水電站調速系統存在反向供氣風險的研究

豆樂飛，趙業文，胡婷婷

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

水電站調速系統的壓力油罐是保證機組正常運行的重要儲能裝置。罐內大量的壓縮空氣保證了調速系統工作壓力的穩定。當氣量減少時，供氣系統會對壓力油罐進行補氣操作，若此時供氣系統壓力低于壓力油罐正常工作壓力，可能會出現壓力油罐向供氣系統反向供氣現象，進而造成壓力油罐、回油箱油位異常，威脅到機組的正常運行。通過對供氣干管加裝壓力監控、補氣裝置加裝單向閥、自動補氣裝置的開啟增加閉鎖條件等措施，可以有效避免這一現象發生。

1 調速系統壓油裝置及其供氣系統簡介

1.1 調速系統壓油裝置簡介

水電站調速系統是保證機組正常運行的核心系統，機組的開度控制、頻率控制和功率控制等都需要通過調速系統來實現。如圖1 所示，某電站右岸Alstom 機型調速系統主要由壓油裝置、主配壓閥、事故配壓閥、接力器、分段關閉裝置、過速裝置、冷卻器、各過濾器和各控制閥組等組成。其中壓油裝置是調速系統重要的動力供應裝置，由3～4 臺160 kW 的三螺桿油泵、油泵出口閥組（負責油泵的加載、卸載和超壓保護）、1 個22 m3的回油箱、1 個16 m3的油罐、1 個16 m3的氣罐和補氣裝置等組成。系統的正常工作壓力范圍6.1 MPa～6.3 MPa。主供油管管徑200 mm。

圖1 調速系統現場布置圖

1.2 壓油裝置供氣系統簡介

如圖2 所示， 某電站右岸壓油裝置供氣系統由3 臺型號為H280-WL、壓力等級為10 MPa、排氣量為3.4 m3/min 的活塞式空壓機、2 個額定工作壓力為10 MPa 的4m3屋內立式儲氣罐、兩路出口減壓閥管路等組成。兩個儲氣罐的正常工作壓力范圍為8.6 MPa～9.0 MPa。儲氣罐出口有兩路減壓閥管路，“一主一備”并聯布置。減壓閥將儲氣罐的壓力降至6.8 MPa～7.3MPa，減壓后的壓縮空氣由油壓裝置供氣干管供給機組調速系統壓力油罐使用。

圖2 壓油裝置供氣系統圖

2 壓力油罐油氣比控制原理

壓力油罐是調速系統重要的儲能裝置。罐內蓄積的壓力油保證了調速系統的介質供應，蓄積的壓縮空氣保證了調速系統工作壓力的穩定。正常情況下，罐內應保持合適的油氣比，以保證油量和氣量的平衡。油量和氣量之間為此消彼長的關系，當氣量偏少時，油泵會向壓力油罐注入更多的油量以維持系統壓力的穩定，壓力油罐油位就會偏高；反之，壓力油罐油位就會偏低。以某電站右岸Alstom 機型21F 調速系統為例，油氣比的控制主要體現在補氣裝置對壓力油罐油位的控制上，當壓力油罐的油位高于2 620 mm 時，補氣裝置開始補氣，當自動補氣計時器達到5 min 時，補氣停止。

3 調速系統反向供氣案例分析

3.1 調速系統反向供氣案例過程概述

如圖3 所示，以某電站右岸Alstom 機型21F 調速系統的一次反向供氣故障為例進行過程分析。正常情況下，供氣系統減壓閥出口壓力（即壓油裝置供氣干管壓力）為6.8 MPa～7.3 MPa，調速系統的正常工作壓力為6.1 MPa～6.3 MPa，供氣干管壓力高于調速系統的正常工作壓力。當補氣閥開啟時，壓油裝置供氣系統可以正常給調速系統供氣。

圖3 調速系統反向供氣故障波形圖

從圖3 可以看出，從2022-1-13 20:13 開始至次日凌晨7:58，壓油裝置供氣1 號、2 號儲氣罐壓力一直處于正常范圍內（8.6 MPa～9.0 MPa），但壓油裝置供氣干管的壓力在緩慢的下降，在圖中標記位置已經降至5.4 MPa（正常范圍6.8 MPa～7.3 MPa）。此時的供氣干管壓力已經低于調速系統正常工作壓力（6.1 MPa～6.3 MPa）。

此時，恰逢21F 調速系統壓力油罐的油位高于2 620 mm（正常情況下，隨著壓力油罐氣量的損耗，油位會緩慢升高），補氣裝置啟動。由于供氣干管壓力只有5.4 MPa，21F 調速系統壓力油罐開始向供氣干管反向供氣。由于油罐氣量損失，為了維持21F調速系統壓力處于正常工作范圍內，油泵向壓力油罐供油的頻次開始增加。回油箱平均油位下降，壓力油罐平均油位上升，回油箱油位出現低報警、壓力油罐油位出現高報警。維護人員切換至另一路減壓閥后，供氣干管壓力恢復正常。壓油裝置供氣恢復正常，21F 調速系統壓力油罐、回油箱逐漸回歸正常油位。

在隨后的故障排查中發現供氣干管壓力下降的原因為減壓閥沒有正常工作，壓油裝置供氣1 號、2號儲氣罐的氣源不能通過減壓閥給供氣干管供氣。隨著干管氣量的損耗，干管壓力緩慢下降。

3.2 調速系統反向供氣案例分析

從3.1 的故障過程記錄可以看出，壓油裝置減壓閥出口壓力（即供氣干管壓力）低于調速系統正常工作壓力時，調速系統存在反向供氣風險。當反向供氣發生時，壓力油罐會損失大量的壓縮空氣，油罐油位可能會出現高報警，回油箱油位可能會出現低報警。

壓油裝置供氣干管壓力的下降程度直接決定了壓力油罐和回油箱油位出現異常的嚴重度。具體可分為以下兩種情況：

（1）回油箱油位低報警。這種情況下，現場人員通過手動關閉壓力油罐補氣裝置，可以避免情況的進一步惡化。

（2）回油箱油位過低報警。這種情況下回油箱油位低于油泵進口高程，可能會造成所有油泵全停。調速系統也就失去了持續的動力來源，系統的壓力會緩慢下降，最終可能造成低油壓停機。這種情況維護人員應首先手動關閉壓力油罐補氣裝置，盡快采取措施恢復油泵的運行，可暫時避免機組的非計劃停運。然后，再排查造成壓油裝置供氣干管壓力下降的原因，并進行處理。

所以，壓油裝置供氣干管的壓力是否正常對調速系統來說至關重要。

3.3 調速系統反向供氣風險的主要應對措施

（1）壓油裝置供氣干管壓力信號接入監控

對于調速系統存在反向供氣風險來說，壓油裝置供氣干管的壓力信號接入監控系統是一個較為有效的解決辦法。運行人員可以實現對供氣干管壓力的實時監控。當供氣干管壓力出現異常時，運行人員可以第一時間接收到報警信號，現場人員就能夠有充足的時間來采取措施避免情況的進一步惡化。

（2）機組調速系統壓力油罐補氣管路加裝單向閥

通過對機組調速系統壓力油罐補氣管路加裝單向閥，可以在物理硬件上避免調速系統反向供氣風險的發生。壓縮空氣只能從供氣干管流向壓力油罐，而不能反向流動。加裝單向閥的優點在于從機械方面在根本上解決問題。缺點在于增加了調速系統的漏點。

（3）自動補氣裝置的開啟增加閉鎖條件

當壓油裝置供氣干管的壓力出現報警時，機組調速系統的自動補氣裝置應禁止開啟。從軟件程序控制上避免了該風險的發生。優點在于易實現、成本低。缺點在于系統控制程序不開源的情況下難以實現。

3.4 可能造成調速系統反向供氣風險的其他情況及應對措施

（1）手動補氣速度過快

在檢修狀態下，經常需要對壓力油罐進行手動補氣。當手動補氣閥門開度過大，補氣速度過快時，供氣干管的壓力有可能低于調速系統的正常工作壓力。此時，若其他機組進行自動補氣操作，有可能造成其他機組的反向供氣。所以，手動補氣時，應監視供氣干管的壓力，補氣的速度應低于空壓機供氣的速度，維持供氣干管的壓力在正常范圍內。

（2）壓油裝置供氣系統出現異常

壓油裝置供氣系統減壓閥出現異常、空壓機不能正常啟動、供氣管路出現大量泄漏等原因，都有可能導致供氣干管壓力出現異常。

適當的增加壓油裝置供氣系統的備份和冗余，例如采用兩路減壓閥管路、兩個壓油裝置供氣儲氣罐、多臺空壓機互為備用等冗余設計可以有效應對壓油裝置供氣系統出現的各種異常情況，避免供氣干管壓力的異常下降。

4 結語

本文通過對水電站調速系統存在反向供氣風險的分析，提出了壓油裝置供氣干管壓力的異常降低是造成該風險的根本原因。通過對供氣干管加裝壓力監控、補氣裝置加裝單向閥、自動補氣裝置的開啟增加閉鎖條件等優化措施，可以有效避免這一現象發生。總結了可能造成該風險的其他情況及應對措施。這些措施若付諸實施，必將提高水電站調速系統運行的安全穩定性。對類似水電站機組調速系統、壓油裝置供氣系統的設計安裝、優化改進，也具有一定的參考價值。