岷江上游流域水電站運(yùn)行故障分析與探索

1岷江上游流域水電站基本情況

岷江是我國長江上游重要的一條支流,位于四川省中部,分為東西兩個(gè)源頭,東源頭漳臘河發(fā)源于阿壩州松潘縣弓杠嶺,西源頭潘州河發(fā)源于阿壩州松潘縣郎架嶺。兩個(gè)源頭交匯于該松潘縣元壩鄉(xiāng)的川主寺,自北向南流過松潘、茂縣和汶川到達(dá)都江堰市,進(jìn)入平原,源頭至都江堰以上稱為岷江上游。岷江上游段全長341km,天然落差3009m,流域面積共22950km2。

岷江干流主要有紫坪鋪水電站(760MW)等近10座水電站:漁子溪支流主要有漁子溪水電站(160MW)等2座水電站:雜谷腦河支流主要有桑坪水電站(72MW)等4座水電站:黑水河支流主要有毛爾蓋水電站(420MW)等8座水電站。岷江上游流域總裝機(jī)容量約4200MW。

2岷江上游流域水電站常見運(yùn)行故障

岷江上游多為峽谷地段,水流湍急,自然落差大,水電站多采用混流式水輪發(fā)電機(jī)組。混流式水輪機(jī)是目前應(yīng)用最為普遍的一種水輪機(jī)機(jī)型,是開發(fā)中高水頭水電站的優(yōu)良機(jī)型。2.1映秀灣水電站水輪機(jī)的設(shè)計(jì)缺陷及解決方案映秀灣水電站(3×45MW)建于20世紀(jì)60年代,距首臺機(jī)組發(fā)電已經(jīng)40多年。原水輪機(jī)主要存在的問題有:(1)當(dāng)時(shí)我國設(shè)計(jì)、制造和加工水平落后,致使生產(chǎn)出來的水輪機(jī)性能很低。(2)岷江河段屬于山區(qū)河流,水流中含沙量很大。"5·12"汶川特大地震發(fā)生后,其河流中的泥沙含量進(jìn)一步加大,對水輪機(jī)的過流部件造成了嚴(yán)重磨損。(3)原轉(zhuǎn)輪采用2osiMn鋼鑄成,未全部采用不銹鋼材料,只在下環(huán)的內(nèi)表面及轉(zhuǎn)輪葉片底部的正反兩面堆焊或鋪焊了Gr5Cu材料。(4)水輪機(jī)經(jīng)過多年運(yùn)行和多次補(bǔ)修,葉片變形嚴(yán)重,多處產(chǎn)生裂紋,局部已呈現(xiàn)出蜂窩狀。(5)引水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致電站的發(fā)電引用流量無法滿足機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)所需的額定流量,機(jī)組只能長期在低負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行。

映秀灣水電站3臺機(jī)組同時(shí)運(yùn)行時(shí),受到引水隧洞的限制,引用流量無法達(dá)到水輪機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行所需要的額定流量。為解決此問題,必須對原來老舊落后的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行改造,通過充分的研究和論證,最終確定以哈爾濱大電機(jī)研究所自主開發(fā)的A982轉(zhuǎn)輪為基礎(chǔ),對其進(jìn)行改造。

通過對新的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪A982進(jìn)行流體力學(xué)分析,其基本參數(shù)適合映秀灣水電站的參數(shù)要求。在A982轉(zhuǎn)輪基礎(chǔ)上進(jìn)行了改型設(shè)計(jì),使改型后的A606c轉(zhuǎn)輪性能指標(biāo)得到更大提高,解決了原轉(zhuǎn)輪存在的問題,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:(1)轉(zhuǎn)輪、活動導(dǎo)葉、固定導(dǎo)葉的最優(yōu)開口匹配關(guān)系更加良好:(2)固定導(dǎo)葉進(jìn)口安放角和蝸殼出流角的匹配更加合理:(3)轉(zhuǎn)輪葉片出口區(qū)的流速有了大幅度降低:(4)轉(zhuǎn)輪葉片出口環(huán)量的分布更加合理:(5)轉(zhuǎn)輪葉片表面的壓力分布有了顯著改善:(6)轉(zhuǎn)輪的速度矢量、流態(tài)分布更加合理。

改造后,水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪用A606c代替原轉(zhuǎn)輪,提高了水輪機(jī)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性,且延長了機(jī)組大修的周期,改造取得了圓滿成功。

2.2柳坪水電站平壓板開裂及其解決方案

柳坪水電站(3×40MW)自2008年12月投產(chǎn)運(yùn)行9年多以來,1F機(jī)組進(jìn)行過多次C修和兩次A修。在2012年的A修中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪本體和轉(zhuǎn)輪平壓板出現(xiàn)多條裂縫,導(dǎo)致平壓板已經(jīng)嚴(yán)重變形和開裂。

大修時(shí),發(fā)現(xiàn)平壓板與上止漏環(huán)焊接處焊縫嚴(yán)重開裂。上冠、下環(huán)、葉片沒有發(fā)現(xiàn)任何異常和較大的氣蝕孔,只有很細(xì)微的氣蝕孔,并不影響轉(zhuǎn)輪的正常運(yùn)行和出力。焊縫開裂主要表現(xiàn)在不銹鋼材料和○235鋼材焊接部位。此次平壓板開裂重點(diǎn)是由于補(bǔ)氣閥故障,造成轉(zhuǎn)輪在運(yùn)行過程中產(chǎn)生空腔,由空腔空蝕引起機(jī)組的頂蓋和推力軸承出現(xiàn)劇烈的垂直振動,造成水力不平衡,加快了對平壓板的破壞,最終引起平壓板開裂。

經(jīng)過分析,與轉(zhuǎn)輪生成廠家溝通和討論,決定不更換平壓板材質(zhì),對原平壓板進(jìn)行現(xiàn)場補(bǔ)焊,將原焊縫全部刨開清除干凈,打磨出V型焊接坡口,用A307不銹鋼焊條重新焊接。

雖然現(xiàn)場修補(bǔ)能滿足當(dāng)時(shí)大修周期的運(yùn)行需求,但長期運(yùn)行下去會出現(xiàn)同樣的問題,要徹底解決這個(gè)缺陷,需要從4個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn):(1)更換平壓板(更換成不銹鋼材質(zhì)):(2)更換補(bǔ)氣閥結(jié)構(gòu),將平板閥盤更換成球型閥盤:(3)更換平壓板與上冠的連接方式:(4)調(diào)整運(yùn)行工況,不要長時(shí)間運(yùn)行在振動區(qū)。柳坪水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪所暴露的缺陷,為今后發(fā)現(xiàn)和消除此類問題提供了良好的借鑒。

2.3竹格多水電站上導(dǎo)軸承燒瓦事故分析及其解決方案

竹格多水電站(2×42MW)也采用混流式水輪機(jī)機(jī)組。在電站投產(chǎn)前72h試運(yùn)行時(shí),上導(dǎo)軸承發(fā)生燒瓦事故(瓦溫在0.5h后由56.5℃升到131℃),造成上導(dǎo)瓦及上導(dǎo)軸承軸頸嚴(yán)重?zé)齻?。拆機(jī)后發(fā)現(xiàn),上導(dǎo)瓦上半部分燒傷嚴(yán)重,下半部分基本沒有燒傷,且對應(yīng)的軸頸位置也是上導(dǎo)瓦的上半部分。

原因分析:(1)設(shè)計(jì)缺陷。一方面是上導(dǎo)軸承的甩油孔與絕緣板距離過小,致使一部分冷油通過絕緣板與大軸的結(jié)合縫流回了油槽:另一方面(也是最主要的原因),上導(dǎo)軸承的甩油孔位置偏低,導(dǎo)致油循環(huán)不好,通過冷卻器冷卻的冷油甩不到上導(dǎo)瓦的上部。(2)運(yùn)行原因,上導(dǎo)軸承油位偏低。

改進(jìn)措施:(1)加大上導(dǎo)軸承絕緣板與大軸之間的距離。(2)加高上導(dǎo)軸承的運(yùn)行油位。(3)適當(dāng)放大上導(dǎo)瓦的瓦面間隙。改進(jìn)后,運(yùn)行正常,沒有再發(fā)生燒瓦事故。但是,由于油位的增加,上導(dǎo)油盆有少許滲油,加上上導(dǎo)瓦瓦面間隙的增大,致使上導(dǎo)軸承的擺度有所增大。

3水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行故障處理的新技術(shù)探索

3.1水輪發(fā)電機(jī)組故障診斷系統(tǒng)

設(shè)備狀態(tài)診斷和檢測技術(shù)是最近十多年來發(fā)展最迅速的一門新興綜合性應(yīng)用學(xué)科,它主要包括測試技術(shù)、狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷三項(xiàng)基本內(nèi)容。目前我國從事水電站機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)研究與開發(fā)的單位主要有西華大學(xué)、西安理工大學(xué)、重慶大學(xué)、東南大學(xué)、河海大學(xué)、中國水利電力科學(xué)研究院、北京奧技異電氣技術(shù)研究所、北京英華達(dá)公司、華中科技大學(xué)等,主要研究成果有北京英華達(dá)公司的EN8000、華中科技大學(xué)的HSJ系統(tǒng)、北京奧技異電氣技術(shù)研究所的PSTA系統(tǒng)、中國水利電力科學(xué)研究院的HM9000系統(tǒng)等。隨著現(xiàn)代化改造的進(jìn)一步深入,傳統(tǒng)的計(jì)劃維修方式正在轉(zhuǎn)變?yōu)楦呖茖W(xué)性的狀態(tài)檢修方式。狀態(tài)檢修是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程,技術(shù)含量高,實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修是國內(nèi)外水電行業(yè)始終奮斗的偉大目標(biāo)。目前毛爾蓋電站正在使用北京奧技異電氣技術(shù)研究所的PSTA系統(tǒng),表現(xiàn)良好。

3.2激光表面處理技術(shù)在不銹鋼水輪機(jī)葉片上的運(yùn)用

在水輪機(jī)葉片表面強(qiáng)化和修復(fù)技術(shù)中,目前最常見的方法是堆焊和熱噴涂,二者也是當(dāng)前實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中制造和修復(fù)大型水輪機(jī)部件的常用技術(shù)。堆焊技術(shù)處理過程中對基材的熱影響較大,基材稀釋率較高。因此需要發(fā)展新的水輪機(jī)葉片表面強(qiáng)化和修復(fù)技術(shù),而激光表面處理技術(shù)就是其中比較理想的一種。

激光表面處理技術(shù)一般有3種方法:激光重熔、激光表面合金化、激光熔覆。在水輪機(jī)葉片的表面處理技術(shù)中激光熔覆是效果最好的一種。激光熔覆工藝的特點(diǎn)是利用激光的能量將合金粉末快速熔化,再在基體表面快速冷卻,其間對基體的熱影響非常小,基體變形開裂等問題可以得到有效控制,合金熔覆層與基體又能達(dá)到冶金結(jié)合。熔覆層厚度增加,而且熔覆層的成分和組織均勻,消除了表層失效后會加速破壞的問題。合金粉末的選擇范圍也大幅擴(kuò)大,很多與基體相容性較差的合金元素也能加入到熔覆層中,這在提高熔覆層的硬度、耐磨耐蝕性等物理化學(xué)性能方面有較大優(yōu)勢。

利用激光表面處理技術(shù)對水輪機(jī)葉片進(jìn)行修復(fù)目前已經(jīng)在工程實(shí)例中有所運(yùn)用,但由于其工藝的復(fù)雜性和局限性,現(xiàn)階段只能在工廠實(shí)施這項(xiàng)技術(shù),對于尺寸較大的水輪機(jī)目前運(yùn)用起來還有一定的難度,這也將是此項(xiàng)技術(shù)未來的研究方向。

3.3高速火焰噴涂技術(shù)在水輪機(jī)中的應(yīng)用

高速火焰噴涂是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一種高能噴涂方法。它是以氧及某種燃?xì)庾鳛闊嵩?通過高強(qiáng)度的燃燒使氣體快速膨脹,形成高壓,把噴涂材料以粉末狀注入高速噴射燃燒的火焰中,燃燒產(chǎn)物在高壓驅(qū)動下形成高速氣流,以兩馬赫以上的速度(約24484k/m)通過槍管沖擊槍外。高速燃?xì)庖环矫媸狗勰┎牧系念w粒達(dá)到半融化狀態(tài),另一方面又使粉末材料的顆粒加速運(yùn)動,讓熔化后的粉末材料緊密均勻地附著在被噴涂物體表面上,與基材物理結(jié)合在一起,并控制基材溫度不高于1h05,使基材不發(fā)生任何變形。H℃0V技術(shù)因其較高的噴射速度以及較低的火焰溫度保證了粉末在噴涂中更少地氧化和失碳,從而使涂層有更高的硬度和更好的耐磨性。選用H℃0V技術(shù)很適合對水輪機(jī)進(jìn)行抗磨蝕處理。

目前我國在金屬表面處理工藝上也已經(jīng)開始引入H℃0V技術(shù),對其進(jìn)行消化和吸收后,在工程實(shí)例中得到了很好的應(yīng)用。早在2001年,劉家峽水電廠水輪機(jī)表面抗磨蝕處理就采用H℃0V技術(shù)。對水輪機(jī)活動導(dǎo)葉周邊、上下端面噴涂了0.3~0.3hkk的碳化鎢,經(jīng)過6年運(yùn)行,碳化鎢噴涂層完好無損,而未噴涂區(qū)域磨損量達(dá)到1~1.hkk。H℃0V技術(shù)對岷江流域上游水電站水輪機(jī)的抗磨蝕處理具有很好的借鑒作用,可將該項(xiàng)技術(shù)的推廣應(yīng)用作為今后岷江流域上游水電站改善水輪機(jī)磨蝕影響的重要解決方案。

4結(jié)語

本文以岷江上游水電站為研究對象,結(jié)合筆者實(shí)際工作,分析了水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況,總結(jié)了混流式水輪發(fā)電機(jī)組的故障特性,為提高該流域水電站的機(jī)組穩(wěn)定性、可靠性提供了一定的參考。

加強(qiáng)對運(yùn)行的水電站機(jī)組設(shè)備故障的分析和研究,不僅對已經(jīng)建成發(fā)電的水電站產(chǎn)生巨大效益,還會對在建的水電站和擬規(guī)劃建設(shè)的水電站產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響,從而推動整個(gè)水力發(fā)電行業(yè)的進(jìn)步,為國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。