白蓮河抽水蓄能電站水泵水輪機迷宮環流量監測中存在的問題及處理

張成華，李莉萍

（湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北 羅田 438600）

1 工程概況

白蓮河抽水蓄能電站位于湖北省黃岡市羅田縣白蓮河鄉境內，電站裝設4臺單機容量為300 MW的單級混流可逆式水泵水輪電動發電機組，平均年發電量9.67億kW·h，年抽水耗用低谷電量12.89億kW·h，屬日調節純抽水蓄能電站。電站以一回500 kV出線接入黃岡變，在華中電網承擔調峰、填谷、調頻、調相、事故備用及黑起動的任務。

電站水泵水輪機型式為立軸單級混流可逆式，由阿爾斯通生產，型號為HLN-LJ-550，機組分發電及抽水兩種工況，在轉輪與頂蓋、轉輪與底環間設置止漏環，型式為梳齒形止漏環 （即迷宮環）。

2 迷宮環原理簡介

2.1 上下迷宮環結構

白蓮河抽水蓄能電站機組上迷宮直徑3 772 mm，間隙1.5 mm，下迷宮直徑3 838 mm，間隙1.8 mm，迷宮環分為固定部分與轉動部分，轉動部分與轉輪材質相同，同為ASTMA743CA6NM，硬度為250HB，固定部分分別焊接于頂蓋及泄流環上,材料為銅鋁合金材料，硬度為150HB。上、下迷宮環示意圖如圖1、2所示。

2.2 上下迷宮環流量要求

迷宮環運行時對冷卻水流量有明確的要求，冷卻水流量與運行過程中迷宮環的溫度變化密切相關。溫度及流量變化都有相應的報警及停機整定值，具體參數如表1所示。

2.3 迷宮環作用及功能

圖1 上迷宮環

圖2 下迷宮環

表1 迷宮環溫度和流量參數

機組在發電工況時轉輪室整個處于水流之中，迷宮環本身并不需要特別供給冷卻水。但機組在抽水工況啟動時，機組轉速通過SFC拖動由0升至額定轉速 （250 r/min），為減小SFC拖動力矩及其所耗有功功率，在SFC拖動機組之前先向機組尾水錐管段通入壓力為8.2 MPa的高壓氣，利用高壓氣將尾水水位下壓至-850 mm，確保轉輪在壓水水位之上，而后通過SFC拖動機組，轉輪在空氣中轉動，所耗有功大大少于在水中轉動所耗有功。機組升速的過程中，轉輪室在此階段處于高壓氣中，轉動部分與固定部分間產生熱量，隨著機組轉速的升高及迷宮環脫水，溫度逐漸升高，因此需要設置迷宮環冷卻水用于迷宮環轉動部分的冷卻及潤滑，針對迷宮環設有溫度監測及冷卻水流量監測，以確保機組穩定運行。

迷宮環冷卻水取自機組球閥前壓力鋼管段，與機組主軸密封為同一水源，壓力為2.6 MPa，經過DN150供水管后分為兩路，一路通過DN50管路單獨供給主軸密封，另一路經液壓閥后分兩路分別通過兩根DN80供水管供給上下迷宮環，管路分別設置手動閥，機組調試期間曾通過此手閥控制迷宮環流量。具體供水管路圖如圖3所示。

圖3 迷宮環供水管路示意

3 迷宮環運行不穩定問題分析及處理措施

3.1 問題描述

迷宮環投運后，運行一直不穩定，機組調相工況運行時，管路內反竄進氣體及迷宮環供水管路形成的振動，對流量傳感器的監測產生極大影響，從歷年的運行情況看，投產之前及投產初期上下迷宮環流量問題是引起的機組抽水不成功的主要因素，嚴重影響機組的穩定運行。由于迷宮環流量監測的不穩定曾多次引起機組抽水調相啟動不成功，機組迷宮環流量設定值為上迷宮環900 L/min停機，下迷宮環1 200 L/min停機，并且都有5 s的延時，機組調試期間，迷宮環流量多次在機組設定值左右跳動且無法穩定。

3.2 原因分析及處理措施

3.2.1 迷宮環流量監測

通過對迷宮環管路進行細致的檢查，初步懷疑是管路內部堵塞，對供水管路進行拆卸檢查，并對球閥前取水管路進水口濾網進行了改造，但收效甚微。

機組投產后，電站專門針對迷宮環流量監測問題進行分析檢查，最后分析原因有以下幾點：

（1）機組停機后，對迷宮環供水管路進行壓力檢查，發現管路中積存大量的氣體，分析為機組調相壓水過程中少量高壓氣通過迷宮環冷卻水供水口反竄至管路中，氣體進入管路造成冷卻水流態的不穩定，導致流量計電磁感應部分無法形成穩態流體，從而對電磁流量計的監測造成極大影響。

（2）機組抽水調相啟動前先打開供水液壓閥，對迷宮環進行冷卻供水，高壓水進入管路后因流態的不穩定造成管路產生振動及噪音，這也是監測不穩定的一個因素。

3.2.2 傳感器

原流量計型號為DWM2000流量變送器，4～20 mA輸出，此傳感器用于測量導電液體，膠體和懸浮液的測量，測量原理如圖4所示。

圖4 DWM2000流量變送器測量原理示意圖

導體在磁場內運動可纏身感應電壓U。被測液體就是一種導體，它的流動方向與磁感應強度B垂直，感應出的電壓U=K×B×V×D，其中K代表常數，B代表磁感應強度，V代表介質流速，D代表電極間距。電壓U即兩個電極之間的電壓，通過內部轉換元件，U被轉換成與流量成正比、與負載無關的4～20mA輸出。正確的安裝位置如圖5示，錯誤的安裝位置如圖6示。DWM2000的電源及輸出連接方式如圖7所示。

圖5 正確安裝位置

圖6 錯誤安裝位置

圖7 DWM2000的電源及輸出連接方式

（1）根據產品說明書要求，此流量計應安裝于水平管道上，并且是無氣泡的區域，由于傳感器特殊的監測原理，當測量區域有氣體產生時將使測量結果精確度大為減少，但鑒于設計因素電站迷宮環傳感器的管道均為豎直管道，管路改造難度較大；其次在機組升速過程中管道中產生氣體影響測量區域的流體連續性，導致管道內始終無法充滿液體，對上送值產生極大的影響。經過分析，決定對管道內部氣體進行處理，在上下迷宮環供水管路的最高點加裝排氣閥 （排氣閥能夠在管路內存在氣體的情況下排盡氣體，機組運行過程中氣體由底部向頂部運動，直至通過排氣閥排出。

（2）按傳感器要求通過供水手動閥對流量進行控制，打開供水液壓閥同時手動控制上下迷宮環流量供水閥，使流量穩定在需要的范圍內 （上迷宮環穩定于1 000 L/min以上，下迷宮環穩定于1 400 L/min以上）。

處理后對機組調相工況啟動起到了一定的效果，機組流量較之前更加穩定，但運行一段時間之后仍會出現管路氣體無法排盡導致顯示流量變小且無法穩定的情況，現地調節手動控制供水閥門仍然無法根治管路內流態不穩定的弊病。

3.2.3 流量傳感器的改造

通過查閱相關資料及其他電站應用實例采取了更換流量傳感器的措施，對全站的迷宮環流量計進行了改造,將原DWM 2000型電磁流量傳感器更換為EDD575型差壓流量傳感器。

上下迷宮環管路分別裝設有節流孔，上迷宮環節流孔徑25 mm，下迷宮環節流孔徑為27 mm，新流量傳感器壓力取自節流孔前后，通過測定迷宮環供水節流孔前后壓力差，壓差經過傳感器內部轉換為對應的4～20 mA輸出，傳感器能夠轉換壓差為3.75×10-4～2 MPa精度滿足現場要求。接線如圖8所示。

圖8 EDD575型差壓流量傳感器接線示意圖

電站4臺機組全部進行流量計改造后對流量進行監測，上迷宮環流量穩定在1 300 L/min以上，下迷宮環流量能夠穩定在1 700 L/min以上，機組調相過程中再未出現流量跳動情況，迷宮環溫度在正常范圍內未出現異常，此次改造成功的解決了迷宮環流量監測過低且不夠穩定的問題。

4 結 語

此次流量計改造針對電站迷宮環供水管路的特性選擇了差壓式傳感器，監測結果表明差壓式傳感器更適合此管路的設計，無論在有無氣體的情況下，節流孔前后壓差都不會產生大的波動，傳感器的精度確保能夠將壓差完好的轉變為4～20 mA電流量上傳。

湖北白蓮河抽水蓄能電站迷宮環流量監測經過多次處理改造，達到了有關技術規范的要求，提高了機組的啟動成功率，運行可靠性、穩定性和可用率，為電站安全生產目標完成提供了可靠的保障。

［1］ 陳加明.迷宮環優化加工的研究和實踐 ［J］.機械制造.2007（2）:33-34.

［2］ 唐俊達.水輪機檢修工作中的嘗試 ［J］.水電站機電技術.1983（2）:21-23.