大型轴流转桨式水轮发电机组异常抬机分析及措施研究

敬燕飞，苏 岩

（国电大渡河瀑布沟水力发电总厂，四川 汉源625304）

0 引言

深溪沟水电站位于四川省汉源县和甘洛县两县境内，装设4台单机容量165MW 的大型轴流转桨式机组，机组额定转速为90.9r/min，多年平均年发电量32.4亿kW·h。2010年6月首台机组投产发电，2011年6月4台机组全部投产。

深溪沟水电站为河床坝后式水电站，沿坝轴线方向自左至右依次布置左岸接头坝、3孔泄洪闸、1孔排污闸、河床式厂房（4台机组）、右岸接头坝、窑洞式安装间。水库库容小、水头低，在汛期泄洪闸泄洪期间尾水位明显抬高，4台机组在正常停机过程中均发生异常抬机现象，抬机过程中伴随有发电机内部异常声音、测速装置告警等故障。

1 异常现象

深溪沟水电站在高尾水位时，4台机组在正常停机过程中均发生抬机现象。其中2016年11月6日11：56，深溪沟1F 机组正常停机过程中发现抬机现象，停机前上游水库水位为657.87m，下游水位为625.58m，机组有功负荷81MW，停机过程中发电机内部发出异常撞击声音，测速装置探头未采集到齿盘信号而告警，停机过程数据见表1，变化趋势见图1。

现场技术人员开展1F 机组专项检查，发现抬机量传感器探头磨损、传感器支架变形（图2），拆开发电机上挡风板，检查发现转子励磁引线连接固定螺栓头部与上挡风板下部有明显的摩擦痕迹（图3～4）；测量机组励磁引线连接固定螺栓与上挡风板安装间隙为18mm，当水轮发电机组抬机超过18mm 时，会造成转子励磁引线固定螺栓与上挡风板直接撞击摩擦；同时机组振摆状态监测系统固有扫描周期为5.28s，系统不能实时采集机组停机过程的最大抬机量；测速装置齿盘随机组上抬而高出测速探头采集范围，使得探头无法采集到齿盘信号，从而造成测速装置告警。其余3台机组抬机过程均有上述相似故障情况。

2 原因分析

2.1 正常停机过程抬机原因分析

深溪沟高尾水位时机组正常停机过程时，导叶一般从空载开度（约15%开度）开始关闭，查阅监控系统历史资料，抬机发生时导叶的开度基本在2%～0%范围，此时机组转速小于额定转速，尾水位在625.0～628.0m 区间，此工况下机组产生的反向推力F总如下：

其中：F1-尾水产生的向上力；F2-转轮本身产生的向上力（泵作用）；F3-关闭导叶过程顶盖下侧真空吸力。

表11 F 机组停机过程相关数据

图11 F 机组停机过程中相关数据变化趋势

图2 抬机量传感器磨损情况

图3 励磁引线固定螺栓头部摩擦情况

图4 机组上挡风板摩擦痕迹

F1和F2产生的向上力总和小于机组旋转部件的总重（约1240t），可见在导叶空载开度至全关范围内，由于导叶关闭速度较快而在“导叶后-顶盖下侧”发生了较大的压力降低或产生真空，因此时的真空值小于真空破坏阀动作值，使得真空破坏阀不能开启对真空进行破坏。这部分真空吸力F3与F1+F2叠加之后使得向上的总推力大于机组旋转部分总重，从而产生抬机现象。

深溪沟每台机组设有4只DN350真空破坏阀。真空破坏阀的作用是在机组发生事故负荷时开启向流道内补入空气，其开启真空值为0.012MPa，全开真空值为0.32MPa。由于机组正常关机过程顶盖下侧产生的真空度远小于事故甩负荷过程产生的真空度，所以在机组正常停机过程真空破坏阀不会动作。

因此可以通过以下2种方式来减少机组抬机力：①适当增加导叶空载开度至全关开度范围导叶的关闭时间；②在导叶达到空载开度以后（此时桨叶已达到全关位置），将桨叶向开启方向打开，以使导叶达到全关时桨叶尽量处于较大的开启转角位置，以进一步减少机组抬机过程抬机力。

2.2 抬机量数据不刷新及传感器损坏原因分析

深溪沟抬机量传感器使用电涡流位移类传感器，为湖南天瑞TR81系列，型号为CWY-D0-812504-00-08-10-02。该探头直径为25mm，有效测量范围16.5～4mm（距离探头顶端距离），由于深溪沟机组的抬机量较大原因，安装距离均在20～21mm，该距离已超出传感器的有效范围，超出有效范围时会出现数据一直不刷新的现象。

结合技术要求，水轮机最大抬机量为20mm，考虑到测量误差抬机量传感器实际安装间隙在19～20mm，现场抬机量传感器探头实际磨损量在0.5～0.7mm 左右，抬机量传感器安装间隙小于水轮机最大抬机量，故造成在最大抬机情况下传感器损坏。

3 解决措施

3.1 优化导叶空载关闭时间

通过上述原因分析，尾水产生的向上力F1、转轮本身产生的向上力（泵作用）F2不容易改变和调整，关闭导叶过程顶盖下侧真空吸力F3可以通过导叶或桨叶开关进行调整改变。正常停机过程是机组负荷逐步减小，导叶开度相应逐步减小的过程，机组转速是保持在额定转速并逐步减小，引水系统压力上升远小于机组甩负荷的过渡过程的压力上升，正常停机过程中的导叶在空载开度以下的关机时间由导叶分段关闭阀和调速器控制程序共同控制。

组织专业测试单位开展深溪沟1F 机组高尾水位停机抬机专项测试，在尾水位为627.88m 时，通过将正常停机过程中导叶空载关至全关的时间由9s 调整为83s，机组停机过程中最大抬机量由16mm 减小为1mm，机组抬机现象明显消除。因此采取延长导叶空载开度关至全关的时间，来减少反向推力F总。结合机组检修，通过优化调速器控制程序，将机组正常停机过程中导叶空载关至全关的时间延长至15s（图5），该措施通过优化调速器程序中机组正常停机关导叶的指令周期，保障了机组甩负荷工况下的导叶关闭规律不变，避免对调速器液压关闭规律的调整，减少了调节保证计算及甩负荷等校核工作。

图5 导叶关闭时间调整前后对比图

3.2 复核调整发电机挡风板安装间隙

结合机组检修，现场复核4台机组发电机上下挡风板与转子间隙，通过重新调整部分上挡风板吊杆尺寸，保证所有上挡风板与转子励磁引线固定螺栓满足26mm 设计间隙（图6），避免发电机转动部件与固定部件发生碰撞摩擦。

图6 上挡风板装配图

3.3 重新选型抬机量传感器

深溪沟水轮机设置了机组抬机限位，设计允许抬机量为20mm，因原机组抬机量传感器使用电涡流位移类传感器，该探头直径为25mm，有效测量量程16.5～4mm（距离探头顶端距离），安装距离在20～21mm，该距离已超出传感器的有效范围。结合机组检修，4台机组均更换了新型大量程传感器（新传感器型号为：CWY-DO-813604-00-08-10-02），有效测量范围20mm，满足对传感器测量范围及精度的要求。

3.4 增设高精度抬机量测量装置

针对状态监测系统现有扫描刷新周期（5.3s）较长，新增高精度抬机量测量装置。在机组上导轴领上平面新加装一只抬机量传感器（传感器型号为：CWY-DO-TR813608-02-08-10-01，有效测量范围20mm），由开关电源将220V 交流电转换为稳定的24V 直流电，为抬机量传感器及前置器提供工作电源，抬机量传感器实时采集机组抬机信号，并将抬机信号经前置器处理为稳定的4～20mA 电流信号，通过专用电缆送至机组故障录波装置（图7），故障录波装置对该信号实现毫秒级监测和报警，当其达到报警阈值（8mm）后自动发出报警信号送至水电站监控系统，并自动存储报警前后的历史数据供技术人员分析诊断。该措施科学地利用故障录波装置的实时监测及报警功能，不用新增加高精度采集分析设备，同时该装置安装便捷，成本较低，实用性强。

图7 高精度抬机量测量装置原理示意图

4 结语

本文基于对深溪沟水电站现场数据的测量及收集，结合实际情况比较分析了高尾水位正常停机过程中的抬机原因，最终确定了优化导叶空载关闭时间、复核调整发电机挡风板安装间隙及重新选型抬机量传感器等措施，彻底解决了高尾水位正常停机过程中抬机的情况。同时，通过增设高精度抬机量测量装置，实现了抬机量高精度的监测预警功能。经实际运行验证，实施效果明显，为其他大型轴流转桨式水轮发电机组异常抬机的处理提供了借鉴和参考。