減少水輪機停機后頂蓋水位異常上升率

吳雨霏，賴澤湖

（國家能源集團江西電力有限公司萬安水力發電廠，江西 萬安 343800）

0 引言

萬安水力發電廠的發電機組采用的是軸流轉槳式水輪機，對該類水輪機來說，因其頂蓋安裝高程低（大軸密封安裝高程66 m，常常低于開機時的尾水水位67.7 m），在機組停機后易發生頂蓋返水現象。而無論任何原因造成頂蓋水位過高都可能導致頂蓋、水導軸承淹沒事故，極端情況下還會引起水淹廠房事故，故控制機組頂蓋水位異常上升，歷來是運行工作的重點。

1 電廠簡介

萬安水電廠裝有5臺軸流轉槳式水輪發電機組，總裝機容量533 MW。其中，2號機組裝機容量為105 MW，配備ZZ440-LH-850型水輪機，設計流量554.75 m3/s，額定水頭23 m。

2 關于2號機頂蓋水位異常上升情況的調查

對2018年1月至2019年5月2號機停機后頂蓋水位異常上升情況進行調查，并以停機后頂蓋水位超過頂蓋排水泵自動啟泵水位（0.8 m）后依然持續上升為異常劃分標準，統計出2號機共停機113次，停機后頂蓋水位異常上升發生13次，占比11.5 %。并且，該現象易連續發生，如圖1所示，2019年3月連續的三次停機，后兩次都發生了頂蓋水位異常上升。

圖1 2號機2019年3月頂蓋水位曲線局部圖

對2號機停機后頂蓋水位異常上升速度及故障處理可用時間進行調查，以自動啟泵水位0.8 m至水導軸承淹沒水位之間的1.4 m高度差為計算值，發現異常發生時，頂蓋水位上升速度快，留給運行值班人員反應及處置的時間非常有限。統計結果：頂蓋水位異常上升最大速度為0.30 m/min、最小速度為0.07 m/min、平均上升速度0.18 m/min，相對對應的故障處理可用時間最少為4.6 min、最大20 min、平均8 min（故障處理可用時間＝1.4 m/水位異常上升速度）。

調查情況匯總：2號機在停機后易發生頂蓋水位異常上升現象，發生概率為11.5%，且易連續發生，一旦異常發生則頂蓋水位上升速度快，留給運行值班人員反應及處理的時間非常有限。

圖2 典型停機時頂蓋水位異常上升曲線圖

3 對2號機停機后頂蓋水位異常上升的原因分析

通過現狀調查，結合實際運行經驗，對2號機停機后引起頂蓋水位異常上升的原因進行分析，發現主要原因有3個：尾水水位低、大軸密封水水壓不足、新安裝大軸密封塊缺少磨合。

3.1 尾水水位低

大軸密封安裝高程正好接近尾水水位66.5 m，停機前如密封水壓剛好滿足密封要求，停機后隨著尾水水位繼續下降，水壓下降造成通過密封塊通流孔的密封水漏水量加大，傳導作用下，密封水水壓下降到低于密封所需值，密封塊受到向上的托舉水壓不足，密封塊發生沉降，密封塊與轉環之間的密封間隙會突然擴大，即失去了止漏的作用。

3.2 大軸密封水水壓不足

（1）大軸密封水水壓不足時，密封塊受到的密封水上升壓力不足，容易發生密封塊沉降，或者密封塊沉降后無法將其托舉回位，進而導致大軸密封間隙擴大，失去止漏作用，造成頂蓋水位異常上升。

（2）機組停機時，受轉輪室水壓變化，大軸密封水水壓會產生一個向下的波動，停機完成后會恢復。

（3）在新更換大軸密封塊后，因其密封效果好，為避免出現密封塊燒損，要求運行時大軸密封水按額定值下限0.02 MPa調整。這時，大軸密封水水壓在正常運行時剛好夠用。但在停機時，受尾水水壓波動影響，或大軸密封塊發生輕微卡阻，就可能會因大軸密封水水壓稍小于大軸密封塊復位所需水壓，造成密封塊失效。

3.3 新安裝大軸密封塊缺少磨合

大軸密封塊與密封座凹槽之間間隙較小，新更換的大軸密封塊因存在磨合問題，停機時，轉動環在機組軸向推力作用下，將密封塊下壓2～3 mm，密封塊被卡在密封塊座上，轉動環回位后，密封塊不能隨之頂起，導致密封間隙擴大，加劇頂蓋漏水。只有經過一段時間運行磨合后，密封塊形狀趨于圓滑，才不易發生沉降卡阻。

3.4 三要因之間的相互影響

需要說明的是，這三個要因并不是完全獨立起作用的，有時候它們是相互影響，綜合起作用的，單個要因并不一定會導致大軸密封失效而引發頂蓋水位異常上升，但兩個或三個要因同時出現時，則導致大軸密封失效而引發頂蓋水位異常上升的概率大增。

4 三步停機法

因三個要因都是在停機后造成主軸密封塊沉降后不能自行浮起，從而致使大軸密封失效，所以其主要對策就是找到減少停機過程中主軸密封塊下壓量，以及保持大軸密封有效水壓的停機操作方法。

分析1：機組停機過程中的大軸密封塊的下壓量（幅度和速度），是由停機時的流量變化引發機組軸向水推力突變產生的，所以只要能減緩停機時的機組流量變化速度，就可以有效減小停機時密封塊下壓量（幅度和速度）。如采用分步緩減負荷，將減負荷時間延長一倍，大負荷區（＞35 MW）快減，小負荷區（＜35 MW）慢減，效果十分明顯。

分析2：停機時，受轉輪室水壓和尾水水壓變化波動，大軸密封水水壓會產生一個波動，采用上述的分步緩減負荷，就可以有效減緩停機減負荷時段轉輪室水壓突變和尾水水位變化，減小大軸密封水水壓的向下波動幅值，從而保持大軸密封有效。

分析3：常規停機時，從機組減負荷至空載再到導葉全關后至轉輪室水壓穩定的全過程中，機組大軸密封運行狀況都處于一個連續的動態過程，容易產生不利條件疊加的情況，致使密封塊沉降，甚至密封失效。如果將這個連續動態過程打斷，如在減負荷后先空載一定時間，再發停機令停機，則可有效減少密封失效的概率。

根據以上分析，制定出保持大軸密封有效性的“三步停機”操作法：①緩慢減負荷到零；②讓機組空轉2 min；③發停機令。可有效減小停機時的大軸密封水水壓下降波動，同時還可減緩機組導葉關閉速度，減輕機組軸向水推力，能顯著起到改善機組停機時的大軸密封效果。

5 減少2號機停機后頂蓋水位異常上升率的運行方面的方法對策

（1）加強停機前的預判：停機前檢查尾水水位是否低于66.5 m、是否大軸密封水水壓不足，是否新安裝大軸密封塊。

（2）預判機組停機大軸密封有失效的可能時，采用“三步停機法”停機。

（3）做好停機后頂蓋水位異常上升的應急處置預想。

（4）加強對大軸密封水的運行監視及巡視檢查，加強監屏工作，避免人為疏漏放任大軸密封水水壓不足。

（5）當大軸密封水主、備用水源發生變化時，及時進行倒換，避免斷水。

（6）當大軸密封水濾水器出現淤堵，及時要求檢修人員進行清理，及時消除淤堵。

（7）編制《停機后頂蓋水位異常上升應急處置預案》并投入使用。

（8）班組定期開展相關的應急演練，使人員熟悉操作流程。

6 對策實施效果

實施了相應的“減少2號機停機后頂蓋水位異常上升”對策措施以后，運行值班人員在日常停機操作過程中，積極采取停機前預判、提前啟動頂蓋泵、機組三步停機、預備沖氣、預備投圍帶等有效防范措施，并在日常中加強了對大軸密封水的監視和調整工作。經驗證，在2019年8月至12月效果驗證期內，2號機共停機61次，發生頂蓋水位異常上升3次，發生率由原11.5%降至4.9%，有效減少了2號機停機后頂蓋水位異常上升率。