萬家寨水電站4#6#機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行問題分析

萬家寨水電站4#6#機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行問題分析

萬家寨水庫配備一臺(tái)6臺(tái)主缸混流式水輪發(fā)電，實(shí)際容量為180mw。其4#～6#機(jī)并入山西電網(wǎng),承擔(dān)著調(diào)整網(wǎng)間潮流的任務(wù),具有負(fù)荷調(diào)節(jié)頻繁、變化幅度大,經(jīng)常在低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行的特點(diǎn),運(yùn)行工況相對(duì)較差。其中4#機(jī)運(yùn)行工況最差,如機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)振動(dòng)聲音大、機(jī)組擺度和振動(dòng)值大、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋較多。為保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行,對(duì)機(jī)組進(jìn)行了改造。本文針對(duì)4#機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行問題進(jìn)行分析并介紹技術(shù)改造措施。14#水草處理廠運(yùn)營(yíng)參數(shù)1.1主缸的基本組成1.2機(jī)組安裝完成后4#機(jī)組于20001007自投動(dòng),載至到20020808共運(yùn)行6111h,運(yùn)行工況見表1。2主電源的壓力動(dòng)脈2.1尾水壓脈動(dòng)特征分析脈動(dòng)測(cè)點(diǎn)位于尾水管進(jìn)入門處,從尾水管錐管段鋼板管壁用長(zhǎng)500mm,普通自來水管引出至水壓脈動(dòng)傳感器。處于+Y方向距尾水管錐管進(jìn)口約0.5D處(見表2)。2.1.1機(jī)組水壓脈動(dòng)檢測(cè)結(jié)果分析尾水管水壓脈動(dòng)分3個(gè)主要特征區(qū):a.導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪動(dòng)靜干涉、葉道渦等與引水系統(tǒng)水位整體或局部水位互相作用形成的主振頻率在1～2.5倍轉(zhuǎn)速頻率的強(qiáng)壓力脈動(dòng)區(qū)(10～100MW),此負(fù)荷區(qū)水壓脈動(dòng)對(duì)整個(gè)引水系統(tǒng)乃至水輪機(jī)結(jié)構(gòu)具有極強(qiáng)的破壞能力。b.典型的尾水管渦帶脈動(dòng)區(qū),在110～156MW負(fù)荷區(qū)水壓脈動(dòng)主頻率為0.18～0.55Hz,為水輪機(jī)轉(zhuǎn)速頻率的0.11～0.33倍。c.穩(wěn)定運(yùn)行區(qū),156MW以上出力。2.2機(jī)組運(yùn)行效果a.針對(duì)在低負(fù)荷區(qū)的壓力脈動(dòng),制定出不同水頭下限制機(jī)組出力范圍的運(yùn)行方式,制定了機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行區(qū),過渡運(yùn)行區(qū),限制運(yùn)行區(qū)。其中禁止運(yùn)行區(qū)以真機(jī)實(shí)測(cè)的8mH2O尾水管壓力脈動(dòng)線為邊界,即在尾水管壓力脈動(dòng)>8mH2O時(shí)機(jī)組禁止運(yùn)行,過渡運(yùn)行區(qū)在8mH2O尾水管水壓力脈動(dòng)線和葉片進(jìn)口邊背面初生汽蝕線之間,在過渡運(yùn)行區(qū)內(nèi)機(jī)組可短時(shí)間運(yùn)行。穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)為葉片進(jìn)口邊背面初生汽蝕線和最大出力限制線之間區(qū)域。通過積極同電網(wǎng)協(xié)調(diào),配合來水預(yù)測(cè),合理安排運(yùn)行方式,避開機(jī)組在低負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行,避免了運(yùn)行時(shí)的強(qiáng)壓力脈動(dòng)。b.為減小尾水管壓力脈動(dòng),4#機(jī)組設(shè)計(jì)為大軸中心自然補(bǔ)氣,補(bǔ)氣管管徑為350mm,在機(jī)組頂部設(shè)有真空破壞閥式的補(bǔ)氣閥,閥前端通過管徑200mm,長(zhǎng)18m的鋼管伸出廠外。實(shí)際測(cè)量補(bǔ)氣效果不理想。分析原因?yàn)檠a(bǔ)氣管直徑太小,補(bǔ)氣閥彈簧預(yù)壓力過大導(dǎo)致閥盤開口尺寸較小,補(bǔ)氣量不足所致?，F(xiàn)準(zhǔn)備將補(bǔ)氣閥前端的補(bǔ)氣管改為直徑450mm的鋼管,增大有效過流面積,降低大軸中心補(bǔ)氣閥彈簧預(yù)壓力,調(diào)整補(bǔ)氣閥閥盤的可移動(dòng)行程,保證閥盤開口加大補(bǔ)氣量,此項(xiàng)工作正在實(shí)施過程中。3主擾動(dòng)平衡試驗(yàn)3.1機(jī)動(dòng)平衡試驗(yàn)4#機(jī)運(yùn)行中上機(jī)架水平振動(dòng)值偏大,經(jīng)常出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象。2003年9月進(jìn)行了4#機(jī)動(dòng)平衡試驗(yàn),由變速試驗(yàn)的振動(dòng)與轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線看出:振動(dòng)速度隨著轉(zhuǎn)速的增加以2次方關(guān)系變化,說明4#機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分存在較大的不平衡力。在空轉(zhuǎn)工況與空載工況相對(duì)比,發(fā)現(xiàn)機(jī)組不平衡磁拉力較大。3.2發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子配重經(jīng)綜合比較,決定在空載工況下進(jìn)行配重。將不平衡磁拉力與不平衡重量同視為不平衡因素加以消除。4#機(jī)最終配重350kg,配重半徑5m,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上端面180kg、下端面170kg。配重后,較大幅度的降低了由轉(zhuǎn)動(dòng)部分不平衡引起的機(jī)架振動(dòng)、上導(dǎo)擺度、頂蓋振動(dòng)、水導(dǎo)擺度等指標(biāo)。同時(shí),根據(jù)配重量、轉(zhuǎn)速和配重半徑計(jì)算可知,配重結(jié)果降低了作用于導(dǎo)軸承上徑向力(19562kg),極大地改善了導(dǎo)軸承的工作環(huán)境,從根本上解決了轉(zhuǎn)動(dòng)部分不平衡力造成的機(jī)組振動(dòng)、擺度問題(見表3、表4)。4不銹鋼zgocr13135mo4#機(jī)組轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)和葉片采用不銹鋼ZGOCr16Ni5Mo。機(jī)械性最小值如下:屈服強(qiáng)度≥588MPa,抗拉強(qiáng)度≥760MPa。4.1材料測(cè)試結(jié)果20020827對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了探傷檢查,發(fā)現(xiàn)13個(gè)葉片在靠近上冠處出水邊都有不同程度的裂紋,其中有3個(gè)葉片裂紋較長(zhǎng),在300～500mm間。20020829經(jīng)國(guó)家鋼鐵材料測(cè)試中心測(cè)試分析得出結(jié)論:葉片斷口屬于疲勞斷裂,裂紋面位于葉片根部的應(yīng)力集中位置,裂紋起始位置在葉片出水邊背面的邊緣位置。疲勞裂紋起始區(qū)域?yàn)橹钛鼐嗫?疲勞裂在母材內(nèi)擴(kuò)展的斷口為正常的穿晶斷口。從金相組織看出:葉片兩側(cè)面焊接組織為奧氏體枝狀晶組織,顯微硬度測(cè)試結(jié)果表面焊肉硬度與母材接近,葉片母材斷口部位的化學(xué)成分分析結(jié)果表明符合ZGOCr16Ni5Mo鋼的規(guī)定。綜上所述,葉片的應(yīng)力集中使局部存在的微觀缺陷,在應(yīng)力的作用下疲勞擴(kuò)展,導(dǎo)致葉片疲勞斷裂。4.2體系化有限元分析采用有限元軟件對(duì)轉(zhuǎn)輪分別進(jìn)行了3種強(qiáng)度計(jì)算,考慮了葉片與上冠間過渡圓角R30～R50的局部模型,在葉片靠上冠出水邊增加三角補(bǔ)強(qiáng)的局部模型。根據(jù)整體模型計(jì)算結(jié)果看出,轉(zhuǎn)輪上整體應(yīng)力很低,額定工況下葉片的應(yīng)力總體上低于100MPa,最大峰值應(yīng)力出現(xiàn)在幾何不連續(xù)的局部區(qū)域。在有限元計(jì)算方法中,理論峰值應(yīng)力出現(xiàn)在尖角區(qū)域,因此,進(jìn)行了轉(zhuǎn)輪局部模型的有限元計(jì)算,通過優(yōu)化圓角半徑來減少應(yīng)力集中。通過局部模型計(jì)算得出的額定工況下轉(zhuǎn)輪出水邊與上冠連接處的最大綜合應(yīng)力為315MPa,靠轉(zhuǎn)輪上冠出水邊的最大主拉伸應(yīng)力為330MPa,這與轉(zhuǎn)輪實(shí)際產(chǎn)生的裂紋位置相吻合。通過有限元技術(shù)評(píng)估了在葉片出水邊與上冠連接處增加補(bǔ)強(qiáng)三角塊對(duì)應(yīng)力集中的影響,在額定工況下轉(zhuǎn)輪出水邊與上冠連接處的最大綜合應(yīng)力182MPa,轉(zhuǎn)輪出水邊與上冠連接處的轉(zhuǎn)輪最大位應(yīng)力187MPa。計(jì)算表明這種補(bǔ)強(qiáng)能使葉片與上冠連接處的最高應(yīng)力降低約42%。4.3上冠和葉片的長(zhǎng)度2003年9月對(duì)4#機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片加裝三角塊。在轉(zhuǎn)輪上冠出口邊加了厚度為40mm,上冠部分長(zhǎng)100mm,葉片部分長(zhǎng)150mm的三角塊。其中,與上冠處的夾角為R70,與葉片處的夾角為R100。4.4實(shí)際效果2004年8月進(jìn)行了4#機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片檢查,未發(fā)現(xiàn)機(jī)組轉(zhuǎn)輪裂紋。表明經(jīng)過機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片加裝三角塊后葉片裂紋已經(jīng)得到了有效的控制。5機(jī)組氣化改造a.通過合理劃分機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)、過渡運(yùn)行區(qū)、禁止運(yùn)行區(qū),采取縮短機(jī)組在過渡運(yùn)行區(qū)和禁止運(yùn)行區(qū)的運(yùn)行時(shí)間,機(jī)組補(bǔ)氣裝置改造,來減輕