一起水轮发电机筒型阀故障分析

一起水轮发电机筒型阀 故障分析

刘华良 项俊猛

浙江浙能北海水力发电有限公司， 浙江 丽水 323907

摘 要：筒型阀是一种较为新型的水轮发电机主阀，近年来在我国大中型水电站中得到了非常广泛的应用。本文主要通过对某电站发生的一起筒形阀故障进行原因分析，结合笔者多年来筒形阀检修维护过程中的工作经验，就筒形阀在日常运行检修维护中需要注意的地方和如何切实有效的开展检修维护工作进行了分析和讨论，为设备的可靠运行提供有效的支撑。

关键词：筒形阀；故障；接力器；滚动丝杠副；间隙

0 引言

水力发电站作为国内可再生能源的最早应用，是国家能源结构的重要组成部分，是一种广泛应用的清洁能源。水轮机的主阀是指安装在压力管道和蜗壳之间的一道阀门，一方面，在停机时关闭，大大减少机组漏水量；另一方面在机组检修或事故时，能快速切断水流，防止机组事故飞逸事故扩大，为检修创造条件。

水轮机筒型阀作为主阀的一种，布置在固定导叶与活动导叶之间，阀体自身关闭相当可靠，具有结构紧凑、操作灵活、水力损失小、密封性能号的特点，经过近年来的不断改进，在设计、制造和应用上积累了丰富的经验，在国内外许多电站取得了广泛应用，已成为了目前在大型水轮发电机上较为主流的一种主阀。筒型阀一般是以高压油为动力，通过液压传动的方式用高压油驱动接力器来操作，如何使筒型阀的多个接力器能同步动作，保持筒型阀阀体一直处于垂直状态？目前应用较多的有链条式机械同步系统和数字缸式电液同步控制系统，本例将对某电站的链条式机械同步系统筒型阀的一起故障进行分析。

1、链条式机械同步系统筒型阀结构

1.1 结构介绍

链条式机械同步系统的控制系统是由安装在筒型阀操作接力器上的同步链条、控制柜、筒型阀位置指示器、筒型阀位移变送器、接力器负荷监测开关等组成。其同步装置的主要原理是将筒型阀操作接力器上的顶部安装同步链条，在筒型阀动作时，每只筒型阀操作接力器上的开启腔、关闭腔接通控制油管进行动作。该同步方式完全依靠同步链条使各接力器同步运行，在国外电站于20世纪90年代就进行了应用，可靠性非常高。据漫湾电站统计，筒形阀初期投运7年半时间内，5台机累计经过了8000多次开关操作实践的考验，运行正常，均未发生过卡阻现象。但机械液压同步装置的丝杆链条造价高，挤占机坑内有效空间，并且在运行中会产生较大噪声。

1.2 运行原理

链条式机械同步系统的主要结构如图1所示，在筒型阀动作时，由筒型阀控制柜发出指令，通过油压系统来改变筒型阀操作接力器的关闭腔和开启腔的油压，驱动筒型阀本体上升或下降，接力器动作的同步性由链条式机械同步机构来保障。

2、故障原因和处理

2.1 故障过程

某天，该电站机组停机关闭筒形阀过程中上位机报1号机筒形阀全关位置异常复归，经现场查看，发现筒形阀开度关至7%后停住，在使用手动模式的情况下将筒型阀开启后再次关闭试验，至25%开度时筒形阀再次停住无法下落，再次进行开启操作时，在开至29%开度时爆出接力器负荷过载报警。

在故障发生后，为防止故障进一步扩大，该电站立即申请机组临时抢修，查找故障症结所在。将筒形阀手动落至全关位置后，对筒形阀各导向条的间隙进行测量，10号导向条与固定导叶间隙几乎为0，而对侧的间隙较大，由此判断故障的直接原因应该是筒形阀本体有倾斜，在关闭操作过程中与一侧固定导叶直接接触碰撞，导致筒形阀卡涩。技术人员将筒形阀在全开位置重新调整筒形阀接力器链条松紧度后再次进行全行程试验，筒形阀开度60%到80%区间时产生筒体刮擦异响，且筒形阀开启时4号接力器较其他接力器振动明显大并伴随有渗漏现象。

根据检查情况，技术人员将4号接力器解体后，发现接力器第二道滚珠轴承架损坏，其中十一颗滚珠仅剩十颗；轴用回转方形圈磨损严重；滚动丝杆幅由于卡环松开存在脱落情况。对4号接力器滚珠轴承、轴用回转方形圈、滚动丝杆幅及压盖密封进行更换后，完成4号接力器的回装。反复进行筒形阀全行程试验，筒形阀导向条间隙正常，接力器无明显震动，未发生异常情况报警，开启关闭状态正常。

3. 故障分析和应对措施

结合此前检修的相关数据和记录，我们对此次故障进行了分析，根据故障检查情况来看，4号接力器本身的故障现象较为明显，滚珠轴承的损坏、接力器密封的破损、滚动丝杆副的脱落都在检查中一一发现。一、如果故障原因是滚珠轴承架的损坏，最终会导致接力器传动出现问题，使5个接力器行程不一，从而导致筒形阀本体倾斜，与导向条之间的间隙单边变小甚至到零，引起筒形阀本体卡涩；二、我们查阅了近几年该机组检修时筒型阀本体与固定导叶上导向条间隙，这是判断筒型阀本体位置的一个重要指标，通过历史测量数据分析，近几次机组检修时，10号固定导叶处的筒型阀与导向条间隙一直偏小，时常有等于零的情况，这从侧面佐证了筒型阀本体确实有倾斜。

究竟哪个才是本次筒型阀卡涩故障的根本原因难以判断，以上两种现象互有因果关系，4号接力器滚珠轴承的损坏的后果就是五个接力器行程不一，引起筒型阀本体倾斜导致筒型阀卡涩；而筒型阀本体垂直度如果超过限值也必然导致五个接力器负荷不一，接力器传动丝杆副会偏离原位置发生倾斜，负荷较重的接力器很可能因长期承受过量的拉力而出现故障，进而造成恶性循环，筒型阀本体越来越歪，导致卡涩。就现场的情况来看，以上两种谁先谁后难以判断，但是给我们日常的检修维护工作提供了很多依据，在机组检修中，我们应对筒型阀进行以下维护。

1、对机械式同步机构的传动链条定期进行检查和调整，使其松紧度符合要求，有效防止因传动部分受力不一的问题引起链条局部过载断裂甚至筒型阀本体倾斜卡涩。

2、利用机组检修的机会，定期对筒型阀与导向条间隙进行测量，在筒型阀开度3%-5%位置自然下垂状态下测量本体上中下三个位置的间隙，不应在全关位置测量，杜绝阀体落在最底部受到支撑后间隙数据不真实的情况，这个间隙数据是分析筒型阀本体状态最有力的证据。

3、每次检修过程中，都对筒型阀本体与导向条的间隙数据与前次数据进行比对，跟踪观察筒型阀在检修周期内的间隙变动情况，在有必要的情况下进行针对性调整，确保筒型阀本体状态没有恶化。

4、利用机组大修的机会，对筒型阀接力器进行检修，定期更换密封，确保筒型阀接力器密封良好、滚动丝杆副活动灵活无卡涩；并在此基础上对顶盖水平度、筒型阀本体水平度、筒型阀接力器垂直度等影响筒型阀动作的多个因素进行数据测量和调整，确保筒型阀在机坑内能垂直上下。

4. 结语

筒型阀是一种可靠的水轮发电机主阀，在国内外很多电站都获得了广泛的应用，近年来，国内在筒型阀的设计、制造和应用上积累了非常多的经验，技术条件已经相当成熟，尤其是数字缸式电液同步控制系统在控制、纠偏等方面已经非常可靠，但是早期投运的链条式机械同步系统的筒型阀仍然有较多应用，并且因改造成本较高仍将继续使用。如果电站在筒型阀的使用中做好相关数据的监测，及时进行针对性的维护，必将能在电站的运行中发挥更加稳定可靠的作用。

参考文献：

[1] 刘功梅，曾镇岭。大型水轮发电机筒型阀近年来的应用浅析 水电站机电技术，2015，38（2）：75-77

[2] 陈显芳。我国水轮机筒型阀控制系统状态调研 《东方电机》2014(3)：1-10

[3] 吴旭明，陈荣洲。筒型阀在滩坑水电站中的应用 《中国水能及电气化》2010(1):55-58