在水轮机的运行过程中，由于设备设计缺陷或者受运行环境中一些因素的影响，水轮机可能会出现抽动故障。这一故障不仅会对设备运行的稳定性造成影响，同时也会对水轮机运行造成损害，缩短设备的运行寿命。因此，需要水轮机管理人员做好水轮机抽动故障的处理工作，保证水轮机的运行性能。

该电站自2016年对1～3号机组调速器进行改造后，一直存在轮叶主配压阀频繁抽动的问题，其中1号机组抽动现象较为严重，2号机组和3号机组有轻微抽动现象，不影响机组正常运行，经原厂家远程指导和现场维修均未能消除该现象。该缺陷会导致主配压阀磨损加剧、间隙加大、渗漏量加大、油泵频繁启动以及轮叶授油器频繁抽动造成的内部间隙增大等问题，严重影响机组的安全稳定运行。2019年7月25日，现场技术人员发现，1号机组调速器桨叶主配压阀出现自复中故障，复中弹簧出现卡阻现象，只能通过施加外力让桨叶主配压阀回到中间位置，影响了机组的自动控制。

2 水轮机轮叶主配抽动故障分析

根据调速器的工作原理和调节方式，可以将调速器抽动分为以下几种：（1）测频单元故障。当测频单元测量的机组或系统频率有故障时，调速器会根据测得的超出死区的频差不停动作，时开时关，造成严重抽动。（2）导叶反馈传感器故障。当导叶传感器测得数据不稳定时，势必会引起调速器不停调节，造成抽动。（3）功率变送器引起的抽动。此类故障较好判断，将调速器由功率模式切为开度模式，如果抽动消失，检查功率测量单元及测量回路。（4）主配压阀阀芯位移传感器故障或零位设置不合适造成的抽动。（5）一次调频和二次调频之间冲突引起的抽动。（6）调速器随动系统死区补偿过大，造成过调或欠调，导致监控不停发出增减负荷命令，导致调速器抽动。（7）机械部分主配压阀无法恢复到零位，导致负荷超出死区，往返控制造成调速器抽动。

该电站于2006年首台机组投产，至今调速器机械部分一直未予检查和大修，仅在2016年对调速器的电气回路部分进行了改造，改造后机组调速器出现抽动现象，初步怀疑与桨叶控制死区有关，即控制死区设置过小进而出现抽动现象。调节系统液压部分传递函数框图如图1所示。

图1 调节系统液压部分传递函数框图

随后出现的自复中故障，初步判断可能是由于复中弹簧长时间运行，弹簧应力失效或卡涩，导致自复中装置出现卡阻现象，只能通过拆卸清洗或更换弹簧进行复中。

经实地踏勘，结合现场人员描述得到以下分析结果：

（1）轮叶切换至手动时无漂移，说明轮叶操作机构密封正常，无渗漏、无串腔；（2）轮叶切换至自动时能跟随目标开启或关闭，说明其电控部分正常；（3）轮叶主配压阀呈周期性上下抽动，与轮叶开度传感器驱动部分的现象一致。

现场观察发现轮叶指针上下波动幅度较大，现场检查后发现机组轮叶指针波动虽大，但轮叶主进油管A和B的压力表计均显示压力稳定正常（分别为2 MPa和0 MPa），且无明显变化。

轮叶主进油管压力稳定，说明主配油路未打开，油路处于封闭状态。检查轮叶受油器，发现受油器浮动瓦产生上下移动进而引起轮叶指针波动，需待机组检修时处理。

现场观察发现轮叶主配阀芯波动明显，且无法稳定。

经测试，主配阀芯位移传感器反馈电压在0～1.5 V波动，初步判断是由开度传感器的晃动引起，但是该晃动无法避免，唯一的办法是在轮叶开度控制环节加入一定的死区。当轮叶偏差大于该死区时，启动轮叶定位控制；当轮叶偏差小于该死区时，停止该定位控制。这样既可保证轮叶的控制精度，又可消除该抽动现象。对调速器电气部分改造后，轮叶主配调节螺母有缓慢上移趋势。

随着时间推移，开侧调节螺母与调节支架的距离逐渐减小，关侧调节螺母与调节支架的距离逐渐增大。开侧距离减小后，机组开桨叶速度变慢，开启时间变长，现已多次下调开侧调节螺母以增大其与调节支架的间距，保持桨叶开启速度。

开侧调节螺母距离逐渐变小，关侧调节螺母距离逐渐变大，说明螺母连接部分整体有上移趋势，结合主配行程传感器反馈电压在0～1.5 V波动，基本可以确定调节螺母的连接螺杆和桨叶行程传感器整体有上移趋势。

主配至轮叶主控油管油压稳定正常，说明主配阀芯油路未打开，阀芯位置正常，结合上述调节螺杆和行程传感器整体上移，说明调节螺母至主配阀芯的距离有变大趋势，由此印证了轮叶主配阀芯波动的原因：阀芯在中位时，主配位移传感器有最大约1.5 V的位移偏移量，调速器监测到该电压量后判断主配位置偏开方向，会向关方向调节主配，传感器反馈电压为0 V；当传感器反馈电压为0 V时，轮叶主配阀芯向关方向推动了一定位移，调速器控制回路复归后，轮叶主配阀芯受弹簧作用自动复归至中位，导致主配行程传感器又产生位移，反馈电压上升至约1.5 V。此过程一直重复，出现主配阀芯抽动现象。

3 水轮机轮叶主配抽动故障处理

调节螺杆至轮叶主配阀芯距离增大可能有以下原因引起：（1）热胀冷缩、受力过大或其他原因导致金属部件变形；（2）连接螺栓或连接法兰松动，导致紧固不足，缝隙变大。针对此问题，运维人员现场对桨叶主配进行了拆解。拆解后，对轮叶主配各部件进行了详细检查测量，发现调节螺杆与主配阀芯的连接有松动现象，且其连接为普通的螺纹连接，未采取任何防止螺纹松动的措施，如增加被紧螺栓，或采用法兰连接，此为机械设计缺陷。运维人员现场对其进行了紧固处理，将轮叶主配回装并在调试完成后开机，未出现主配抽动现象，问题得以解决。

4 结语

本次主配抽动的主要原因为调节螺杆与主配阀芯连接松动。其连接方式为普通的螺纹连接，未对其采取其他紧固措施，此为机械设计缺陷，长时间运行后容易松动，引起调节螺杆及主配行程传感器整体上移。当主配阀芯在中位时，主配行程传感器反馈不为0 V，因此调速器会将其调整至0 V，主配阀芯产生位移后又被弹簧拉回中位复归，最终导致主配阀芯频繁抽动。

运维人员对轮叶主配进行现场拆解并采取紧固措施后，轮叶主配抽动现象消失，处理效果良好。