迪仕林电站机组抬机与转轮叶片裂纹分析

张建军

（国网东北分部绿源水电检修公司，辽宁 丹东 118000）

1 电站基本情况

幼发拉底河是中东地区较大的、水量较为充沛的河流之一，它发源于土耳其的亚美尼亚高地，由北向南流经叙利亚转东流入伊拉克。迪仕林（TISHRIN）水电站位于叙利亚阿拉伯共和国境内北部的幼发拉底河上，距土耳其边境75 km。工程枢纽主要由河床土坝和带泄水底孔的厂房建筑物组成，泄水道布置较有特点，是在蜗壳下面，并把尾水管锥体部分包住，其末端出口平行尾水肘管并在其上面通过。电站装设6台立轴半伞式水轮发电机组，发电机型号为SF105－66/12800，水轮机型号为ZZ440a－LH－750，单机容量105 MW。该电站土建部分由俄罗斯设计施工，机电部分为中方设计制造及安装，1999年12月电站首台机组投入运行，2000年9月，受四川省机械设备进出口公司委托，太平湾电厂派驻赴叙专业人员指导电站的维护管理，2002年11月，6台机组全部投产发电。

2 存在问题

2.1 抬机现象

迪仕林电站设计有调相功能，调相系统由2台4 MPa及1台0.8 MPa空气压缩机组成。调相运行时，先行打开4 MPa供气管路阀门，由气罐向转轮室供气压水至转轮以下后（供气时间为240 s），启动0.8 MPa气机向转轮室补气。当水位上返至一定高度，再次打开4 MPa供气阀门将水位压下(300 s)。电站先期投运做调相试运行时，机组由空载转入调相关闭导叶后，转轮室充气压水，但由于机组在水中调相运行时间过长，产生极大的上升推力，瞬间就造成了抬机，致使集电环碳刷脱出刷座而短路停机。在抬机后的机组检查中，发现碳刷及刷握有损坏、滑环烧伤，转子励磁引线有被定子挡风板刮划损坏的迹象（励磁引线与挡风板间距离约30 mm）。在后续转轮的检查中，也发现顶盖中锥底部圆周均布的树脂防护抗磨板，沿旋转方向已被转轮研磨堆起（转轮体上端面与中锥底部的抗磨板间隔为25 mm）。从以上迹象分析，判断转子抬机量已达30 mm以上。此后，电站机组取消了调相功能，但在机组自动开停机过程中由于监控系统故障，常常使机组进入调相工况导致抬机。资料记载2002年6月14日，4号机正常开机并网，监控系统显示有功P为－3.5 MW, 无功Q为5 MVar，但还未等监控系统自动加载，随即出现励磁系统故障、电气事故等报警，机组事故停机，同时现场值班员看见集电环碳刷打火，停机后检查转子励磁引线绝缘已被挡风板划破，即已发生抬机。目前，各台机组的转子励磁引线均有划痕，损伤程度不一，还有的机组因永磁机花键过长，发生抬机时旋转轴上串将万向联轴节顶碎。

2.2 叶片裂纹

2004年2月，电站在对4号机进行计划检修时，首次检查发现机组转轮叶片出现裂纹现象，并对其进行了处理。至2006年2月6号机检修时，全部6台机转轮均检查出有叶片裂纹。裂纹的位置多是在叶片出水边，即叶片小头且靠向转轮室，裂纹的程度从几百毫米至1 m余长不等，出现在叶片的正面或背面，有的为穿透裂纹，并有错缝上翘现象（如图1为1号机5号叶片裂纹）。从历年检修记录来看，每次的机组检修裂纹处理是最为耗费工时的一项作业。根据具体的裂纹程度，先在裂纹两端分别钻止延孔，再用专用工具打出焊接坡口。对单面裂纹，深度较浅的开“V”型坡口即可，较深的开“U”型坡口，若为穿透型裂纹，则采用双面打坡口，上部坡口深度占2/3左右。施焊时一般选用与母材性质相近、干燥的焊条（叙方用的是俄罗斯产ЭA-395/9-Φ4.0不锈钢焊条），用小电流短弧焊，对较深的坡口采用镶边焊。要求焊接平整、光滑，无夹渣、气孔，为减小焊缝应力，还要及时对焊道施行锤击。若有条件，裂纹补焊后，应在100 ℃左右温度下保温一段时间，再缓慢冷却下来。最后用砂轮机将高出部分磨平、磨光。但是，在此后机组的陆续检修中，还是不断发现有叶片裂纹（目前唯有6号机还没第2次检查出裂纹），其中有重复出现的，而5号机4号叶片还发生边角掉落1块（200 mm×250 mm）并伴有延伸裂纹。现将各机组叶片裂纹情况列于表1。

统计显示，全部6台机投产仅4年后，先后总计共有30片次发生裂纹，其中重复发生的为9片。该电站转轮结构是由6个叶片组成，也就是说裂纹叶片数目近2/3 。其中尤属2号机问题严重，全部转轮叶片均有裂纹产生。

3 原因分析

如前所述，造成该电站机组产生抬机的根本原因是机组在调相工况运行所致，当然在机组“事故”甩负荷时，不否认反水锤产生抬机推力，但没有出现大的抬机量。此后，电站机组已取消调相功能。那么机组开停机过程中为何会出现调相现象呢？其根本原因是监控系统不稳定，时常出现死机或控制流程中断，机组开机并网后不能自动加载并转入调相工况。停机时又往往因监控系统调整负荷幅度过大，调速器未能及时反馈，此时机组还未解列，导致从系统吸收有功而进入调相。而机组调相运行的深度决定了抬机量的大小，轻则躲过事故，抬机严重则事故停机。

迪仕林电站机组计算机监控设备为国内第一代产品，投入运行以来就存在很多问题。2005年，电站曾对工控机进行了更换，但由于信号采集模块与工控机不匹配，时常出现上述提到的死机或信号传输中断，更有经常发生误采集诸如事故低油压这样的信号，造成事故电磁阀动作使运行中的机组甩负荷（电站投运以来机组“事故”甩负荷情况见表2）。在电站设计中，设计院明确给出了机组吸出高度为－6 m，但由于水工建筑物的设计施工及下游萨乌拉电站实际蓄水等原因，造成实际吸出高度约－15 m左右，机组投运以来真空破坏阀从未检修调试过，也未曾发现其有过动作补气（曾对6台机组由空载至停机过程做过监视，有些机组顶盖内出现了一定的真空度）。在机组事故停机，导水机构快速关闭时，尾水管内水压急剧下降，强烈的反水锤作用于叶片，是造成叶片裂纹的主要原因。表2是摘自2001年至2008年统计数据，有73台次之多“事故”甩负荷，可以说是非常罕见。其次，设备加工会存在一些内在缺陷，如铸造工艺不良产生的缺陷和铸造应力，结构设计不合理残存的结构应力，运行中的水流脉动作用力产生的材料疲劳应力等也加速了叶片的疲劳破坏，而机组频繁发生的“事故”甩负荷，更加剧了叶片裂纹的产生。资料记载，在处理叶片裂纹过程中，就曾发现叶片本体有气泡及夹渣现象，且从打磨出的末状来看材质较软（叶片材质为ZG0Cr13Ni6Mo不锈钢），反映出裂纹的产生确有一定的质量原因。另外，机组运行一般所带负荷均在80 MW左右，最高也很少超过95 MW，运行水头一般在22 m ，远低于设计水头，且上游水质常年较好，从未过载运行。叶片发生裂纹对电站的安全运行危害极大，可怕的是，一旦发生大块叶片掉落，运行中的机组会因失衡而产生强烈振动引发扩大性事故，因此应注意检查，及早发现，及时处理。

4 防范与解决

在中方保存的资料中，记载了发现迪仕林电站机组轮叶裂纹后，水科院人员曾于2005年底对2号机进行过叶片应力试验；2006年6月，受叙方GOLD和GOED的邀请，JV的工程师Mr. Mirkovic和Mr. Hersel也曾对迪仕林电站进行过现场检查，但均没有实质性结论报告及解决方案。鉴于迪仕林电站机组这种状况，太平湾电厂历届专家组，采取了许多防范机组调相的安全措施，做了大量叶片裂纹处理的工艺指导及质量把关工作，所幸未发生因此带来的更加严重的事故。

（1）目前，开机时通过监视机旁盘功给显示正确，机组并网电压、频率均正常，合上出口开关后，由手动加载调整负荷；停机时，同样为避免监控系统的过调或误调使机组进入调相，先由监控系统下空载令将负荷减至空载，解开出口开关后，再手动将导叶完全关闭。同时，为保证监控系统的正常，由二次专业人员每天上班后先对计算机进行1次重启动。

（2）已将各机组集电环碳刷架安装位置上移，即尽量使碳刷接触于滑环上部，以留出抬机发生时的窜动量，防止滑环及碳刷的损伤。

（3）现正通过逐台机组的检修，逐一检查转子励磁引线损坏程度，并松开线夹，将引线高度下调（可大致降低10 mm，即引线与挡风板距离可保证在40 mm左右），再重新处理好引线绝缘。

（4）现设想在机组出口增设功率方向限制装置，直接作用于机组并网状态下限制导叶关闭幅度。此方案在研究中，一旦成功将从根本上避免抬机事故的发生。

（5）为确切掌握机组抬机发生时的抬机量，以利于制定合理的机组检查检修方案，电站设计制作了抬机监测装置，用于跟踪机组抬机状况。

（6）在机组检修中，对真空破坏阀进行分解检修及动作定值校验，如若开启真空度选择偏高，应予以调整，确保其能正常动作，及时消除转轮室内真空以减小水锤压力。

5 结束语

迪仕林电站机组转轮叶片裂纹情况令人堪忧，也是最大的设备隐患，不但设备安全运行难以保障，也极大地增加了运行操作及维护检修人员的责任以及工作量。先进的计算机监控，本应给机组带来可靠的控制和保护，但恰恰由于它的不稳定，电站屡屡发生调相运行及“事故”甩负荷，成了机组安全运行的“罪魁祸首”，因此尽早对监控系统进行升级改造，是解决问题的关键。