44第44卷 第3期
2021年3月
暖气炉Vol.44 No.3
Mar.2021
水 电 站 机 电 技 术
Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station
陈 立
（重庆大唐国际武隆水电开发有限公司，重庆 408506）
摘 要： 针对某水电站机组桨叶故障导致机组有功波动及振动异常的情况，从故障的表象开始，通过研判和探索，采用现场检查和试验等方式，准确定位到故障点，为机组桨叶故障原因的分析提供了思路和借鉴。
香肠和扇贝插在一起翻译英文关键词： 桨叶故障；原因分析；有功波动
中图分类号：TK730.8 文献标识码：B 文章编号：1672-5387（2021）03-0044-03
DOI：10.13599/jki.11-5130.2021.03.015
1 引言
对于双调机组而言，桨叶操作机构由于结构复杂，环节多，容易出现故障，轻则导致桨叶控制不到位，失去协联，重则导致桨叶完全失去控制，无法正常操作。出现故障的原因和部位各种各样，分析起来难易差别也很大，较为常见的故障有调速器故障、主配压阀卡阻以及操作油管漏油等。本文对一次较为少见的桨叶故障进行了详细分析，最终准确到故障部位和原因。
某水电站有4台机组，机组水轮机和发电机型号均相同，其水轮机型号为ZZA813a-LH-1040，机组额定出力150 MW，调速器型号为PFWST-250-6.3，双PLC电气冗余。现对该电站1号机组桨叶故障导致机组有功波动及振动异常的情况，从故障的表象开始，分析机组桨叶故障的原因，判定故障点部位。
2 故障描述
2019年某日凌晨，1号机组并网运行，在调度下令调节负荷时，运行人员发现1号机组负荷波动较大， 1号机组和4号机组的导叶、桨叶开度有差异，经现场查看桨叶和导叶机械柜约5 min左右有油流声，未见有明显的频繁动作，查看1号机组电调柜，桨叶开度13.57%~13.65%间小幅波动，导叶开度在46.70%~46.74%间小幅波动，机组频率在50.01~50.02 Hz之间，系统频率50 Hz，机组有功在100 MW上下不停小幅度波动，波动幅度3~5 MW；查看4号机组，机组有功较稳定，在100 MW，桨叶开度在28.10%，导叶开度在55.52%，桨叶和导叶变化幅度在0.02%左右，申请1号机组停备检查处理。 3 现场检查与故障原因分析
3.1 现场检查
上午，1号开机带150 MW并网运行，现场查看开机情况，未见机组异常振动，机组带负荷平稳无波动。测量1号机组调速器10 min机械零位漂移，机组83 MW负荷时，导叶零位偏移量偏关1.4%，桨叶偏开2.4%，伴随有明显的机组振动，空载及100 MW以上负荷时，导叶零位偏移量偏关约0.8%，桨叶偏开约0.9%；对比其他机组，在100 MW负荷时，1号机组导叶开度比同负荷同水头的其他机组均小5%~8%开度，而在110 MW相差较小，在1%开度以内；检查了1号机调速器A、B套控制系统的各项反馈参数，与现场机械开度及监控显示开度均一致；核对了1号机实际协联符合协联曲线，偏差在规定范围内；核对了1号机各项控制参数，与其他机组一致，未发生改变；检查1号机调速器控制回路，未发现异常。互切A、B套控制系统对比，没有区别。
导叶开度、桨叶开度、有功信号检查。现场观测比对1号机组在不同水头不同负荷时调速器人机
收稿日期： 2021-01-10
作者简介： 陈 立（1986-），男，工程师，从事水电站机电设备管理工作。
45第3期陈 立：水轮发电机组桨叶故障原因分析及处理
界面、监控系统显示的导叶开度值与水车室导叶控制环上的标尺指示的导叶开度是一致的。现场观测比对1号机组在不同水头不同负荷时调速器人机界面、监控系统显示的桨叶开度值与受油器上的标尺指示的桨叶开度是一致的。现场观测比对1号机组不同负荷时调速器、励磁、监控显示的有功测值是一致的。
协联关系检查。现场比对1号机组、2号机组、4号机组调速器录入的协联关系表是一致的，调速器人机界面显示的自动运行水头也是一致的。当调节机组负荷由小变大然后再减小，即机组负荷由100 MW→120 MW→140 MW→150 MW→120 MW →100 MW升降负荷过程中，机组在负荷上升和下降过程的对应负荷下的导叶开度、桨叶开度无大差异。
机组增减负荷试验。机组负荷由75 MW开始，以15 MW间隔向上增负荷，到达指定负荷后，测试机组的振动情况，在此过程中，机组各部摆度和振动变化平稳，尾水管进口压力脉动无明显变化，机组整
降温剂
体稳定性情况和平时无明显差异，和其他机组也无明显差异。减负荷阶段，机组有功在120 MW以下出现功率波动现象；负荷由150 MW减至120 MW 时，机组摆度和振动发生较大变化，增长趋势明显；负荷小于100 MW时，其增长趋势变缓。负荷减小至80 MW时，机组有功波动更加明显，机组摆度和振动更加严重。负荷小于100 MW时，尾水管脉动值随负荷变化增长明显。
桨叶开度调整试验。在122 MW负荷工况，将调速器导叶、桨叶置电手动状态，通过手动调整机组桨叶开度，观察机组有功和振动的变化情况。固定导叶开度，桨叶开度从协联点42.64%减小至6.15%时，机组有功功率基本保持不变；除尾水管压力脉动减小外，其余各摆度和振动测点峰峰值均基本保持不变，变化曲线较为平缓。桨叶开度从6.15%增至70.75%过程中，机组有功、振动、摆度均未发生较大变化；桨叶开度大于70.75%时，机组有功开始下降，机组摆度增长较为明显，机组垂直振动快速增大。3.2 故障原因分析
从上述现场检查情况及后所做的试验情况可知，在各种不同工况下机组的调速器显示的导叶开度、桨叶开度与现地标尺及监控系统等一致，有功信号也与多个测量源结果一致，这表明机组导叶开度、桨叶开度和机组有功等测量信号是正确的。同时，调速器导叶开度和桨叶开度的PID输出值和反馈值基本一致，表明调速器输出是正常的，机组调速器电调部分应是正常的，机组故障的根源应该在机械部分。
机组导叶开度标尺安装在顶盖上方机组调速环上，调速环通过连杆和拐臂与机组活动导叶刚性连接在一起，外观检查各部件连接无松动、脱落等情况，表明机组导叶的开关是正常的，机组导叶也不存在异物卡阻情况。从受油器上方的桨叶指示标尺刻度和调速器测量的桨叶反馈开度一致看，调速器对桨叶的开关控制也是正常的。现场对调速器机调柜的检查也无异常，主配压阀也没有明显的窜油声，机组桨叶开度反馈及指示标尺动作迅速，没有迟滞现象。
在机组导叶操作及调速器桨叶操作油路正常的情况下，由前面的试验现象可以发现，机组的有功波动及异常振动只发生在特定工况，且振动异常时，机组尾水管进口压力脉动也异常增大，振动频谱分析机组振动主要为低频水力振动，这表明机组的振动应该主要是由水力因素引起。对于双调机组，水力不平衡振动主要由机组协联关系不佳或被破坏引起，对本机组，除机组在80 MW负荷以下存在的运行振动区外，在机组原来平稳运行的100 MW负荷出现振动异常增大现象，则只能是协联关系不佳或被破坏。而机组导叶和桨叶开度输出值与反馈值和现地标尺指示值一致，协联关系是正常的。机组振动原因和机组协联的正常之间似乎存在矛盾，究竟哪一个是正确的？
电流器进一步分析机组转轮结构（如图1），可以发现，当转轮活塞杆下方的卡环出现故障脱落后，活塞杆将只能正常操作操作架向下（即开桨叶），而向上操作时，若卡环脱落，则活塞杆不能正常操作操作架向上（即关桨叶）。此故障将会造成机组桨叶可以正常开，但不能正常关，因此机组在增负荷时机组振动无异常，而当减负荷时，由于只是操作架无法正常动作，导致桨叶无法进行正确的关操作，最
终致使导叶和桨叶失去协联，机组水力状况恶化，振动增大，运行稳定性变差，导致机组有功波动。由于此故障不影响转轮活塞的正常动作，因此也就不影响桨叶开度指示标尺及其实时刻度，即调速器显示的开度和现地指示标尺均是正确的，调速器显示的协联关系也是正确的。
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水 电 站 机 电 技 术
图1 水轮机转轮图
为进一步确认机组故障，机组停机排空尾水，对上述卡环进行内窥镜检查，确认了转轮活塞杆上的卡环已脱落，证实了前面的分析。
3.3 分析结论
1号机组有功波动及振动异常现象，是由于机组转轮活塞杆下方的卡环脱落造成，卡环脱落导致机组桨叶只能正常开，不能正常关，致使机组导叶和桨叶协联关系被破坏，由此产生的机组水力状况恶化，进一步使机组运行稳定性变差及机组有功波动。
4 故障处理
故障位置位于转轮内部，要彻底处理此故障，必须打开转轮下部。若采用不吊出转轮，在机组流道内直接处理，则由于转轮尺寸较大，转轮泄水锥及转轮下盖重量巨大，需拆卸大量大直径连接螺栓，转轮部件支撑及操作空间均十分有限，工期和安全均难保证。故而彻底处理此故障需在机组大修时将转轮吊出机坑，再进行处理。在无法安排机组大修的情况下，本次机组桨叶故障采用了临时固定桨叶运行的方式，确保机组运行的安全。
5 结语
此次机组桨叶故障原因比较少见，通常桨叶故障多为调速器或操作油路故障，加上本次故障机组调速器的各种显示、现地实际数据均是正确的，给机组故障部位的定位带来了难度。但通过多次试验，由易到难，由表及里，还是能逐步准确定位到故障点，为机组桨叶故障原因的分析提供了思路和借鉴。
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将机组“黑启动”的操作时间由原来的26 min缩短至10 min，机组“黑启动”成功率大幅提升，有效提升了应急响应能力。
（2）将试验结果和改进措施推广至其他同类型机组
由于试验结果具备高参考性和推广性，万安水电厂以提高“黑启动”操作便利性和设备可靠性为原则，陆续对3台机组和相关辅助设备进行了针对性技术改造。
（3）提高了水电厂的事故备用能力
在传统的水电厂“黑启动”预案中，利用外来电源倒送厂用电的措施往往占有很大比重。通过验证机组“黑启动”能力，优化应急预案，可有效减少电厂对外来电源的依赖，缩短响应时间，切实提升水电厂的事故备用能力。
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