非同步導葉壓力低導致機組跳機的缺陷分析及處理

于 瀟，祁亞靜，任 剛，吳 妍，金清山

（河北張河灣蓄能發電有限責任公司，河北 石家莊 050300）

非同步導葉壓力低導致機組跳機的缺陷分析及處理

于 瀟，祁亞靜，任 剛，吳 妍，金清山

（河北張河灣蓄能發電有限責任公司，河北 石家莊 050300）

介紹了張河灣抽水蓄能電站3號機組啟動過程中非同步導葉油罐壓力低導致機組機械停機事故，其原因為3號機非同步導葉開啟過快導致壓力油罐壓力下降過快。通過在排油管路加裝合適尺寸節流片后，該問題得以解決。

抽水蓄能；非同步導葉；節流片

0 前言

河北張河灣蓄能發電有限責任公司位于河北省石家莊市井陘縣境內，距石家莊市直線距離為53km，公路里程為77km。張河灣電站設計安裝4臺250MW單級混流可逆式水泵水輪發電機組，總裝機容量1 000 MW，以一回500 kV線路接入河北南部電網，主要承擔系統調峰、填谷、調頻、調相等任務，并且在電網故障甚至瓦解時，可以充當電網最佳的緊急事故備用和“黑啟動”電源。電站最大毛水頭342m；最小毛水頭283m；水輪機工況額定水頭305m。電站水泵水輪機導水機構共設置了20個導葉，導葉最大開度為36.18°，為了在導葉開啟過程中躲避不穩定的“S”形區域，即反水泵工況區，設置了4個為非同步導葉（3號、4號、13號、14號）。4個非同步導葉單獨動作時，3號、13號導葉開度為5°，4號、14號導葉開度為15°，目前機組運行穩定。

1 非同步導葉介紹

1.1 非同步導葉工作原理

非同步導葉裝置的工作原理即先把4個非同步導葉打開，3號5°、4號15°、13號5°、14號15°，且保持到其他導葉打開至某一特定開度后再進入同步操作，在其他導葉較小開度時就能得到相應的流量和速度。由于在導葉較小開度時避開了“S”不穩定區的機組其運行穩定性能得到明顯改觀，即運行范圍已不在“S”區。在運行水頭范圍內導葉所有開度線與各種負荷的轉矩線都只有一個清晰的交點，亦即相對應的n1’=常數，這意味著運行工況必然是穩定的。機組并網后，為了保持負載工況下的穩定性，其他導葉在控制環的操作下繼續開啟，而兩個預開啟導葉仍保持不變。當達到某一功率（為70 MW）或導葉開啟至一個特定角度后，預開啟導葉才與其他導葉同步隨功率增大繼續開啟至最大。

1.2 非同步導葉作用

抽水蓄能機組水輪機轉輪直徑大、葉片長、慣性大，特性曲線較復雜。其全特性-流量特性曲線中，在高轉速區水的進流很快下降，曲線向下彎曲明顯，當機組到達飛逸轉速后，在其強大慣性力的推動下，有可能直接進入制動區，在進入水機制動區后，由于水流對轉輪的阻礙作用，在流量減少的同時，轉速略有下降，故曲線出現反彎，如慣性力仍不消失，轉輪離心力將使水流反方向流出，即進入反水泵區，此時轉速將繼續增大，使曲線又向N11增大方向彎曲，形成一個“反S”形，在S形區域內機組在同一轉速下可能會有三個不同的單位流量，且其中之一在反水泵區（Q＜0），從而產生轉速擺動和不穩定。特別是在導葉小開度下高轉速區水的進流特性曲線彎曲度更大，更容易進入反水泵區，在額定轉速下，并網時的導葉開度是最小導葉開度，也就是說并網前的區域是最危險的區域。為了躲避在全特性曲線中出現的不穩定“S”形區，改善機組水輪機特性，我廠將水輪機3號、4號、13號、14號導葉改造為非同步導葉。

1.3 非同步導葉控制邏輯

1.3.1 根據設計，加裝非同步導葉的調速器系統對下述運行工作是有效的

（1）P轉G工況運行；

（2）機組在甩負荷后的空載額定轉速運行；（3）機組并網運行；

（4）機組背靠背啟動方式（拖動機）；（5）黑啟動工況啟動；（6）線路充電工況啟動；（7）機組G工況啟動。

1.3.2 監控中各工況啟動時開非同步導葉條件

（1）P轉G工況運行時

①收到G工況啟動信號；

②收到換相刀閘合于G方向信號；

③收到機組開關GCB分位信號；

④收到機組轉速大于等于50%額定轉速信號；

⑥收到機組轉速小于等于110%額定轉速信號；

⑦收到調速器ADT1000無大故障信號。

（2）機組甩負荷后的空載額定轉速運行時

①收到機組開關GCB分位信號；

②收到機組轉速大于等于50%額定轉速信號；

③收到機組轉速小于等于110%額定轉速信號；

④收到調速器ADT1000無大故障信號。

（3）黑啟動（BS）、線路充電（LC1、LC2）工況啟動時

①收到機組開關GCB合位信號；

②收到機組轉速大于等于50%額定轉速信號；

③收到機組有功功率小于70 MW信號。

（4）機組并網穩定運行時

①收到機組開關GCB合位信號；

②收到機組轉速大于等于50%額定轉速信號；

③收到機組有功功率小于70MW信號。

（5）機組G工況啟動、機組背靠背拖動做拖動機時

① 收到機組開關GCB分位信號；

②收到機組轉速大于等于50%額定轉速信號；

③收到機組轉速小于等于110%額定轉速信號；

④收到調速器ADT1000無大故障信號。

1.3.3 監控非同步導葉流程控制示意圖（見圖1）

圖1 非同步導葉流程控制示意圖

2 缺陷發生經過

2.1 缺陷發生前運行方式

故障前運行狀態：張廉線5002、5003開關運行，2號機組發電運行出力250 MW，1～4號主變運行；廠用電10 kV I段由1003供電，I段帶II段運行，III段由1002開關供電獨立運行。

2.2 缺陷描述

20:10:34按計劃3號機發電方向啟動。

20:12:56 3號機發電方向并網，但沒到穩態工況。

20:13:24監控出現報警：U03_ME10_CP201_TG01 CP201 Oil Pressure N-V-Low→V-Low。

20:13:24 3號機組出力46.79 MW時，監控出現報 警 :U03_GA01_MECFLT_DZ01UnitMchanical Fault N-TRP→TRIPPED。3號機組機械停機。

3 缺陷分析、問題排查、原因分析、處理步驟

3.1 缺陷分析

經查監控記錄，3號機并網后非同步導葉正常關閉，4 s后再次開啟，導致非同步導葉油罐壓力下降至約7.9 MPa，該機械保護定值為小于9 MPa，延時1 s機械跳機。

3.2 問題排查

（1）運維人員現場檢查非同步導葉油罐壓力，與監控壓力顯示一致，壓力顯示正常；

（2）現場檢查非同步導葉均在關閉位置，機械設備無異常，管路無漏油現象；

（3）查看歷史記錄，非同步導葉在GCB合閘后，正常關閉后又異常開啟（圖2）。進一步分析機組順控流程，查找非同步導葉異常開啟的原因：發電工況GCB合閘后，有功功率低于45 MW時監控會再次發令開啟非同步導葉。查看歷史曲線，發現3號機組發電并網后有功功率確實再次低于45 MW，最低有功達到約34.24 MW（見圖4），導致非同步導葉再次開啟。由于非同步導葉關閉、開啟過快，導致短時間儲能罐內油壓下降過快，低于跳機值，油泵來不及將壓力補到正常范圍，最終引起機械事故停機。

圖2

（4）查找歷史記錄，統計3號機最近4次動水情況下，非同步導葉開啟、關閉時間，見表1，其他機組非同步導葉開啟、關閉時間，見表2。

表1 3號機組最近五次非同步導葉開啟及關閉時間

表2 1、2、4號機組的非同步導葉開啟、關閉時間

對比發現：3號機組非同步導葉開啟、關閉時間與其他機組相比所用時間較短。

可能產生的后果：1）非同步導葉油罐壓力下降過快，油泵無法在延時時間內重新建壓，從而使壓力低至9 MPa以下，機械停機；2）機組發電工況并網后，非同步導葉迅速關閉，但此時其余導葉開啟速度較慢，機組有功迅速下降至45 MW以下，導致監控再次發令開啟非同步導葉。

3.3 原因分析

3.3.1 直接原因：3號機在發電啟動過程中，非同步導葉壓力油罐壓力低于9 MPa，延時1 s機組機械事故停機。

3.3.2 根本原因：

1）非同步導葉關閉、開啟過快，導致短時間內壓力油罐油壓下降過快，油泵來不及將壓力補到正常范圍。

2）電磁閥AD201（非同步導葉動作電磁閥）的節流片孔徑不合適。

3.4 處理步驟

1）對3號機非同步導葉油壓系統進行隔離；

2）檢查3號機組非同步導葉電磁閥AD201，未見異常；

3）更換3號機組非同步導葉電磁閥AD201排油管路的節流片；系統建壓，現地手動開關非同步導葉，開啟、關閉時間約為70 s左右，均超過順控流程中設定的45 s，會導致機組發電工況啟動失敗。鑒于此情況，需重新加工孔徑合適的節流片。

4）在合適孔徑的節流片加工、回裝之前，將3號機組非同步導葉油罐壓力的機械保護設定值進行臨時修改。現地手動啟動油泵建壓，統計儲能罐的壓力由9 MPa至10 MPa所需時間約為12 s，故將定值臨時修改如表3：

表3 機械保護設定值修改

5）8月3日，結合1號機定檢,檢查1號機組非同步導葉電磁閥AD201排油管路的節流片,測量節流片兩端孔徑約為4 mm/2 mm；按照1號機的情況，加工節流片孔徑至4 mm/2 mm。

6）在加工的節流片到位后，將3號機組非同步導葉電磁閥AD201排油管路的節流片進行更換。更換節流片后，現地動作非同步導葉（靜水情況下）開關動作情況正常，開關時間統計如表4：

表4 開關時間統計（靜水）

7）8月4日，3號機發電啟動成功，動水情況下，非同步導葉正常動作，開關時間統計如表5：

表5 開關時間統計（動水）

8）非同步導葉壓力油罐壓力變化正常。現地模擬啟動失敗時非同步導葉動作情況:啟動前非同步導葉壓力油罐壓力13.62 MPa，非同步導葉到全開后，1.5 min后開始關閉,全關4 s后再次開啟非同步導葉，整個過程中油罐壓力最低至10.79 MPa，油泵啟動、建壓均正常。

9）8月4日，3號機發電開機時壓力13.68MPa，最低壓力10.92 MPa，非同步導葉油泵啟動、運行正常。

4 暴露的問題

（1）未及時發現3號機非同步導葉開啟、關閉時間較其他機組過快的現象。

（2）未將機組非同步導葉的運行情況納入月度技術分析。

5 防控措施

（1）完善調速器系統電磁閥設備臺賬，結合檢修統計4臺機組的電磁閥節流片位置和節流片孔徑。

（2）為避免再次出現非同步導葉連續動作的情況，考慮在有功大于等于70 MW關非同步導葉這一命令后增加10 s延時，但此邏輯的修改需得到主機設備廠家阿爾斯通的確認，公司已安排人員與廠家進行聯系確認。

（3）將機組非同步導葉的開啟關閉時間納入月度技術分析。

6 結語

通過處理此次非同步導葉的缺陷，我們對非同步導葉的工作原理、作用以及開啟邏輯都有了更加深刻的認識，反思此次缺陷出現的問題，總結的經驗要延伸到其他機組中，保證機組的安全穩定運行，提高機組運行的可靠性。

[1]劉大愷.水輪機[M].3版.北京：中國水利水電出版社，1997.

TV734

B

1672-5387（2016）12-0066-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.12.024

2016-08-29

于 瀟（1990-），男，助理工程師，從事抽水蓄能電站運維管理工作。