调速器开机规律对机组转轮裂纹的影响

吴永智，何常胜

(1.华能澜沧江水电有限公司，昆明 650214;2.云南电网公司电力研究院，昆明 650217)

1 前言

某水电站装设6台单机容量700 MW的混流式机组，总装机容量为4200 MW，保证出力185.4 MW，多年平均发电量190.6亿千瓦·时。电站以发电为主兼有防洪、为灌溉和库区水运等综合效。由于机组长期运行在水头变化大、调峰深度大、开/停机频繁等恶劣条件下，对水轮机转轮提出了更高要求。调速器采用6.3 MPa油压作为操作能源，其电气系统主要由SAFR－2000H调速器电器柜，ZFL－GE－250调速器机械柜，YZ－10－6.3油压装置控制柜组成，为重要的主机控制设备。

某水电站机组转轮叶片采用VOD精炼铸造，材料为马氏体不锈钢铸件。叶片采用五轴数控机床加工，上冠、下环为铸造，上冠设有与水轮机轴连接的法兰。转轮采用现场组焊的加工方式完成。

2 水轮机转轮裂纹情况

在转轮检测中，典型的叶片裂纹主要有叶片出水边－下环空蚀现象。

从检查结果来看，除了5号水轮机的裂纹位于叶片中部靠近上冠侧之外，其它所有水轮机的叶片裂纹都位于叶片出水边靠近下环侧的高应力区和出水边相交的最薄处附近。在每次机组检修转轮检查中，均能发现转轮不同程度的裂纹，现针对部分转轮叶片出现的裂纹问题，主要从设计、材料和制造质量以及运行工况和时间方面进行分析。

2.1 材质检测

通过对机组转轮叶片裂纹断口形貌及缺陷形态进行检测和裂纹分析，裂纹处于焊接融合线上，该处具有焊接组织特征。此外，断口检验也证明断口上存在大量的熔渣类物资。由于叶片为铸件，裂源处距焊缝有一定的距离。因此，可以认为叶片存在补焊现象，补焊后熔渣没有完全消除导致熔渣残留在补焊区，一方面焊渣分割消弱了基体的结合强度，另一方面焊渣缺陷会在使用过程中形成应力集中，导致运行过程的裂纹从缺陷处萌生。补焊工艺不当形成的补焊缺陷引起运行过程中叶片萌生裂纹，并最终导致疲劳开裂。

个别叶片铸件存在极个别的超标缺陷或存在不超标的小铸造缺陷，但在生产制造过程中未能检测出来或由于工艺的原因无法检测出而造成水轮机在运行过程中首先在叶片出水边下环侧的高应力区产生应力集中造成疲劳断裂进而扩展到叶片内部。

此外，个别叶片第一次检查出现裂纹即属于这种情况，这同时也和下面提到的不当开机规律和长期在低负荷运行应力很大相关。对此，今后需进一步加强叶片铸件质量控制，特别是制造过程的严格控制。同时需要和改进探伤工艺和手段达到确保在高应力区无缺陷的要求。

2.2 设计复核

根据对转轮的有限元受力分析计算可知，转轮在各种设计工况下的静态应力并不算高，完全满足合同技术规范的要求，静态应力大小不是造成裂纹的主要原因。从应力的分布看，无论是静态应力还是动态应力，裂纹处的应力都最大，属于应力集中点，特别是在非设计工况下 (空载和部分负荷)，转轮的动态应力更大。因此，不宜在空载和部分负荷下长期运行，属于禁止运行区。

2.3 机组运行工况分析

为分析机组运行工况和运行时间对转轮裂纹的影响，收集了小湾水电站1至6号机组一段时间内的运行工况和运行小时数。

图1 各台机组在禁止运行区运行时间统计

通过图1可以看出，受水电机组运行特点(启动灵活、频发，承担系统备用机组)影响，每台机组都会有较长时间处在禁止运行或不合理区域运行。

2.4 真机运行和转轮动应力测试与诊断

根据工程经验，当机组投产以后需要对真机的运行特性和稳定性进行实测，以便掌握机组的运行规律，分析产生问题的根源和制定合理的运行规程，以确保机组长期安全、可靠和稳定运行，并通过实测弥补理论计算和分析难于或现阶段无法实现的真机特性。

2.4.1 叶片应力测试结果

对4号机进行了应力测试，测试时的静水头约198 m。实测结果可以看出，水轮机叶片上冠侧的静应力随出力的增大而减少，下环侧的应力随出力的增大而增大，最大静应力为90 MPa，满足相关规定标准要求。

从实际数据显示，水轮机在连续稳定运行区和限制运行区的动态压力、动态应力的主导因素是无翼区的动静干涉问题，压力脉动频谱分析有明显的主频 (一倍的叶片通过频率37.5 Hz和二倍频率75 Hz)，而不是尾水管的压力脉动问题，这是高水头水轮机的典型特点。实测结果与水轮机设计相吻合，满足技术规范的要求。但在禁止运行区，动态压力、动态应力的主导因素是尾水管的压力脉动和动态压力问题而不是无翼区的动静干涉问题。此外，在200 MW和300 MW之间主要是由于转轮旋转涡带造成的，压力脉动频谱分析有明显的0.9 Hz的主频;但在200 MW以下则是由于水轮机的运行工况严重偏离设计工况以后叶道涡发生、发展，严重的水力扰流和水力不稳定造成的，没有明显的主频，完全是多个叶道涡和水力扰流的混频合成作用的结果。如果水轮机在200 MW以下，特别是100 MW以下负荷运行，其压力脉动和动态应力非常高，远远超过正常运行工况的值，极易造成水轮机转轮的疲劳破坏。

2.4.2 相对疲劳计算

根据对叶片相对疲劳进行计算、分析，可以看出，影响疲劳寿命的主要因素是不良的开机规律和超出运行范围的极低部分负荷运行两大因素，具体如图2所示。因此得出如下结论:

图2 5号叶片损坏速率分布

1)在200 MW以上运行时转轮没有疲劳问题;

2)甩负荷对疲劳的影响很小;

3)如果仅用优化后的开机规律代替原开机规律，则转轮的疲劳寿命可增加2倍;

4)如果在优化后的开机规律以后并同时避免在200 MW以下运行，则转轮的寿命是原来的7倍;

5)空载运行和底负荷运行对转轮的疲劳损伤相当，应尽可能减少或避免机组在空载运行时间。

考虑到水电机组应具备热备用能力以确保电网安全，故而机组启停较为频繁，甚至经常会处在设计禁止运行区域运行，对机组损害较大。因此，要提高机组转轮寿命，减少转轮裂纹，应该优化开机规律。

3 开机优化

通过对机组转轮裂纹原因进行分析以及机组开机方式进行分析、比较和优化，结果显示，在不同的开机规律下水轮机转轮叶片上的应力差别比较大，开机规律不合理成为转轮产生裂纹的重要原因之一。

3.1 原调速器开机规律描述

在原调速器开机规律描述中，若所有的频率信号都检测不到，导叶开到空载开度并保持。若0 Hz﹤机频≤35 Hz，导叶开度开到空载开度+5%全开度;若35 Hz﹤机频≤47.5 Hz，导叶开度到1.2倍空载开度;整个开机过程中，导叶的空载开限=1.5倍空载开度。

3.2 调速器开机规律优化实施

通过对比试验，确定适合小湾机组的开机规律为:导叶按0.25%导叶全开度/秒的开启速率从全关至1.4倍的空载开度，转速达到90%的额定转速后导叶开度开至1.3倍的空载开度，转速到达95%的额定转速后调速器控制逻辑由开机状态转为空载状态。整个开机过程中，导叶的空载开限为1.5倍空载开度。

该程序段的描述为:

若所有的频率检测不到，导叶开到空载开度并保持。

若机频≤45 Hz，导叶开度按0.25%导叶全开度/秒的开启速率从全关开启至1.4倍的空载开度。

若45 Hz﹤机频≤47.5 Hz，导叶开度到1.3倍空载开度。

整个开机过程中，导叶的空载开限为1.5倍空载开度。

另外，开始Start_Timer设置值应尽量大，以防止机组提前进入控制状态，故将开机显示设置为300 s。

3.3 优化后试验结果

对机组的开机方式也进行分析、比较和优化，不同的开机规律会对水轮机转轮的应力造成很大的差别。以下为不同开机规律下的转轮动应力测量结果。

图3 开机规律下的叶片动应力

图4 优化后的开机规律下的叶片动应力

通过对不同的开机时间和开机曲线下的叶片动应力的对比测量，优化调速器开机规律后，转轮叶片下环侧的动应力峰值由原来的开机规律下的340 MPa将至200 MPa，叶片上冠侧的动应力峰峰值则由55 MPa将至30 MPa，而开机时间仅增加了20 s，由原来的120 s增加为140 s，效果较为明显。

4 结束语

从机组的运行时间统计和动应力测试分析可以看出，机组运行在部分负荷，也就是低负荷的时间较多，水轮机在空载和部分负荷下的动态应力都比正常运行工况要大很多，特别是200 MW以下运行和原来调试器不良的开机规律，这都进一步加剧和影响了转轮裂纹萌生的时间和扩展速度。在运行工况和铸造缺陷无法更改的情况下，通过调速器开机规律，可以有效减少转轮裂纹，延长转轮寿命。

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