陽蓄電站水泵水輪機調試問題分析及解決方案

曲 揚，楊 威，張 爽，任光輝

（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040）

0 前言

為實現碳達峰碳中和的目標，可再生能源發電的規模快速提升，電力負荷持續增長、電力系統峰谷差逐步加大等問題日益突出。作為最經濟、最具大規模開發條件的抽水蓄能，能彌補光伏、風電等新能源的“先天缺陷”，解決新能源發電不穩定等難題，是世界公認的運行靈活可靠的調峰電源，可承擔電網的調峰、調頻、調相、穩定電力系統的頻率和電壓等任務，為電網經濟高效、安全穩定運行提供保障，為新能源產業發展的“護航員”。隨著抽水蓄能技術的進步，抽水蓄能機組正向著高水頭、大容量發展，陽蓄電站是700 m 超高水頭抽水蓄能電站，單機容量400 MW，是目前國內單機容量最大蓄能機組，其成功設計、制造、安裝并發電，具有非常重要的意義。電站機組經過調試完成了所有動態試驗項目，在調試過程中出現了一些問題，文中從水泵水輪機調試過程出現的問題入手，分析論述問題產生的原因并給出解決方案，為后續抽蓄機組的調試和運行提供經驗和參考。

1 SFC 啟動，拖動過程中止漏環冷卻水流量異常

1.1 問題描述

陽蓄1 號機組SFC 首次拖動，機組水泵方向首次啟動，隨機組轉速升高，止漏環冷卻水量降低，以至低流量報警。調整蝸殼平壓管上的節流孔板后，過流通道壓力仍然異常。

1.2 問題分析

陽蓄水泵水輪機止漏環冷卻水取自尾水，尾水經技術供水泵（揚程45 m）增壓后，引至機墩外。機墩外止漏環供水管路由過濾器、節流孔板、止回閥和電動閥組成，管路分別接至上、下止漏環處，管路布置見圖1。

圖1 止漏環供水管路布置圖

機組啟動后，止漏環供水量隨轉速上升而下降，且上止漏環供水量下降快，與理論計算值有偏差，以至低流量報警。理論計算所得上止漏環冷卻水流量應更大，而試驗時下止漏環冷卻水流量始終偏大，冷卻水量與轉速關系見表1。報警流量設定值：上止漏環70 m3/h，下止漏環45 m3/h。

表1 冷卻水量與轉速關系

機組在拖動時，充氣壓水，蝸殼平壓閥開啟，蝸殼與尾水管進口壓力應基本相當。通過調取現場狀態監測數據發現，機組過流通道內壓力有異常表現，蝸殼進口壓力偏高，其實測值見表2。

表2 不同轉速下各參數實測值

分析認為，可能是蝸殼平壓管水流不暢導致。決定更換蝸殼平壓管節流孔板。

節流孔板更換后，繼續進行升速試驗，止漏環冷卻水流量正常，但過流通道內壓力異常，且蝸殼壓力明顯升高，表明止漏環冷卻供水進入轉輪，在外緣處形成的水環加厚，蝸殼壓力升高，同時機組功率也發生了變化，見表3。用超聲波流量計并未能在蝸殼平壓管路上測得流量，確認蝸殼平壓管出現問題。

表3 更換節流孔板后不同轉速下各參數數值

1.3 處理過程

①為便于消除水環，將蝸殼平壓管路上節流孔板擴大；②檢查發現蝸殼平壓管的手動閥處于關閉狀態，開關操作與常規閥門相反，現場將此手動閥全開，后續試驗時，未再出現此問題。上下止漏環流量及溫升相對正常。蝸殼壓力也與尾水管進口壓力基本相當（見表3 機組轉速485 r/min 列數據）。

2 水導瓦溫偏高

2.1 問題描述

陽蓄1 號機組水導軸承在初步配重后，進行瓦溫考核，在額定轉速下水泵調相工況旋轉90 min，水導瓦溫基本穩定，最高瓦溫達到68.4℃，已超過合同規定水導瓦溫65℃報警值。

2.2 問題分析

水導軸承采用加泵強迫外循環稀油潤滑分塊瓦結構。軸領外徑Φ1 450 mm，其布置能允許主軸在豎直方向移動。水導軸承共10 塊瓦，合同要求運行時瓦溫不超過65℃，當瓦溫70℃時應報警停機，水導軸承油溫不得超過50℃。設置有外循環集成冷卻裝置為水導內流出的熱油進行冷卻，該裝置由外加泵（1 主1 備）、板式換熱器、油過濾器（1 主1 備）、冷卻水過濾器（1 主1 備）等組成，水導出口的熱油經油泵加壓，滿足循環要求，同時經過冷卻的熱油可以進行自動過濾并監測油溫，實現在機組運行過程中，不間斷連續運行，確保每個元件在工作當中不停機的情況下可以在線更換和維修。

試驗時，水導軸承冷卻水進水溫度25℃，出水溫度26.7℃，油槽溫度45℃，冷卻后油溫35.5℃。水導軸承循環油量49～52 m3/h，冷卻水量（開2 組冷卻器）164 m3/h，運行90 min，冷熱油溫差9.5℃，換熱器進出水溫度差1.7℃。根據換熱器廠家計算報告：單個換熱器在水量78 m3/h 條件下，對52.2 m3/h 熱油進行冷卻，進出水溫2.7℃可使油溫度下降10℃。機組冷卻水取自尾水，2 h 調相，冷卻水溫升也達4～5℃。因此，如果要滿足長時間調相運行，換熱器的冷卻能力顯得不足。

2.3 處理過程

（1）將2 個板式熱器同時開啟，提高冷卻能力。

（2）根據瓦溫調整各水導瓦間隙，使瓦溫降低且各瓦溫度均勻。

水導瓦間隙調整后，進行瓦溫考核，在額定轉速下水泵調相工況旋轉2 h，各瓦溫度如表4。

表4 水導瓦間隙調整前后各瓦溫度對比表

3 抽水調相停機過程中，上下止漏環低流量報警觸發QSD

3.1 問題描述

陽蓄1 號機組抽水調相瓦溫考核試驗停機時，在機組運行2 h 后啟動停機流程，上下止漏環供水低流量報警，延時2.5 min 后，觸發QSD 停機流程。上止漏環溫度也從29℃迅速升高至38℃。

3.2 問題分析

抽水調相后啟動自動停機，機組從充氣壓水轉換至回水排氣狀態。蝸殼和頂蓋排氣閥從開啟到關閉，經歷了18 s，也就是說，回水排氣時間共用了18 s 監控報文，見圖2。根據理想氣體方程，按頂蓋排氣管路上安裝的節流孔板直徑計算，回水排氣時間應該為35～45 s，從監控報文中可以看出，尾水管液位信號發出2 s 后即關閉排氣閥，結束排氣，這時轉輪腔內的空氣并沒有被完全排出。可以算出轉輪腔排出的氣體量為44%，而關閉排氣閥后，轉輪仍在空氣中旋轉，此時轉速下降，蝸殼平壓閥在排氣結束命令時關閉，蝸殼壓力迅速升高，止漏環供水量減少，止漏環由于冷卻水量不足導致溫度升高。

圖2 監控報文

3.3 處理過程

（1）由于回水排氣時間過長，將頂蓋排氣管上的節流孔板尺寸擴大，保證排氣時間縮短至15～25 s。

（2）調整流程，將止漏環冷卻水供水關閉節點從流程結束后更改為與頂蓋排氣閥關閉同時進行。

以上處理可避免回水排氣過程中出現轉輪不完全脫水的情況，而且可以縮短工況轉換時間。

4 鎖定接力器閘板發卡

4.1 問題描述

陽蓄1 號機組水輪機方向啟動，10%轉速ESD停機過程中，導葉接力器鎖定閘板未正確投入，導致鎖定裝置活塞桿彎曲。見圖3。

圖3 鎖定裝置活塞桿彎曲位置

4.2 問題分析

陽蓄水輪機2 個接力器采用后置鎖定，液壓鎖定接力器在全關位置設置鎖定裝置，并配置開啟和關閉位置限位開關，鎖定閘板由鎖定裝置控制下落，防止接力器活塞向開啟方向運動，以保證人員安全。鎖定裝置活塞桿與鎖定閘板連接（見圖4），鎖定正常投入后，鎖定閘板與活塞桿理論上應該還有1.5 mm間隙，鎖定裝置活塞桿受力彎曲沒有落下，是接力器活塞桿未關閉到位所致。其可能原因：①接力器理論行程273.42 mm，現場調整壓緊行程為5.5 mm，調速器開關行程按理論行程而非接力器全行程（285 mm）設定，接力器未關到位即投入液壓鎖定裝置，導致鎖定閘板與接力器活塞桿卡住而產生彎曲；②機組ESD 停機，監控投入的命令發出后，導葉機械鎖定退出以及投入的信號均沒有收到，導葉接力器鎖定未正確投入，導致彎曲。

圖4 鎖定接力器結構圖

4.3 處理方案

①調整調速器中接力器行程位置設定；②調整導葉全關位置信號傳感器，將投入鎖定命令修改到球閥工作密封投入后，同時判定導葉全關；③更換鎖定。

5 導葉關閉，GCB 未斷開

5.1 問題描述

陽蓄1 號機組做調速器負載擾動試驗時，計算機監控系統收到測速裝置故障報警，觸發了緊急事故停機流程，使得機組緊急停機，但是啟動停機流程后機組噪聲及頂蓋振動增大。

5.2 問題分析

試驗前上水庫水位755.4 m，下水庫水位77.93 m，機組進行在200 MW 負荷運行開展調速器負載試驗工作，調速器進行測速裝置故障試驗時將測速裝置1 失電，測速裝置1 送出的測速裝置1 故障信號觸發機組緊急事故停機流程。機組緊急停機，導葉關閉后，監測數據顯示，機組功率在-70 MW 左右、蝸殼進口壓力略有上升、尾水管壓力波動明顯、頂蓋垂直振動較大、無葉區壓力略大。從監測曲線上看，導葉關閉時，發電機出口斷路器（GCB）未斷開。見圖5。

圖5 監測曲線圖

5.3 處理方案

修改流程：

（1）“測速裝置1 故障”信號不作為事故啟動源觸發緊急事故停機流程，需要刪除該觸發緊急事故停機條件，改為報警。

（2）“測速裝置2 故障”不作為事故啟動源觸發緊急事故停機流程。

6 自動啟機發電模式，出現主軸密封低流量報好警，觸發QSD 停機

6.1 問題描述

陽蓄1 號機組在自動啟機發電過程中，主軸密封供水管上的流量傳感器發出低流量信號，流量低于報警值，觸發快速停機（QSD）。

6.2 問題分析

主軸密封供水取自機組消防用水，經增壓泵、濾水器及節流孔板后進入機坑內主軸密封供水管，管路布置見圖6，每路濾水器前有電動閥切換，濾水器前后設置有差壓變送器，由濾水器自身控制，實現自動反沖洗功能。

圖6 主軸密封供水管路布置圖

根據監控報文，在機組自動啟機發電過程中，由于主軸密封供水管路上的濾水器自動排污動作，導致主軸密封供水壓力和供水流量均降低，具體數值見表5。從數據看，由于排污閥啟動導致分流、降壓，且濾水器排污閥自動啟動兩次排污，使流量和壓力下降更加明顯。

表5 主軸密封供水壓力及流量數值表

6.3 處理方案

針對問題以及濾水器排污閥啟動程序設定值的分析，由于濾水器排污導致流量和壓力下降主要可以采取以下方式解決：

（1）在濾水器控制程序內，將排污閥排污次數由2 次改為1 次，減小供水管路流量和壓力下降。

（2）調整濾水器前后差壓變送器差壓值，使兩路供水切換先于排污閥啟動。

（3）在排污閥出口管路上設置節流孔板。

通過設置節流孔板的方式，可以將問題徹底解決。

7 PC 轉P“轉輪室壓力釋放異常”

7.1 問題描述

陽蓄1 號機組在進行水泵調相（PC）工況轉水泵（P）工況過渡過程試驗中，出現“轉輪室壓力釋放異常”觸發機組快速停機，機組進入快速停機流程。

7.2 問題分析

試驗前上水庫水位752.45 m，下水庫水位81.17 m。機組啟動充氣壓水流程后，計算機監控系統下達抽水調相轉抽水命令。蝸殼平壓閥關閉后，程序判斷工況轉換過程中，程序設定轉輪室壓力值為8.5 MPa，在實際轉換中轉輪室壓力為7.1 MPa，導致判斷壓力異常，延時10 s 后，觸發機組快速停機。

7.3 處理方案

經過現場設備狀態檢查，各設備均正常，分析由于轉輪室壓力實際值較程序設定值偏低，且不影響機組安全穩定運行，故修改“轉輪室壓力異常”定值為小于6.5 MPa。

8 尾水液位信號異常導致工況轉換不成功

8.1 問題描述

陽蓄2 號機組在水泵調相轉水泵工況時過程中，尾水錐管液位計無法正常顯示回水液位，回水過程無法發出高液位信號（顯示模擬信號始終未到達高位），工況轉換失敗；水泵工況轉水泵調相工況時，在壓氣判斷時，尾水液位處于低位，不開啟壓氣閥，工況轉換回水排氣導致原轉換流程條件無法滿足。

8.2 問題分析

從機組運行過程觀察，水輪機發電工況，球閥開啟，導葉打開，開始發電方向轉機，液位計浮子瞬間降至最低位置；機組開機至空載，液位計浮子慢慢恢復到最高位置；機組帶負荷100 MW，液位計浮子逐漸下降至中間位置；機組帶負荷200 MW，液位計浮子降至最低位置；機組帶負荷300 MW，液位計浮子升高至最高位置。靜態壓水的時候，液位計顯示正常。

P 轉PC 未成功，查看監控提出報文顯示，充氣閥開、關命令間隔時間過短（僅有2 s），雖然濺水功率達到抽水要求，但是液位顯示還沒有到達相應節點。而PC 轉P，偶爾出現回水排氣時液位上升緩慢，導致流程超時，轉換失敗。

針對2 號機組尾水液位顯示異常的情況，現場通過調整液位計上下接口閥門（上部聯通管閥門為A，下部聯通管閥門為B）進行了多項手動操作試驗：

（1）閥門A 全開，閥門B 從全開至全關，液位計浮子停留在液位計下部，無變化。

（2）發電200 MW 工況，閥門B 全開，閥門A 從全開關至約1/3 開口，液位計浮子逐漸升至液位計最上端，并會下降至最低位置且來回反復。

（3）發電200 MW 工況，在液位計浮子下降過程中關閉閥門B 再關閥門A，液位計浮子逐漸升至液位計最上端。

（4）發電200 MW 工況，液位計聯通管存在明顯振動；液位上升至最高液位時，振動減輕。

（5）發電300 MW 工況，液位計上聯通管振動基本消除。

在調相壓水過程中，補氣閥頻繁動作，尾水管的液位也在頻繁變化，而流程中尾水管液位是主要判據，尾水液位首次到達停止水位后，流程判斷壓水成功，壓氣停止，但實際上尾水管內的液位還在不停晃動[3]。在低負荷發電過程中，尾水管的液位變化，根據瑞士學者Mirjam Sick 的研究，部分負荷下尾水管入口處的圓周速度和過流分速度在同一數量級上，強旋流引起的徑向壓力梯度對轉輪軸產生低壓，尾水管錐管處會產生強烈的回流，這個回流可以延伸至尾水管處，在尾水管外部區域的向前流動的水流和尾水中心的回流之間的剪切層會出現小的渦系，引起了水流不穩定，從而導致尾水管中旋轉渦流的產生[4]。

陽蓄1 號機和3 號機調試過程沒有出現過類似情況。2 號機組出現此問題的原因可能有：

（1）部分負荷下尾水管內旋轉渦流的影響。

（2）尾水管內壓力脈動的影響。

（3）液位計聯通管路影響。

（4）2 號機組引水水道的影響，由于陽蓄項目為一管三機，2 號機組所處的總干管和另兩分支管的能量損失會略有不同。陽蓄機組引水水道見圖7。

圖7 引水水道平面圖

8.3 處理方案

（1）由于尾水管內液位波動較大，判斷液位對流程影響也較大，原P 轉PC 流程中，充氣閥打開后立即判斷液位，達到節點液位延時8 s 關閉充氣閥，現在流程中設定壓水后判斷功率“與”水位信號滿足條件，延時3 s 關閉蝸殼排氣閥，延時5 s 關閉頂蓋排氣閥。

（2）在液位計上下聯通管之間增加一并聯管路，減小尾水管內水流波動和壓力脈動的影響。

9 結語

根據國家發展和改革委員會《關于促進抽水蓄能電站健康有序發展有關問題的意見》，面對國內一大批揚程500 m 以上、甚至揚程700 m 及以上、單機容量大于300 MW 的抽水蓄能電站建設的需要，結合抽水蓄能技術的發展趨勢，國內民族企業急需依托具體抽水蓄能電站建設，深入開展高水頭乃至超高水頭大容量抽水蓄能關鍵技術的攻關研究。陽江抽水蓄能電站是我國自主研制的國內最大單機容量的機組，機組調試過程也是對整個設計制造及各流程的檢驗。通過對水泵水輪機出現問題的分析，為后續抽水蓄能項目的調試提供了一定的參考依據。