白山抽水蓄能電站6號機(jī)組甩100%負(fù)荷試驗事故分析

覃大清，馮伊平，鄭 凱，喬 木，強(qiáng) 杰，張 法，王環(huán)東

（1.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江省哈爾濱市 150040；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；3.白山發(fā)電廠，吉林省吉林市 132011；4.安徽響水澗抽水蓄能有限公司，安徽省蕪湖市 241000；5.國網(wǎng)新源控股有限公司回龍分公司，河南省南陽市 473002）

白山抽水蓄能電站6號機(jī)組甩100%負(fù)荷試驗事故分析

覃大清1，馮伊平2，鄭 凱2，喬 木3，強(qiáng) 杰4，張 法5，王環(huán)東2

（1.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江省哈爾濱市 150040；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；3.白山發(fā)電廠，吉林省吉林市 132011；4.安徽響水澗抽水蓄能有限公司，安徽省蕪湖市 241000；5.國網(wǎng)新源控股有限公司回龍分公司，河南省南陽市 473002）

白山抽水蓄能電站6號機(jī)組B級檢修后進(jìn)行甩100%負(fù)荷試驗時，發(fā)生水車室管路破裂、轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉等過流部件設(shè)備損壞的事故。主要原因是導(dǎo)葉摩擦裝置在機(jī)組導(dǎo)葉剪斷銷剪斷后發(fā)生滑動，限位塊保護(hù)功能失效導(dǎo)致導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪相撞擊。對本次甩負(fù)荷試驗事故起因及經(jīng)過進(jìn)行分析，可以讓我們深刻了解導(dǎo)葉保護(hù)裝置對電站安全運(yùn)行的影響，校驗機(jī)組導(dǎo)葉接力器的操作容量與導(dǎo)葉保護(hù)裝置，能在任何工況下安全可靠的操作導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，在今后的相關(guān)機(jī)構(gòu)設(shè)計、工藝操作及電站運(yùn)維中，引以為鑒，避免此類事故的發(fā)生。

導(dǎo)葉；限位塊；剪斷銷；焊縫高度

0 引言

抽水蓄能電站機(jī)組發(fā)電工況甩負(fù)荷是一個較為復(fù)雜的工況，是對水輪機(jī)導(dǎo)葉保護(hù)裝置等各機(jī)械部件的重要考驗，一旦水輪機(jī)部件因為設(shè)計計算、安裝質(zhì)量、運(yùn)行維護(hù)等不到位，將會發(fā)生導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪等設(shè)備損壞事故，嚴(yán)重時還可能發(fā)生水淹廠房重大事件。因此，確保導(dǎo)葉保護(hù)裝置安全可靠對機(jī)組在甩負(fù)荷等特殊工況下的安全運(yùn)行具有重要意義。

1 工程概述

白山抽水蓄能電站于2002年8月正式動工，2006年7月機(jī)組投產(chǎn)。電站裝有2臺150MW立軸混流可逆式機(jī)組，上游輸水系統(tǒng)為一管雙機(jī)布置，下游尾水系統(tǒng)為一管一機(jī)布置。發(fā)電機(jī)出口電壓13.8kV，220kV側(cè)采用兩機(jī)一線的電氣主接線方式，通過220kV開關(guān)站接入東北電網(wǎng)。電站6號水輪發(fā)電機(jī)組于2005年12月20日投產(chǎn)運(yùn)行，機(jī)組額定水頭105.8m，額定轉(zhuǎn)速200r/min。水泵水輪機(jī)共有20個固定導(dǎo)葉和20個活動導(dǎo)葉，轉(zhuǎn)輪共7個葉片。

水電站甩負(fù)荷試驗的目的是通過試驗考驗機(jī)組在選定的調(diào)速器調(diào)節(jié)參數(shù)下調(diào)節(jié)過程的速動性和穩(wěn)定性，考查調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)質(zhì)量。根據(jù)甩負(fù)荷時所測得的機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率、蝸殼水壓上升率和尾水管真空值來驗證調(diào)節(jié)保證計算的正確性。檢驗水輪機(jī)導(dǎo)葉接力器關(guān)閉規(guī)律的正確性及確定接力器不動時間，檢驗機(jī)組勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程的減磁性能及滅磁性能，檢驗過速保護(hù)的靈敏度等。

2015年12月10日，白山電站6號機(jī)組在B級檢修后先后進(jìn)行25%、50%、75%、100%甩負(fù)荷試驗，在甩75%額定負(fù)荷時，轉(zhuǎn)速上升率28.46%，水壓上升率13.14%，與往次試驗數(shù)據(jù)對比無異常，各部件檢查正常，在甩100%負(fù)荷時，轉(zhuǎn)速上升率39.6%，水壓上升率21.8%，試驗操作人員發(fā)現(xiàn)在試驗過程中水車室大量竄水、機(jī)組振動明顯增大，運(yùn)行操作人員立即手動投入緊急停機(jī)電磁閥，手動關(guān)閉蝶閥，經(jīng)緊急停機(jī)后檢查，發(fā)現(xiàn)6號機(jī)組水車室排水管、上止漏環(huán)冷卻水管及頂蓋均壓管破裂，檢測人員開蝸殼及尾水管進(jìn)行進(jìn)一步檢查，發(fā)現(xiàn)活動導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪存在不同程度的損壞，蝸殼、尾水道未見異常，蝶閥密封良好。

2 事故現(xiàn)場設(shè)備情況分析

通過現(xiàn)場檢查水車室內(nèi)導(dǎo)葉臂轉(zhuǎn)動情況及導(dǎo)葉損傷情況，發(fā)現(xiàn)共有16只活動導(dǎo)葉出現(xiàn)不同程度的損傷，固定導(dǎo)葉直觀檢查未見明顯損傷；共有7個葉片的發(fā)電工況進(jìn)水邊全部存在不同程度斷裂、變形，斷裂最大深度約100mm；與頂蓋相連的4根Φ219的頂蓋均壓管、5根Φ60的止漏環(huán)冷卻水管路破裂；20個剪斷銷全部斷裂，其中16個可以從斷口進(jìn)行配對。18只主副拐臂明顯錯位，11號、12號主副拐臂未發(fā)生明顯錯位，剪斷銷孔上下較為平齊，但此處剪斷銷亦完全斷裂；導(dǎo)葉全開、全關(guān)限位塊各20個，16個全關(guān)限位塊從焊縫斷裂，3個全開限位塊焊縫有裂紋且變形，其余完好。

3 相關(guān)計算及工廠試驗結(jié)果

對機(jī)組導(dǎo)葉接力器操作容量及導(dǎo)葉保護(hù)裝置進(jìn)行計算，校驗機(jī)組導(dǎo)葉接力器的操作容量與導(dǎo)葉保護(hù)裝置，能在任何工況下安全可靠的操作導(dǎo)水機(jī)構(gòu)。

對導(dǎo)葉水力矩進(jìn)行計算（包括非全關(guān)位置真機(jī)水力矩計算、全關(guān)點的水力矩計算、最大水頭下導(dǎo)葉水力矩計算），最大水力矩位于全關(guān)位置，其方向為關(guān)閉導(dǎo)葉，經(jīng)計算得最大水力矩值為34.8kN·m，導(dǎo)葉水力矩曲線如圖1所示。

圖1 導(dǎo)葉水力矩曲線Fig.1 Guide vane water torque curve

對導(dǎo)葉摩擦力矩進(jìn)行計算，最大摩擦力矩位于全關(guān)位置，其方向為導(dǎo)葉運(yùn)動的反方向，經(jīng)計算得最大摩擦力矩值為37.7kN·m，機(jī)組單個導(dǎo)葉摩擦力矩曲線如圖2所示。

圖2 機(jī)組單個導(dǎo)葉摩擦力矩曲線Fig.2 Sets a single guide blade friction torque curve

對導(dǎo)葉阻力矩進(jìn)行計算，最大阻力矩位于全關(guān)位置，其方向為關(guān)閉導(dǎo)葉，經(jīng)計算得最大阻力矩值為72.4kN·m，機(jī)組單個阻力矩曲線如圖3所示。

對接力器操作容量進(jìn)行計算，接力器為最小油壓時開啟導(dǎo)葉最小余量為133%，接力器為最小油壓時關(guān)閉導(dǎo)葉最小余量為192%，在最低油壓時接力器操作導(dǎo)葉力矩的最小余量應(yīng)大于25%，接力操作容量有足夠的安全余量，確保在任何工況下可靠的操作導(dǎo)葉開關(guān)，接力器操作容量曲線如圖4所示。

圖3 機(jī)組單個阻力矩曲線Fig.3 Sets a single drag torque curve

圖4 接力器操作容量曲線Fig.4 Relay operation capacity curve

對導(dǎo)葉保護(hù)裝置力矩進(jìn)行計算，在全關(guān)位置，接力器最大操作油壓時傳遞給單個導(dǎo)葉的最大操作力矩值242kN·m，導(dǎo)葉保護(hù)裝置力矩為276.74kN·m，單個導(dǎo)葉保護(hù)裝置力矩與接力器最大操作力矩比值大于規(guī)定的1.1，最終剪斷銷直徑理論計算結(jié)果為40.58mm；對導(dǎo)葉限位塊作用力與焊縫強(qiáng)度進(jìn)行計算，全關(guān)位置，在最大水力矩與導(dǎo)葉軸頸摩擦力矩作用下，經(jīng)計算得限位塊作用力為60kN，當(dāng)剪斷銷與摩擦襯均失效的工況下，限位塊的最大可能作用力為60kN，限位塊焊縫設(shè)置為20mm環(huán)狀的角焊縫，經(jīng)計算其承載力為97.5kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于限位塊最大可能作用力，如按圖紙要求焊接，焊縫有足夠的強(qiáng)度使限位塊達(dá)到保護(hù)導(dǎo)葉的目的。

導(dǎo)葉摩擦保護(hù)裝置的作用是當(dāng)剪斷銷斷裂后防止導(dǎo)葉在水力的作用下發(fā)生自由擺動。白山抽水蓄能機(jī)組導(dǎo)葉摩擦保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。導(dǎo)葉摩擦襯力矩試驗結(jié)果表明，當(dāng)連接板把合螺栓按設(shè)計預(yù)緊力矩3000N·m預(yù)緊時，導(dǎo)葉摩擦襯的摩擦力矩滿足設(shè)計值70000N·m，并有一定的安全余量，導(dǎo)葉摩擦保護(hù)裝置的設(shè)計是合理可靠的。

根據(jù)上述計算的結(jié)果和導(dǎo)葉摩擦襯力矩試驗的結(jié)果，可知導(dǎo)葉保護(hù)裝置力矩、摩擦襯力矩、剪斷銷力矩、摩擦襯螺栓預(yù)緊力矩、剪斷銷直徑、限位塊焊縫的強(qiáng)度設(shè)計符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，有足夠的安全余量，可以確保機(jī)組安全可靠運(yùn)行。

4 事故原因分析

白山抽水蓄能機(jī)組導(dǎo)葉摩擦保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。導(dǎo)葉保護(hù)裝置由剪斷銷、摩擦限位裝置與導(dǎo)葉限位塊兩部分裝置組成，其功能為：當(dāng)兩個或多個導(dǎo)葉在關(guān)閉過程中被異物卡住時，導(dǎo)葉及傳動零件應(yīng)力達(dá)到約為2/3材料屈服極限而未破壞時，剪斷銷斷裂，保證其他導(dǎo)葉繼續(xù)關(guān)閉，剪斷銷的作用是當(dāng)傳動機(jī)構(gòu)超過設(shè)載荷時自動斷裂，起到保護(hù)導(dǎo)葉與傳動機(jī)構(gòu)的目的；每個導(dǎo)葉均設(shè)有摩擦限位裝置，以防止導(dǎo)葉在保護(hù)裝置動作后反復(fù)擺動，如果在任何一對導(dǎo)葉之間有障礙物，該裝置不會妨礙控制環(huán)向開或關(guān)方向運(yùn)動；每個導(dǎo)葉設(shè)有導(dǎo)葉限位塊，在最不利的工作條件下根據(jù)可能施加到導(dǎo)葉限位塊上的最大水力矩和沖擊力而設(shè)計的，限位塊設(shè)在頂蓋和拐臂之間用以限制導(dǎo)葉運(yùn)動角度，在保護(hù)裝置動作的情況下防止松動的導(dǎo)葉對相鄰的導(dǎo)葉或轉(zhuǎn)輪運(yùn)動的干擾。

圖5 白山抽水蓄能機(jī)組導(dǎo)葉摩擦保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)Fig.5 Baishan pumped storage units guide blade friction protection structure

在機(jī)組運(yùn)行過程中，剪斷銷剪斷本屬于可控的一個事件，其本身不會導(dǎo)致事故的發(fā)生。在本次事故中，由于某種原因?qū)е滤ω?fù)荷時產(chǎn)生過大的水力矩，而摩擦襯預(yù)緊螺栓夾緊力矩未達(dá)到設(shè)計值，導(dǎo)致剪斷銷剪斷截面應(yīng)力超過材料疲勞極限，剪斷銷在長期的交變應(yīng)力作用下，產(chǎn)生疲勞破壞，在本次甩負(fù)荷過程中，在較大的振動與沖擊下，突然發(fā)生斷裂，這是導(dǎo)致剪斷銷剪斷的直接原因。

摩擦裝置的摩擦力矩設(shè)計值為70 000N·m，此數(shù)值是基于機(jī)組在穩(wěn)態(tài)工況條件運(yùn)行的設(shè)計計算，在甩負(fù)荷工況時，導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪處水流流態(tài)復(fù)雜，此時產(chǎn)生的水力矩可能遠(yuǎn)大于穩(wěn)態(tài)工況下的最大計算水力矩，當(dāng)某一個或多個導(dǎo)葉的剪斷銷發(fā)生剪斷后，過大水力矩又克服了這些導(dǎo)葉摩擦裝置的摩擦力矩，使得摩擦裝置產(chǎn)生滑動，摩擦裝置滑動后又導(dǎo)致導(dǎo)葉關(guān)閉的不同步，引發(fā)水力不平衡，使得部分導(dǎo)葉的水力矩繼續(xù)增大。部分導(dǎo)葉摩擦裝置滑動后，水力矩推動導(dǎo)葉快速旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)葉臂撞擊全關(guān)限位塊，而后因為限位塊脫落的原因引發(fā)了導(dǎo)葉間相互碰撞。過大的不平衡水力矩和導(dǎo)葉間的碰撞，在使得所有導(dǎo)葉剪斷銷均被剪斷后，摩擦裝置相繼滑動。水力矩推動導(dǎo)葉快速關(guān)閉，使得導(dǎo)葉臂撞擊限位塊。

表1為焊縫高度與最大載荷對應(yīng)表，根據(jù)限位塊作用力及焊縫計算結(jié)果可知，限位塊最大可能作用力為60kN，焊縫最大承載力為97.5kN，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于限位塊最大可能作用力，限位塊焊縫強(qiáng)度足可以滿足機(jī)組安全可靠運(yùn)行，圖紙要求限位塊與頂蓋之的結(jié)合焊縫為環(huán)狀20mm角焊縫，但現(xiàn)場觀察環(huán)狀焊縫約為10mm角焊縫，其承載力約為49kN，遠(yuǎn)小于限位塊最大可能作用力60kN，當(dāng)此力作用于限位塊上時，必然導(dǎo)致焊縫破壞，這致使導(dǎo)葉限位塊被導(dǎo)葉臂撞擊脫落，導(dǎo)葉臂自由旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)葉失控后與轉(zhuǎn)輪撞擊。導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片受損，導(dǎo)葉臂翻轉(zhuǎn)撞擊頂蓋上相關(guān)管路，導(dǎo)致水車室跑水。

表1 焊縫高度與最大載荷對應(yīng)表Tab.1 Weld height and maximum load corresponding

5 結(jié)束語

本次事故分析總結(jié)表明：導(dǎo)葉摩擦裝置在機(jī)組導(dǎo)葉剪斷銷剪斷后發(fā)生滑動是導(dǎo)致此次事故的直接原因，當(dāng)摩擦裝置無法承受甩負(fù)荷時的瞬時水力矩而發(fā)生滑動時，導(dǎo)葉全關(guān)位置限位塊未按圖紙要求進(jìn)行焊接，限位塊保護(hù)功能失效導(dǎo)致導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪相撞擊是本次事故的主要原因，也是事故擴(kuò)大的重要原因。據(jù)此，提出以下建議：

（1）水泵水輪機(jī)結(jié)構(gòu)型式應(yīng)采用安全可靠的導(dǎo)葉保護(hù)裝置。在任何情況下，導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪均不會發(fā)生碰撞。

（2）在設(shè)計時應(yīng)對包括甩負(fù)荷在內(nèi)各種工況下的動態(tài)水力矩進(jìn)行分析計算，合理估算暫態(tài)工況的最大水力矩，以確定剪斷銷的剪斷值、摩擦襯的動作值和限位塊的焊接尺寸，確保導(dǎo)葉保護(hù)裝置具有足夠的安全裕度。

（3）限位塊應(yīng)優(yōu)先考慮與固定部件采用一體化設(shè)計和工廠焊接；同時還應(yīng)將摩擦襯力矩試驗納入出廠驗收試驗項目等。

（4）正常運(yùn)行下，水電站機(jī)組甩負(fù)荷時有發(fā)生。作為啟動驗收重要一部分，機(jī)組甩負(fù)荷試驗有著它不可替代的地位，它關(guān)乎電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。只有機(jī)組各部分穩(wěn)定可靠運(yùn)行，才能保證機(jī)組廠房在甩負(fù)荷下的安全。

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Baishan Pumped Storage Power Plant Unit 6 100% Load Rejection Test Accident Analysis

QIN Daqing1，F(xiàn)ENG Yiping2，ZHENG Kai2，QIAO Mu3，QIANG Jie4，ZHANG Fa5，WANG Huandong2
（1.Harbin Electric Machinery Co.，Ltd，Harbin 150040，China；2.State Grid XinYuan Company Ltd，Beijing 100761，China；3.Baishan Power Plant，Jilin 132011，China ；4.Anhui Xiang Shui Jian Pumped Storage Power Station，Wuhu 241000，China；5.State Grid XinYuan Company Ltd.Hui Long Branch，Nanyang 473002）

A accident was occurred on the unit 6 of Baishan pumped storage power station.during the 100% load rejection test after a B class maintenance.The equipments of flow components，such as runner and guide vane，had been damaged.The water pipes on the head cover had been cut by guide vane arms and caused the leakage.The main reason is the sliding vane friction device in turbine guide vane cut off after the limit block protection function resulted from the failure of the guide vane and runner impact.The cause of the accident after the load rejection test and analysis，we can make a deep understanding of influence of guide vane protection device for safe operation of the power station，the guide vane servomotor check unit operation capacity and guide vane protection device，can be in any condition safe and reliable operation of the hydraulic mechanism，a design，in the relevant institutions in the process operation and power plant operation and maintenance，to avoid such accidents.

guide vane；limit block；shear pin；weld height

TV734.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 學(xué)科代碼：570.30 DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2016.06.002

2016-5-23

覃大清（1965—），男，教授級高工，全國水輪機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化委員會秘書長，哈爾濱電機(jī)廠副總工程師，主要研究方向：（水泵）水輪機(jī)研發(fā)。E-mail：qindq@hec-china.com

馮伊平（1963 —），男，高級工程師，主要研究方向：水電站（含蓄能）生產(chǎn)管理。E-mail：yiping-feng@sgxy.sgcc.com.cn

鄭 凱（1981—），男，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站水力機(jī)械設(shè)備技術(shù)管理。E-mail：kai-zheng@sgxy.sgcc.com.cn

喬 木（1981—），男，工程師，主要研究方向：水電站運(yùn)維檢修管理。E-mail：mu-qiao@sgxy.sgcc.com.cn

強(qiáng) 杰（1985—），男，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站水機(jī)專業(yè)管理。E-mail：jie-qiang@sgxy.sgcc.com.cn

張 法（1980—），男，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站運(yùn)維檢修管理。E-mail：fa-zhang@sgxy.sgcc.com.cn

王環(huán)東（1974—），男，工程師，主要研究方向：水電站運(yùn)維檢修管理。E-mail：huandong-wang@sgxy.sgcc.com.cn