從俄羅斯薩揚(yáng)電站事故探討加強(qiáng)水電站運(yùn)行管理

陳 杰

(二灘水力發(fā)電廠,四川 攀枝花 617000)

1 薩揚(yáng)電站概述

薩揚(yáng)電站位于西伯利亞大草原東部的葉尼塞河水系上,主要為發(fā)電、兼有航運(yùn)效益。電站首臺(tái)機(jī)組于 1978年 12月投入運(yùn)行,最后一臺(tái)機(jī)組于1985年 12月投運(yùn),1988年 1月成為西伯利亞電網(wǎng)的主力調(diào)頻、調(diào)峰電廠。電站廠房為壩后式,長(zhǎng)288m、寬 36 m。電站裝機(jī) 10臺(tái),單機(jī)容量 64萬(wàn)kW(試驗(yàn)中達(dá)到 72萬(wàn) kW且運(yùn)行穩(wěn)定),保證出力為 2120萬(wàn) kW,平均年發(fā)電量 234億 kW·h,是俄羅斯最大的水力發(fā)電站、世界第四大水力發(fā)電站。電站擋水建筑物為單圓心混凝土重力拱壩,壩長(zhǎng) 1066m,壩高 246 m,壩寬(基底處)110 m,最高允許水位高程 220 m。電站進(jìn)水口寬 7.5 m、高 11.5m,設(shè)有快速閘門。

2 薩揚(yáng)電站水輪發(fā)電機(jī)組的相關(guān)情況

薩揚(yáng)水電站機(jī)組為單機(jī)單引水管道,壓力鋼管為外包混凝土壩后背管,直徑 7.5m。發(fā)電機(jī)組為 СВФ1285/275-42УХЛ4傘式同步水力發(fā)電機(jī)組。水輪機(jī)為立式混流式 PO-230/833-B-677,轉(zhuǎn)輪直徑 6.77m,重 156 t,共有 16個(gè)轉(zhuǎn)輪葉片,為當(dāng)時(shí)前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)的最大出力的轉(zhuǎn)輪。水輪機(jī)頂蓋上有推力支架,設(shè)定了水冷卻和轉(zhuǎn)子強(qiáng)迫風(fēng)冷卻。水輪機(jī)的特性為:Ⅰ區(qū)域?yàn)槿菰S運(yùn)行區(qū)域,動(dòng)力特性線的水平一般,但水輪機(jī)效率較低;Ⅱ區(qū)域?yàn)椴唤ㄗh運(yùn)行區(qū)域,過(guò)水部件將伴有強(qiáng)大的水錘和噪聲,動(dòng)力特性線差;Ⅲ區(qū)域?yàn)橥扑]運(yùn)行區(qū)域,該區(qū)域效率高,過(guò)流部分的壓力脈動(dòng)最小,振動(dòng)狀況良好;區(qū)域Ⅳ(出力限制線以外)為禁止運(yùn)行區(qū)域。電站設(shè)計(jì)額定水頭為 194 m,最大水頭為 220 m,機(jī)組轉(zhuǎn)速為 142.86 r/min,單機(jī)設(shè)計(jì)流量為 358.5 m3/s。機(jī)組額定功率為 640 MW,最大出力為 73.5 MW。

水輪機(jī)組的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)有 20片活動(dòng)導(dǎo)葉,每個(gè)活動(dòng)導(dǎo)葉有一個(gè)單獨(dú)的直軸式接力器,座環(huán)有 19片固定導(dǎo)葉。機(jī)組的軸系為兩段,水輪機(jī)軸直接與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子中心體連接,在上端軸上安裝勵(lì)磁機(jī) (圖 1)。

圖1 轉(zhuǎn)輪運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線圖

2#機(jī)組于 1979年 11月投產(chǎn)。剛投產(chǎn)時(shí) 1#、2#機(jī)組使用的是臨時(shí)轉(zhuǎn)輪,后來(lái)相繼更換為永久轉(zhuǎn)輪。2#機(jī)組于 1986年 11月更換為永久轉(zhuǎn)輪。水輪機(jī)廠家設(shè)計(jì)的使用壽命為 30年。根據(jù)俄羅斯的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),機(jī)組壽命為 40年。

3 事故發(fā)生的詳細(xì)情況

薩揚(yáng)電站的 2#機(jī)組于 2009年 1～3月開展了計(jì)劃性中修,檢修后試驗(yàn)情況良好。電站于2008年 7月投入 AGC系統(tǒng);2009年投入 AVC系統(tǒng)。事故發(fā)生前,9臺(tái)機(jī)組處于運(yùn)行狀態(tài),總出力為 4400 MW,6#水輪機(jī)停機(jī)檢修。水庫(kù)處于高水位運(yùn)行。2009年 8月 16日,薩揚(yáng)電站帶基負(fù)荷運(yùn)行(因水利樞紐泄水要求),因當(dāng)時(shí)擔(dān)負(fù)系統(tǒng)頻率和出力過(guò)電流調(diào)節(jié)的電站(布拉茨克水電站)發(fā)生火災(zāi),與電網(wǎng)通信中斷后自動(dòng)調(diào)節(jié)功能退出。按系統(tǒng)調(diào)度指令,8月 17日 04時(shí) 12分,薩揚(yáng)電站的 AGC/AVC投系統(tǒng)側(cè)自動(dòng)控制(1#、2#、4#、5#、7#、9#受系統(tǒng)控制 ,其余 3臺(tái)帶基荷,6#機(jī)組檢修停機(jī)),2#機(jī)組設(shè)定為負(fù)荷調(diào)節(jié)的首選機(jī)組(電站運(yùn)行人員設(shè)定)。至 8時(shí) 12分共約 6次跨越振區(qū)運(yùn)行,8月 17日 8時(shí) 00分,機(jī)組帶負(fù)荷 60萬(wàn)kW(水導(dǎo)軸承振動(dòng) 600μm),8時(shí) 12分帶負(fù)荷57.5萬(wàn) kW,8時(shí) 13分控制系統(tǒng)自動(dòng)將負(fù)荷調(diào)整到 47.5萬(wàn) kW(運(yùn)轉(zhuǎn)特性的Ⅱ區(qū)域,為不推薦區(qū)域,水導(dǎo)軸承振動(dòng) 840μm),機(jī)組振擺急劇增減,頂蓋把合螺栓的螺母部分松退,頂蓋螺栓部分疲勞斷裂,在約2MPa水壓力作用下,機(jī)組旋轉(zhuǎn)部件帶著水輪機(jī)頂蓋以及上機(jī)架向上彈射躥升 10m,倒在發(fā)電機(jī)層樓板上。水輪機(jī)流道密封被破壞,巨大的高壓水柱從 2#機(jī)組的水輪機(jī)機(jī)坑空腔處噴射而出,大量的涌水迅速淹沒(méi)廠房(淹沒(méi)高程達(dá) 335.0 m)。在高壓水的作用下,2#機(jī)組旋轉(zhuǎn)的飛出部件破壞了 2、3和 4#機(jī)組段的邊墻;10臺(tái)機(jī)組及其它附屬設(shè)備被水淹并損毀嚴(yán)重,3臺(tái)變壓器 15.75 kV導(dǎo)線受損,8臺(tái)發(fā)電機(jī)組的線圈發(fā)生短路,7#和 9#機(jī)組段被破壞。電站出力下降到零,造成局部停電(包括廠用電源);電站進(jìn)水口工作門在壩頂被手動(dòng)關(guān)閉,從而截?cái)嗔藳_入廠房的水流。

4 薩揚(yáng)電站事故主要原因淺析

通過(guò)對(duì)薩揚(yáng)電站全部公開資料進(jìn)行分析后可以得出明確的結(jié)論:轉(zhuǎn)輪特性先天不足的 2#機(jī)組在帶病運(yùn)行的情況下,操作人員錯(cuò)誤的將缺陷機(jī)組設(shè)置為優(yōu)先調(diào)整負(fù)荷的機(jī)組,在自動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)分配下,機(jī)組在非推薦區(qū)域運(yùn)行,振動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo),劇烈的振動(dòng)導(dǎo)致頂蓋部分把合螺栓螺母松退,大部分把合螺栓疲勞斷裂,在達(dá)到臨界狀態(tài)后就連剩余的頂蓋把合螺栓亦被拉斷,失去束縛的頂蓋飛出,水從機(jī)坑空腔噴出,導(dǎo)致水淹廠房。

4.1 2#機(jī)組存在先天缺陷,沒(méi)有及時(shí)處理,埋下了嚴(yán)重的隱患

2#機(jī)組于 1979年 11月投產(chǎn),當(dāng)時(shí)采用臨時(shí)轉(zhuǎn)輪運(yùn)行。自投產(chǎn)運(yùn)行之時(shí)起,因轉(zhuǎn)輪的水力不平衡,一直存在軸振動(dòng)超標(biāo),最大達(dá) 2mm,并多次導(dǎo)致軸瓦移位、軸襯護(hù)面開裂、軸瓦損壞、軸瓦固定螺栓斷裂以及因振動(dòng)造成頂蓋螺栓 1顆斷裂的情況(1982年 3月 24日),1986年 11月更換為永久轉(zhuǎn)輪后,情況有所好轉(zhuǎn)。該機(jī)組在 2005年 9月歷經(jīng) 3個(gè)月的大修,對(duì)軸線和機(jī)組旋轉(zhuǎn)中心進(jìn)行了調(diào)整;2009年 1月歷經(jīng) 2個(gè)月的中修,對(duì)發(fā)現(xiàn)的 1 m長(zhǎng)的蝸殼焊縫裂紋進(jìn)行了處理,并更換了新的電調(diào)。機(jī)組維修后進(jìn)行了振動(dòng)測(cè)試,滿足標(biāo)準(zhǔn)要求(水頭 191m左右,測(cè)得機(jī)組的振動(dòng)為 120～130μm左右,按照俄羅斯的標(biāo)準(zhǔn),該轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的振動(dòng)上限為 160μm)。但在隨后 4～7月的運(yùn)行中,機(jī)組振動(dòng)幅值不斷攀升,最大超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值的4倍。在 8月 17日水流的沖擊下,頂蓋螺栓性能加速劣化,發(fā)生大量的斷裂。從此情況看,2#機(jī)組穩(wěn)定性運(yùn)行一直極差,多次導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備損壞,而電站卻沒(méi)有采取有效的處理辦法,仍帶病、非優(yōu)工況運(yùn)行,從而埋下嚴(yán)重的安全隱患,是事故的直接原因。頂蓋螺栓斷裂的再次出現(xiàn)是必然的,只不過(guò)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)變化促使事故提前發(fā)生。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,在 2009年的 1～8月,2#機(jī)組跨振區(qū)運(yùn)行 232次(4#機(jī)組跨振區(qū)運(yùn)行490次),2#機(jī)組在振區(qū)運(yùn)行的時(shí)間為 2784 s(4#機(jī)組在振區(qū)運(yùn)行的時(shí)間為 5880 s),均處于 10臺(tái)機(jī)組中的中間水平。2006年 1月至 2009年事發(fā)月統(tǒng)計(jì)在網(wǎng)工作時(shí)間表明,2#機(jī)組在網(wǎng)時(shí)間為 207630.57 h(最長(zhǎng)的 1#機(jī)組在網(wǎng)時(shí)間為 21989.1 h),相對(duì)比較算較長(zhǎng)的機(jī)組。從這些統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看,事故發(fā)生的關(guān)鍵還是 2#機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性遠(yuǎn)差于其它機(jī)組。

4.2 自動(dòng)控制系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定不合理,導(dǎo)致設(shè)備常在不穩(wěn)定區(qū)運(yùn)行

該轉(zhuǎn)輪的特性限制了在當(dāng)時(shí)的水頭下,其允許運(yùn)行區(qū)域狹窄,因此,在給定總負(fù)荷下會(huì)有機(jī)組運(yùn)行在不良工況區(qū),而負(fù)荷分配策略又沒(méi)有對(duì)此進(jìn)行限制,以至于在自動(dòng)分配負(fù)荷時(shí)會(huì)運(yùn)行在不推薦區(qū)域。這也是觸發(fā)事故的根本原因之一。

4.3 工作人員思想麻痹,錯(cuò)誤的設(shè)置加劇了事故惡化的速度

2#機(jī)組自投產(chǎn)以來(lái),運(yùn)行情況一直較差。因轉(zhuǎn)輪水力因數(shù)不佳,運(yùn)行中常出現(xiàn)振動(dòng)超標(biāo),在沒(méi)有得到有效處理前,長(zhǎng)期的報(bào)警使得工作人員神經(jīng)已經(jīng)麻痹,對(duì)異常的振動(dòng)視而不見(jiàn),已形成“都已經(jīng) 30年的運(yùn)行了,實(shí)踐檢驗(yàn)不會(huì)出問(wèn)題”的思想。這種思想直接導(dǎo)致在設(shè)定調(diào)整負(fù)荷機(jī)組優(yōu)先級(jí)的時(shí)候不加思索的就將 2#機(jī)組設(shè)為優(yōu)先調(diào)整機(jī)組。在非推薦區(qū)運(yùn)行時(shí),既使振動(dòng)幅值已經(jīng)超標(biāo)準(zhǔn) 4倍,他們也沒(méi)有及時(shí)和調(diào)度取得聯(lián)系,將機(jī)組手動(dòng)調(diào)整到穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域。不過(guò)這一切僅是加快了事故出現(xiàn)的時(shí)間。

4.4 管理混亂,各種問(wèn)題長(zhǎng)期存在

根據(jù)有關(guān)資料,該電站自投運(yùn)以來(lái),陸續(xù)發(fā)生重大設(shè)備、設(shè)施的損毀情況。無(wú)論是體制原因,還是管理結(jié)構(gòu)原因,一些問(wèn)題長(zhǎng)期得不到領(lǐng)導(dǎo)層的重視和落實(shí),已經(jīng)形成的管理文件形同虛設(shè),長(zhǎng)期得不到落實(shí)。原定的對(duì)運(yùn)行情況欠佳的 2#機(jī)組進(jìn)行不間斷跟蹤監(jiān)視工作也沒(méi)有及時(shí)開展,從而使問(wèn)題機(jī)組處于失控狀態(tài)。

5 電站運(yùn)行檢修中應(yīng)采取的對(duì)策

在電站實(shí)際運(yùn)行中,機(jī)組與電網(wǎng)系統(tǒng)連接,因系統(tǒng)情況變化復(fù)雜多樣,機(jī)組需要隨時(shí)響應(yīng)系統(tǒng)變化并作出相應(yīng)的調(diào)節(jié)。機(jī)組的工況變化多樣,會(huì)頻繁的跨越振區(qū)或在振區(qū)附近運(yùn)行等,機(jī)組的穩(wěn)定性也會(huì)有較大的變化,如果振擺有超過(guò)上限值或長(zhǎng)時(shí)間惡化發(fā)展,需要及時(shí)進(jìn)行檢查、分析、處理,采用合理的對(duì)策,否則可能釀成重大事故。

5.1 把好電站的設(shè)計(jì)關(guān)

在電站設(shè)計(jì)之初就應(yīng)充分考慮如何預(yù)防類似的事故發(fā)生,比如調(diào)保計(jì)算時(shí)應(yīng)適度留些余量;增加機(jī)組振動(dòng)、擺度超標(biāo)后應(yīng)及時(shí)停機(jī);廠房跑水后在適當(dāng)高度時(shí)應(yīng)考慮全廠緊急停運(yùn)和停電;對(duì)于地下廠房低于河道水位的電站,應(yīng)考慮在每臺(tái)機(jī)組尾水管出口設(shè)置一個(gè)固定啟閉機(jī)或單設(shè)柴油發(fā)電設(shè)備,以便及時(shí)落下尾水檢修閘門。機(jī)組選型時(shí),應(yīng)綜合兼顧考慮穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)是否狹窄,以避免后期投運(yùn)時(shí)總負(fù)荷給定下難以分配的問(wèn)題。

5.2 嚴(yán)把制造關(guān)

對(duì)于關(guān)鍵部位的把合零件,應(yīng)選擇強(qiáng)度高,抗疲勞斷裂好的材料進(jìn)行加工,并且要充分避免退刀槽的應(yīng)力集中情況;對(duì)于旋轉(zhuǎn)部件的連接件(聯(lián)軸螺栓等)和重要部位的把合件(分半頂蓋的組合螺栓,分半轉(zhuǎn)輪的組合螺栓,頂蓋的把合螺栓等)在具備條件的情況下開展出廠前的全面探傷,以防止重要件帶缺陷進(jìn)入安裝環(huán)節(jié)。

5.3 精控安裝關(guān),保障機(jī)組有一個(gè)良好的基礎(chǔ)

機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的好與差,除了設(shè)計(jì)制造重要外,安裝中的質(zhì)量控制尤其關(guān)鍵。特別是機(jī)組的軸線和旋轉(zhuǎn)中心的調(diào)整方面,在具備條件的情況下一定要追求完美。軸線度影響機(jī)組擺度,也直接影響機(jī)組各部件的振動(dòng)。如果機(jī)組旋轉(zhuǎn)中心不夠優(yōu)良時(shí),受水力影響將明顯,特別是在水頭變化較大的電站中。

5.4 做好運(yùn)行保障,合理優(yōu)化運(yùn)行

應(yīng)對(duì)操作人員進(jìn)行全面的培訓(xùn),掌握電站每臺(tái)機(jī)組的個(gè)性,提高他們對(duì)機(jī)組振動(dòng)和擺度危害程度的認(rèn)識(shí),形成良好的職業(yè)敏感。監(jiān)盤人員要密切關(guān)注機(jī)組振動(dòng)情況,及時(shí)與調(diào)度聯(lián)系,勤調(diào)整負(fù)荷,以保證機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)。對(duì)于運(yùn)行中偶發(fā)的振動(dòng)、擺度突然增大超標(biāo)的異常,應(yīng)及時(shí)檢查確認(rèn),必要時(shí)經(jīng)請(qǐng)示后停機(jī)處理。

5.5 合理優(yōu)化機(jī)組自動(dòng)化控制系統(tǒng)參數(shù)

隨著電網(wǎng)對(duì)電廠運(yùn)行要求的提高,機(jī)組AGC、AVC、PSS、調(diào)差、低勵(lì)限制、一次調(diào)頻功能相繼投入運(yùn)行,提高了電網(wǎng)的穩(wěn)定和電壓、頻率品質(zhì),為電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行起到了保障作用。鑒于電網(wǎng)輔助服務(wù)考核的實(shí)施,對(duì)電站的電壓調(diào)節(jié)、功率調(diào)節(jié)響應(yīng)和頻率調(diào)節(jié)響應(yīng)提出了更高的要求。在滿足電網(wǎng)要求的同時(shí),要兼顧機(jī)組控制系統(tǒng)性能和響應(yīng)速度提高后對(duì)水力機(jī)械和電氣絕緣等設(shè)備設(shè)施的安全影響,進(jìn)行機(jī)組自動(dòng)化控制系統(tǒng)的參數(shù)優(yōu)化和狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),優(yōu)化參數(shù)設(shè)置,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除安全隱患。如充分考慮引水管道的水擊影響(尤其是長(zhǎng)引水管道電站),對(duì)機(jī)械設(shè)備的疲勞破壞、磨損等;充分考慮調(diào)差運(yùn)行、深度進(jìn)相運(yùn)行對(duì)發(fā)電設(shè)備的影響;考慮因機(jī)組參數(shù)設(shè)置不合理,而導(dǎo)致機(jī)組和系統(tǒng)電壓和無(wú)功大幅波動(dòng),進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定破壞的現(xiàn)象發(fā)生;對(duì)負(fù)荷分配系統(tǒng)的振區(qū)設(shè)定時(shí),一定要建立在對(duì)每一個(gè)真機(jī)全水頭試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,并要留出合理的安全邊界。

5.6 加強(qiáng)設(shè)備維修管理,為機(jī)組本質(zhì)安全護(hù)航

對(duì)運(yùn)行設(shè)備的缺陷管理要高度關(guān)注,對(duì)難以解決的疑難雜癥要在充分分析的前提下做好事故預(yù)想和把控,并依托外部力量展開技術(shù)攻關(guān)工作,防止頑癥久放就視為正常的情況。經(jīng)常性的開展發(fā)電設(shè)備重要參數(shù)的發(fā)展趨勢(shì)分析,對(duì)不良變化趨勢(shì)及時(shí)收集數(shù)據(jù),并予以分析、跟蹤,做到大小問(wèn)題均不放過(guò)。

做好機(jī)組運(yùn)行中受交變應(yīng)力、大載荷部位的監(jiān)視和檢測(cè),如大軸聯(lián)軸螺栓、頂蓋緊固螺栓、尾水管門和蝸殼門緊固螺栓、大軸補(bǔ)氣管、接力器活塞桿、高壓油管道螺栓、控制環(huán)分半把合面及把合螺栓等重要部件的無(wú)損檢測(cè)工作。

5.7 補(bǔ)充完善在線監(jiān)測(cè)裝置,隨時(shí)把控局面

利用機(jī)組在線振、擺監(jiān)測(cè)系統(tǒng),及時(shí)把握機(jī)組的運(yùn)行情況。在易跑水位置安裝積水監(jiān)測(cè)裝置,及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常跑水情況。在關(guān)鍵設(shè)備區(qū)域安裝可視系統(tǒng),在人員無(wú)需到達(dá)危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)的情況下既能及時(shí)準(zhǔn)確的掌握信息,快速準(zhǔn)確的進(jìn)行合理處置。

5.8 重視電站應(yīng)急管理,最大限度的減少事故損失

組織專業(yè)人員編寫實(shí)用的精簡(jiǎn)預(yù)案,開展全員培訓(xùn),定期進(jìn)行演練,提高員工在異常情況下的快速響應(yīng)能力,避免緊急情況下的亂中出錯(cuò),從而有效避免事故的擴(kuò)大和次生災(zāi)害發(fā)生。

6 結(jié) 語(yǔ)

時(shí)值今天,薩揚(yáng)電站事故已經(jīng)過(guò)去近一年了,但那慘痛的一幕還歷歷再現(xiàn)。水電站的防垮壩是眾所周知的重點(diǎn),防止水淹廠房也同樣需要高度關(guān)注,尤其是在系統(tǒng)中擔(dān)負(fù)調(diào)頻調(diào)峰作用的高壩、大庫(kù)、大機(jī)組的地下式廠房電站更需關(guān)注。對(duì)于機(jī)組運(yùn)行中出現(xiàn)的振動(dòng)擺動(dòng)異常情況要高度關(guān)注并采取適當(dāng)措施。對(duì)于并入系統(tǒng)的各種電力控制自動(dòng)系統(tǒng)在優(yōu)化參數(shù)時(shí),要兼顧考慮系統(tǒng)要求和設(shè)備的承受能力,避免造成機(jī)組的慢性損壞。無(wú)論是電站的運(yùn)行人員,還是電站管理人員,一定要高度關(guān)注設(shè)備、設(shè)施的異常情況,及時(shí)進(jìn)行檢查處理,才能有效避免出現(xiàn)類似薩揚(yáng)電站的重大事故。