關(guān)于抽水蓄能機(jī)組機(jī)械設(shè)備問題的研究與思考

鄧 磊，周東岳，周 攀

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

關(guān)于抽水蓄能機(jī)組機(jī)械設(shè)備問題的研究與思考

鄧 磊，周東岳，周 攀

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

本文對(duì)抽水蓄能機(jī)組在調(diào)試期間和生產(chǎn)期間出現(xiàn)的一些機(jī)械設(shè)備問題進(jìn)行了研究和總結(jié)。同時(shí)提供了相應(yīng)的解決方法，以避免出現(xiàn)類似問題，可供相關(guān)專業(yè)人員參考。

抽水蓄能；主軸密封；調(diào)相壓氣；調(diào)速器；進(jìn)水閥；機(jī)械剎車

0 引言

國(guó)內(nèi)抽水蓄能事業(yè)目前正處于快速發(fā)展階段，前期已投產(chǎn)機(jī)組在調(diào)試期間和運(yùn)行期間也暴露出了一些問題，對(duì)前期已經(jīng)暴露的問題進(jìn)行一定的反思和總結(jié)，有助于未來(lái)新投產(chǎn)機(jī)組設(shè)備和投產(chǎn)多年計(jì)劃改造的機(jī)組設(shè)備吸收經(jīng)驗(yàn)，避免重復(fù)發(fā)生類似問題。本文總結(jié)了部分機(jī)械設(shè)備問題、解決方法和對(duì)相應(yīng)問題的思考。

1 機(jī)械設(shè)備問題思考

1.1 主軸密封水源

目前抽水蓄能電站工作密封的冷卻水源來(lái)源有兩種方式，且均有實(shí)際投運(yùn)經(jīng)驗(yàn)。第一種方式為：工作密封供水水源一路來(lái)自上游壓力鋼管減壓供水，一路來(lái)自機(jī)組單元技術(shù)供水總管，互為備用；第二種方式為：采用主軸密封增壓泵的方式，兩路均來(lái)自機(jī)組技術(shù)供水，互為備用。

上游壓力鋼管減壓供水的方式有兩種，采用減壓閥減壓供水或采用減壓環(huán)管減壓供水。采用上游減壓供水方式的好處有水源來(lái)自于上游，不需要增壓泵即可工作，而且能保證穩(wěn)定的壓力，但工作前提是減壓閥工作正常。據(jù)調(diào)研，已投運(yùn)的高水頭常規(guī)電站和抽水蓄能電站在主軸密封減壓供水方面均出現(xiàn)過(guò)減壓閥工作異常的情況，從檢修處理角度而言，對(duì)處理高壓管路上的閥門總是有安全上的擔(dān)心；采用減壓環(huán)管供水時(shí)，水需要保持在流動(dòng)狀態(tài)才能減壓，對(duì)于抽水蓄能電站而言上游的水是花錢抽上去的，從經(jīng)濟(jì)上不劃算；減壓環(huán)管供水設(shè)置有安全閥時(shí)，由于主軸密封處的水壓在暫態(tài)過(guò)程時(shí)波動(dòng)較大（現(xiàn)場(chǎng)可觀察到工作密封冷卻水管表計(jì)大幅擺動(dòng)），有可能引起安全閥長(zhǎng)時(shí)間動(dòng)作不能復(fù)歸，有較大的噪聲。

本文推薦采用的方式為：采用主軸密封增壓泵的方式，一路來(lái)自機(jī)組技術(shù)供水，一路來(lái)自公用供水兩路，兩路互為備用。這樣既可避免處理高壓管路的擔(dān)心，又能保證水源來(lái)自于兩路。當(dāng)然，在市場(chǎng)上能選擇到長(zhǎng)期工作安全可靠的減壓閥時(shí)，可選用第一種供水方式。

1.2 調(diào)相壓氣系統(tǒng)

1.2.1 調(diào)相運(yùn)行期間補(bǔ)氣時(shí)跳機(jī)

在進(jìn)行調(diào)相壓氣系統(tǒng)靜態(tài)壓水試驗(yàn)時(shí)，筆者曾經(jīng)碰到一次異常：調(diào)相壓水正常充氣壓水完成后，經(jīng)過(guò)一段的穩(wěn)定時(shí)間，當(dāng)尾水位又上升到高位（補(bǔ)氣位）時(shí)，補(bǔ)氣閥打開充氣壓水；此時(shí)機(jī)組由于其他異常發(fā)出跳機(jī)令，調(diào)相壓氣系統(tǒng)接收到跳機(jī)令后發(fā)出充氣壓水結(jié)束令，關(guān)閉補(bǔ)氣閥令發(fā)出，但補(bǔ)氣閥沒有關(guān)。此時(shí)尾水在低位和高位（補(bǔ)氣位）之間，頂蓋排氣閥打開在排氣，補(bǔ)氣閥在補(bǔ)氣，直到尾水升到過(guò)高水位，補(bǔ)氣閥關(guān)閉，頂蓋排氣閥仍在排氣直到結(jié)束。后對(duì)此現(xiàn)象專門進(jìn)行試驗(yàn)，該現(xiàn)象重復(fù)發(fā)生，原因是控制邏輯不完善。

（1）關(guān)閉排氣閥令和開啟排氣閥令脈沖時(shí)間相同，均為2s。

（2）水位在高位（補(bǔ)氣位）以上，開補(bǔ)氣閥指令開出，當(dāng)接收到跳機(jī)令時(shí)若頂蓋排氣閥處于開啟狀態(tài)，補(bǔ)氣閥也不會(huì)打開。但是控制器在接收到跳機(jī)令后，發(fā)出開啟頂蓋排氣閥指令，頂蓋排氣閥正處于開啟過(guò)程中，表征關(guān)閉位置的位置開關(guān)還處于閉合投入狀態(tài)，因此補(bǔ)氣閥打開，直到水位上升到過(guò)高水位時(shí), 補(bǔ)氣閥才關(guān)閉。

解決辦法是完善調(diào)相壓氣邏輯：有跳機(jī)令時(shí)或正常充氣壓水結(jié)束令時(shí)，脈沖持續(xù)時(shí)間由1s變?yōu)?s；關(guān)閉補(bǔ)氣閥、主壓氣閥時(shí)間（5s）比開啟補(bǔ)氣閥、主壓氣閥令時(shí)（2s）長(zhǎng)；處于調(diào)相補(bǔ)氣狀態(tài)時(shí)，有跳機(jī)令或正常充氣壓水結(jié)束令時(shí)，水位到達(dá)高位（補(bǔ)氣位）時(shí)，也發(fā)出關(guān)主壓氣閥令和補(bǔ)氣閥令，此時(shí)不管頂蓋排氣閥的狀態(tài)。

建議新建電站和已投產(chǎn)電站均進(jìn)行調(diào)相運(yùn)行期間補(bǔ)氣期間的跳機(jī)試驗(yàn)，以驗(yàn)證補(bǔ)氣閥、主氣閥是否關(guān)閉，驗(yàn)證邏輯是否正確，以保證設(shè)備安全。

1.2.2 壓氣過(guò)量

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試發(fā)現(xiàn)調(diào)相壓氣時(shí)有時(shí)候容易出現(xiàn)壓氣過(guò)量的問題，造成抽水調(diào)相轉(zhuǎn)抽水工況時(shí)排氣時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。壓氣過(guò)量有兩種可能因素，一種因素為主壓氣閥的壓氣開啟時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，主壓氣閥打開后的關(guān)閉，有用時(shí)間控制實(shí)現(xiàn)的，有用尾水管水位浮子開關(guān)控制實(shí)現(xiàn)的，本文推薦兩種方式聯(lián)合控制；另外一種因素是調(diào)相壓氣管路沒有設(shè)置節(jié)流孔板，設(shè)置節(jié)流孔板有助于減少壓氣量，本文建議設(shè)置節(jié)流孔板。

1.2.3 壓氣管路振動(dòng)松動(dòng)

調(diào)相壓氣管路是高壓管路，如果管路的連接螺栓松動(dòng)會(huì)造成高壓氣漏氣，可能會(huì)造成異常事故，現(xiàn)場(chǎng)分系統(tǒng)調(diào)試時(shí)曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)螺栓松動(dòng)造成漏氣的異?，F(xiàn)象。安裝期間應(yīng)保證管路連接螺栓扭矩達(dá)到設(shè)計(jì)值，避免依靠安裝人員力量大小來(lái)保證螺栓緊固，建議供貨廠家提供扭矩扳手，提供扭矩值，現(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)應(yīng)留下記錄；且提供管路固定底座以固定管路，防止管路振動(dòng)引起松動(dòng)；調(diào)試期間人員觀察時(shí)遠(yuǎn)離連接法蘭，以保證安全。

1.2.4 水環(huán)排水閥管路封堵

有的電站設(shè)計(jì)有水環(huán)排水閥，有的電站水環(huán)排水閥為試驗(yàn)性質(zhì)預(yù)留，不一定使用。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確定不需要水環(huán)排水閥時(shí)，應(yīng)進(jìn)行管路封堵，在機(jī)組檢修時(shí)應(yīng)進(jìn)入水泵水輪機(jī)內(nèi)側(cè)封堵，以防止長(zhǎng)期運(yùn)行期間管路堵頭出現(xiàn)裂紋。

1.2.5 尾水管水位浮子管路及自動(dòng)化元件

尾水管水位浮子通常位于尾水管進(jìn)人附近，在蝸殼層，應(yīng)注意水位浮子自動(dòng)化元件的固定與防潮，防止自動(dòng)化元件壽命變短；水位浮子管路有部分固定在混凝土內(nèi)，應(yīng)注意澆筑混凝土?xí)r管路安裝滿足設(shè)計(jì)要求，防止預(yù)埋管路傾斜。

1.2.6 蝸殼平壓閥的啟閉

應(yīng)注意蝸殼與尾水管平壓管路的壓力等級(jí)，避免出現(xiàn)平壓管路閥門壓力等級(jí)不匹配；調(diào)相壓水期間蝸殼平壓閥的啟閉應(yīng)在蝸殼壓力和尾水管壓力基本平壓時(shí)完成，即在進(jìn)水閥旁通閥和進(jìn)水閥工作密封隔離上游高壓水期間完成平壓閥的啟閉，防止高壓下啟閉蝸殼平壓閥引起管路水擊破壞。

1.3 調(diào)速器

1.3.1 導(dǎo)葉電氣開度限制曲線

現(xiàn)在很多電站的導(dǎo)葉電氣開限在并網(wǎng)后設(shè)置為100%,不能有效避免機(jī)組出現(xiàn)異?；蛘哒{(diào)速器出現(xiàn)異常后活動(dòng)導(dǎo)葉開啟過(guò)大導(dǎo)致機(jī)組過(guò)負(fù)荷的現(xiàn)象，調(diào)速器宜設(shè)計(jì)隨水頭變化的導(dǎo)葉電氣開度限制曲線。電氣開度限制曲線可在水泵水輪機(jī)模型試驗(yàn)得出的曲線基礎(chǔ)上增加3%～5%的裕量。在新制定的《可逆式水泵水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)中增加了導(dǎo)葉電氣開度限制曲線宜隨水頭變化的要求。

1.3.2 導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律及其實(shí)現(xiàn)

在滿足調(diào)節(jié)保證的計(jì)算要求下，由機(jī)械液壓裝置實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，較佳的方式有水輪機(jī)方向和水泵方向均一段直線關(guān)閉；或者水輪機(jī)方向兩段關(guān)閉，水泵方向一段關(guān)閉且關(guān)閉速率和水輪機(jī)方向第二段關(guān)閉速率相同；較難的方式有水輪機(jī)和水泵方向均兩段關(guān)閉的，且關(guān)閉速率和拐點(diǎn)各不相同。

近年來(lái)有文章描述有的電站調(diào)速器改造時(shí)導(dǎo)葉分段關(guān)閉規(guī)律由電氣方式實(shí)現(xiàn)，即：當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律設(shè)計(jì)為兩段關(guān)閉規(guī)律時(shí)，依靠電氣方式實(shí)現(xiàn)拐點(diǎn)和第二段關(guān)閉速度的改變。本文反對(duì)通過(guò)電氣方式實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉分段關(guān)閉規(guī)律，應(yīng)由機(jī)械液壓裝置實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉分段關(guān)閉規(guī)律。原因如下：當(dāng)調(diào)速器電氣柜由于某種特殊原因（如調(diào)速器電氣控制柜電源全部消失時(shí)、導(dǎo)葉給定控制信號(hào)接線端子松動(dòng)接觸不良時(shí)等電氣原因）不起控制作用時(shí)，拐點(diǎn)和第二段關(guān)閉速度不能實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)葉可能以第一段關(guān)閉速度直線關(guān)閉到零，此時(shí)導(dǎo)葉分段關(guān)閉規(guī)律將不能滿足調(diào)節(jié)保證的要求，造成的后果是未知的，有可能機(jī)組的蝸殼壓力上升或者尾水管壓力下降或者機(jī)組轉(zhuǎn)速上升可能超出設(shè)計(jì)要求，有引起壓力鋼管爆管、水淹廠房的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)導(dǎo)葉分段關(guān)閉規(guī)律由機(jī)械液壓裝置實(shí)現(xiàn)時(shí)可以避免此種電氣風(fēng)險(xiǎn)。

1.3.3 調(diào)速器故障錄波功能

調(diào)速器宜具有故障錄波功能，錄波功能可自動(dòng)觸發(fā)或者手動(dòng)觸發(fā)。目前有的電站發(fā)生故障時(shí)，不能快速準(zhǔn)確定位故障性質(zhì)和位置，有時(shí)甚至難以找到原因。本文認(rèn)為開發(fā)帶有故障錄波功能的調(diào)速器是一種發(fā)展趨勢(shì)，有助于快速定位解決調(diào)速器引起的故障，減輕現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員工作負(fù)擔(dān)，減少檢修故障處理時(shí)間。在新制定的《可逆式水泵水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)中增加了調(diào)速器宜配置故障錄波功能的要求。

1.3.4 異步導(dǎo)葉的控制

正常情況下不應(yīng)設(shè)置異步導(dǎo)葉。當(dāng)為解決空載轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定配置有異步導(dǎo)葉時(shí)，從調(diào)速器控制的角度出發(fā)，應(yīng)設(shè)計(jì)有防止異步導(dǎo)葉過(guò)開的電氣措施或者機(jī)械液壓措施。較佳的辦法是兩種方式都進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證安全。天荒坪抽水蓄能電站防止異步導(dǎo)葉過(guò)開的措施有電氣措施和機(jī)械液壓措施，具有典型代表意義。

1.4 進(jìn)水閥

1.4.1 旁通管路

旁通管路的設(shè)計(jì)有兩種目的，正常用于進(jìn)水閥前后平壓，也可用于測(cè)量導(dǎo)葉漏水量。有電站設(shè)計(jì)的旁通管路主要用于測(cè)量導(dǎo)葉漏水量，旁通管路的直徑未達(dá)到進(jìn)水閥門公稱直徑的10%。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)開啟旁通閥進(jìn)行旁通管路試驗(yàn)時(shí)，如果導(dǎo)葉漏水量大，旁通管中流速將非常大，有時(shí)高達(dá)每秒幾十米；且旁通管路為高壓管路，如果有螺栓安裝不緊或者管路接頭密封不嚴(yán)時(shí)將造成安全隱患。建議設(shè)計(jì)有旁通管路時(shí)，應(yīng)根據(jù)進(jìn)水閥相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，旁通管路直徑應(yīng)達(dá)到進(jìn)水閥門公稱直徑的10%，以保證安全。供貨廠家應(yīng)提供設(shè)計(jì)扭矩和扭矩扳手，有助于現(xiàn)場(chǎng)安裝和保證設(shè)備安全。

1.4.2 接力器

有的電站設(shè)計(jì)為接力器全部伸出（全開）時(shí)進(jìn)水閥全關(guān)，且未設(shè)置液壓鎖定，不合理。從安全的角度建議接力器行程為零時(shí)進(jìn)水閥全關(guān)。規(guī)程規(guī)范中對(duì)進(jìn)水閥接力器的狀態(tài)暫無(wú)明確規(guī)定。但現(xiàn)場(chǎng)曾發(fā)生過(guò)油壓裝置失壓的現(xiàn)象，為避免油壓裝置失壓后進(jìn)水閥閥體移動(dòng)破壞工作密封，建議接力器行程為零時(shí)進(jìn)水閥全關(guān)。

接力器的開機(jī)腔和關(guān)機(jī)腔宜設(shè)計(jì)快速接頭，便于測(cè)量壓力。動(dòng)水關(guān)球閥試驗(yàn)時(shí)宜測(cè)量進(jìn)水閥接力器開關(guān)機(jī)腔壓力，以整體評(píng)估分析。

接力器安裝前，應(yīng)測(cè)量接力器的長(zhǎng)度是否滿足設(shè)計(jì)要求，以防止安裝后進(jìn)水閥閥體過(guò)開或者欠開。

1.4.3 工作密封

應(yīng)防止工作密封與進(jìn)水閥閥體的非正常刮擦造成工作密封的損壞。應(yīng)從邏輯控制（增加時(shí)間控制，具體時(shí)間根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定）、液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、傳感器元件的冗余配置等方面著手考慮。當(dāng)設(shè)計(jì)有液壓管路閉鎖進(jìn)水閥開啟狀態(tài)下投入工作密封時(shí)，應(yīng)保證液壓管路的連接接口或者壓力表計(jì)的連接接口安全可靠，防止液壓管路接口脫落造成油壓失壓引起工作密封誤投入。

應(yīng)重視工作密封盤根結(jié)構(gòu)的調(diào)研和設(shè)計(jì)，防止盤根磨損固定部件接觸面。

1.4.4 進(jìn)水閥與尾閘的閉鎖

應(yīng)進(jìn)行進(jìn)水閥與尾閘的聯(lián)閉鎖試驗(yàn)，避免尾閘關(guān)閉的情況下進(jìn)水閥開啟。進(jìn)水閥設(shè)計(jì)有旁通管路時(shí)，應(yīng)避免出現(xiàn)尾閘故障落下，進(jìn)水閥閥體關(guān)閉而旁通閥仍然保持開啟的異常，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)應(yīng)對(duì)此進(jìn)行模擬試驗(yàn)確認(rèn)。

1.5 機(jī)械剎車

多個(gè)抽水蓄能電站在調(diào)試或者運(yùn)行期間出現(xiàn)過(guò)高速加閘或者帶閘開機(jī)的事故，為防止自動(dòng)條件下的高速加閘或者帶閘開啟。建議：

（1）在監(jiān)控流程開始的時(shí)候，只要開機(jī)，不管機(jī)械剎車的狀態(tài)，都發(fā)出機(jī)械剎車退出的指令。

（2）在監(jiān)控流程判斷機(jī)組狀態(tài)的時(shí)候把機(jī)械剎車的狀態(tài)納入判斷條件。

（3）通過(guò)機(jī)械剎車位置開關(guān)判斷機(jī)械剎車投入的條件為“并”的關(guān)系，只要有一個(gè)剎車位置開關(guān)投入，機(jī)械剎車狀態(tài)為投入；判斷機(jī)械剎車退出的條件為“或”的關(guān)系，只有所有的剎車位置開關(guān)都退出，機(jī)械剎車狀態(tài)為退出。

（4）除將機(jī)械剎車位置開關(guān)作為判斷機(jī)械投入的條件外，宜考慮增加機(jī)械剎車投入管路的壓力作為判斷機(jī)械剎車是否投入的條件。

（5）應(yīng)保證調(diào)速器送出或者單獨(dú)測(cè)速裝置送出的投退機(jī)械剎車轉(zhuǎn)速開關(guān)信號(hào)的正確性，宜將測(cè)速裝置故障自診斷信號(hào)作為條件串入轉(zhuǎn)速開關(guān)信號(hào)回路。

（6）若測(cè)速裝置無(wú)故障自診斷信號(hào)，判斷機(jī)械剎車投入的條件可將幾個(gè)反向的轉(zhuǎn)速開關(guān)信號(hào)串聯(lián)進(jìn)入回路，如＞10%轉(zhuǎn)速和＜25%轉(zhuǎn)速,＜5%轉(zhuǎn)速串聯(lián)。這樣即使測(cè)速裝置沒有故障自診斷信號(hào)輸出，也可以通過(guò)轉(zhuǎn)速信號(hào)的相互反向來(lái)避免機(jī)械剎車誤投，＞10%轉(zhuǎn)速起到了測(cè)速裝置故障自診斷信號(hào)的作用。

2 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)抽水蓄能機(jī)組在調(diào)試期間和運(yùn)行期間部分機(jī)械設(shè)備出現(xiàn)的一些問題進(jìn)行了總結(jié)，并提供了解決相應(yīng)問題的思路，以避免出現(xiàn)類似問題，保證設(shè)備運(yùn)維安全和促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步。

鄧 磊（1977—），男，高級(jí)工程師，碩士研究生，主要研究方向：抽水蓄能電站調(diào)試和科研。E-mail:jjs321@163.com

周東岳（1987—），男，工程師，碩士研究生，主要研究方向：抽水蓄能電站調(diào)試和科研。E-mail:313681469@qq.com

周 攀（1983—），男，工程師，碩士研究生，主要研究方向：抽水蓄能電站調(diào)試和科研。E-mail:zp1983101@163.com

Research & Thinking on Mechanical Equipment Problems of Pumped Storage Units

DENG Lei,ZHOU Dongyue,ZHOU Pan
（State Grid Xinyuan Company Ltd. Technology Center,Beijing 100161,China）

This Paper have researched and summarized some mechanical problems of pumped storage unit which occured on commissioning period or operation period. To avoid similar problems this paper also provided the corresponding solutions as reference to the related professional people.

pumped storage; main shaft seal; conense system,governor; inlet valve; mechanical brake