岷江上游流域水电站运行故障分析与探索

1岷江上游流域水电站基本情况

岷江是我国长江上游重要的一条支流,位于四川省中部,分为东西两个源头,东源头漳腊河发源于阿坝州松潘县弓杠岭,西源头潘州河发源于阿坝州松潘县郎架岭。两个源头交汇于该松潘县元坝乡的川主寺,自北向南流过松潘、茂县和汶川到达都江堰市,进入平原,源头至都江堰以上称为岷江上游。岷江上游段全长341km,天然落差3009m,流域面积共22950km2。

岷江干流主要有紫坪铺水电站(760MW)等近10座水电站:渔子溪支流主要有渔子溪水电站(160MW)等2座水电站:杂谷脑河支流主要有桑坪水电站(72MW)等4座水电站:黑水河支流主要有毛尔盖水电站(420MW)等8座水电站。岷江上游流域总装机容量约4200MW。

2岷江上游流域水电站常见运行故障

岷江上游多为峡谷地段,水流湍急,自然落差大,水电站多采用混流式水轮发电机组。混流式水轮机是目前应用最为普遍的一种水轮机机型,是开发中高水头水电站的优良机型。2.1映秀湾水电站水轮机的设计缺陷及解决方案映秀湾水电站(3×45MW)建于20世纪60年代,距首台机组发电已经40多年。原水轮机主要存在的问题有:(1)当时我国设计、制造和加工水平落后,致使生产出来的水轮机性能很低。(2)岷江河段属于山区河流,水流中含沙量很大。"5·12"汶川特大地震发生后,其河流中的泥沙含量进一步加大,对水轮机的过流部件造成了严重磨损。(3)原转轮采用2osiMn钢铸成,未全部采用不锈钢材料,只在下环的内表面及转轮叶片底部的正反两面堆焊或铺焊了Gr5Cu材料。(4)水轮机经过多年运行和多次补修,叶片变形严重,多处产生裂纹,局部已呈现出蜂窝状。(5)引水系统的设计缺陷导致电站的发电引用流量无法满足机组满负荷运行时所需的额定流量,机组只能长期在低负荷状态下运行。

映秀湾水电站3台机组同时运行时,受到引水隧洞的限制,引用流量无法达到水轮机满负荷运行所需要的额定流量。为解决此问题,必须对原来老旧落后的水轮机转轮进行改造,通过充分的研究和论证,最终确定以哈尔滨大电机研究所自主开发的A982转轮为基础,对其进行改造。

通过对新的基础转轮A982进行流体力学分析,其基本参数适合映秀湾水电站的参数要求。在A982转轮基础上进行了改型设计,使改型后的A606c转轮性能指标得到更大提高,解决了原转轮存在的问题,主要体现在以下几个方面:(1)转轮、活动导叶、固定导叶的最优开口匹配关系更加良好:(2)固定导叶进口安放角和蜗壳出流角的匹配更加合理:(3)转轮叶片出口区的流速有了大幅度降低:(4)转轮叶片出口环量的分布更加合理:(5)转轮叶片表面的压力分布有了显著改善:(6)转轮的速度矢量、流态分布更加合理。

改造后,水轮机转轮用A606c代替原转轮,提高了水轮机的运行效率和稳定性,且延长了机组大修的周期,改造取得了圆满成功。

2.2柳坪水电站平压板开裂及其解决方案

柳坪水电站(3×40MW)自2008年12月投产运行9年多以来,1F机组进行过多次C修和两次A修。在2012年的A修中发现转轮本体和转轮平压板出现多条裂缝,导致平压板已经严重变形和开裂。

大修时,发现平压板与上止漏环焊接处焊缝严重开裂。上冠、下环、叶片没有发现任何异常和较大的气蚀孔,只有很细微的气蚀孔,并不影响转轮的正常运行和出力。焊缝开裂主要表现在不锈钢材料和○235钢材焊接部位。此次平压板开裂重点是由于补气阀故障,造成转轮在运行过程中产生空腔,由空腔空蚀引起机组的顶盖和推力轴承出现剧烈的垂直振动,造成水力不平衡,加快了对平压板的破坏,最终引起平压板开裂。

经过分析,与转轮生成厂家沟通和讨论,决定不更换平压板材质,对原平压板进行现场补焊,将原焊缝全部刨开清除干净,打磨出V型焊接坡口,用A307不锈钢焊条重新焊接。

虽然现场修补能满足当时大修周期的运行需求,但长期运行下去会出现同样的问题,要彻底解决这个缺陷,需要从4个方面进行改进:(1)更换平压板(更换成不锈钢材质):(2)更换补气阀结构,将平板阀盘更换成球型阀盘:(3)更换平压板与上冠的连接方式:(4)调整运行工况,不要长时间运行在振动区。柳坪水电站水轮机转轮所暴露的缺陷,为今后发现和消除此类问题提供了良好的借鉴。

2.3竹格多水电站上导轴承烧瓦事故分析及其解决方案

竹格多水电站(2×42MW)也采用混流式水轮机机组。在电站投产前72h试运行时,上导轴承发生烧瓦事故(瓦温在0.5h后由56.5℃升到131℃),造成上导瓦及上导轴承轴颈严重烧伤。拆机后发现,上导瓦上半部分烧伤严重,下半部分基本没有烧伤,且对应的轴颈位置也是上导瓦的上半部分。

原因分析:(1)设计缺陷。一方面是上导轴承的甩油孔与绝缘板距离过小,致使一部分冷油通过绝缘板与大轴的结合缝流回了油槽:另一方面(也是最主要的原因),上导轴承的甩油孔位置偏低,导致油循环不好,通过冷却器冷却的冷油甩不到上导瓦的上部。(2)运行原因,上导轴承油位偏低。

改进措施:(1)加大上导轴承绝缘板与大轴之间的距离。(2)加高上导轴承的运行油位。(3)适当放大上导瓦的瓦面间隙。改进后,运行正常,没有再发生烧瓦事故。但是,由于油位的增加,上导油盆有少许渗油,加上上导瓦瓦面间隙的增大,致使上导轴承的摆度有所增大。

3水轮发电机组运行故障处理的新技术探索

3.1水轮发电机组故障诊断系统

设备状态诊断和检测技术是最近十多年来发展最迅速的一门新兴综合性应用学科,它主要包括测试技术、状态监测和故障诊断三项基本内容。目前我国从事水电站机组状态监测与故障诊断系统研究与开发的单位主要有西华大学、西安理工大学、重庆大学、东南大学、河海大学、中国水利电力科学研究院、北京奥技异电气技术研究所、北京英华达公司、华中科技大学等,主要研究成果有北京英华达公司的EN8000、华中科技大学的HSJ系统、北京奥技异电气技术研究所的PSTA系统、中国水利电力科学研究院的HM9000系统等。随着现代化改造的进一步深入,传统的计划维修方式正在转变为更具科学性的状态检修方式。状态检修是一个非常复杂的系统工程,技术含量高,实现状态检修是国内外水电行业始终奋斗的伟大目标。目前毛尔盖电站正在使用北京奥技异电气技术研究所的PSTA系统,表现良好。

3.2激光表面处理技术在不锈钢水轮机叶片上的运用

在水轮机叶片表面强化和修复技术中,目前最常见的方法是堆焊和热喷涂,二者也是当前实际工业应用中制造和修复大型水轮机部件的常用技术。堆焊技术处理过程中对基材的热影响较大,基材稀释率较高。因此需要发展新的水轮机叶片表面强化和修复技术,而激光表面处理技术就是其中比较理想的一种。

激光表面处理技术一般有3种方法:激光重熔、激光表面合金化、激光熔覆。在水轮机叶片的表面处理技术中激光熔覆是效果最好的一种。激光熔覆工艺的特点是利用激光的能量将合金粉末快速熔化,再在基体表面快速冷却,其间对基体的热影响非常小,基体变形开裂等问题可以得到有效控制,合金熔覆层与基体又能达到冶金结合。熔覆层厚度增加,而且熔覆层的成分和组织均匀,消除了表层失效后会加速破坏的问题。合金粉末的选择范围也大幅扩大,很多与基体相容性较差的合金元素也能加入到熔覆层中,这在提高熔覆层的硬度、耐磨耐蚀性等物理化学性能方面有较大优势。

利用激光表面处理技术对水轮机叶片进行修复目前已经在工程实例中有所运用,但由于其工艺的复杂性和局限性,现阶段只能在工厂实施这项技术,对于尺寸较大的水轮机目前运用起来还有一定的难度,这也将是此项技术未来的研究方向。

3.3高速火焰喷涂技术在水轮机中的应用

高速火焰喷涂是20世纪80年代出现的一种高能喷涂方法。它是以氧及某种燃气作为热源,通过高强度的燃烧使气体快速膨胀,形成高压,把喷涂材料以粉末状注入高速喷射燃烧的火焰中,燃烧产物在高压驱动下形成高速气流,以两马赫以上的速度(约24484k/m)通过枪管冲击枪外。高速燃气一方面使粉末材料的颗粒达到半融化状态,另一方面又使粉末材料的颗粒加速运动,让熔化后的粉末材料紧密均匀地附着在被喷涂物体表面上,与基材物理结合在一起,并控制基材温度不高于1h05,使基材不发生任何变形。H℃0V技术因其较高的喷射速度以及较低的火焰温度保证了粉末在喷涂中更少地氧化和失碳,从而使涂层有更高的硬度和更好的耐磨性。选用H℃0V技术很适合对水轮机进行抗磨蚀处理。

目前我国在金属表面处理工艺上也已经开始引入H℃0V技术,对其进行消化和吸收后,在工程实例中得到了很好的应用。早在2001年,刘家峡水电厂水轮机表面抗磨蚀处理就采用H℃0V技术。对水轮机活动导叶周边、上下端面喷涂了0.3~0.3hkk的碳化钨,经过6年运行,碳化钨喷涂层完好无损,而未喷涂区域磨损量达到1~1.hkk。H℃0V技术对岷江流域上游水电站水轮机的抗磨蚀处理具有很好的借鉴作用,可将该项技术的推广应用作为今后岷江流域上游水电站改善水轮机磨蚀影响的重要解决方案。

4结语

本文以岷江上游水电站为研究对象,结合笔者实际工作,分析了水轮发电机组的运行情况,总结了混流式水轮发电机组的故障特性,为提高该流域水电站的机组稳定性、可靠性提供了一定的参考。

加强对运行的水电站机组设备故障的分析和研究,不仅对已经建成发电的水电站产生巨大效益,还会对在建的水电站和拟规划建设的水电站产生深远影响,从而推动整个水力发电行业的进步,为国家经济发展做出更大的贡献。