非同步導(dǎo)葉壓力低導(dǎo)致機組跳機的缺陷分析及處理

于 瀟，祁亞靜，任 剛，吳 妍，金清山

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050300）

非同步導(dǎo)葉壓力低導(dǎo)致機組跳機的缺陷分析及處理

于 瀟，祁亞靜，任 剛，吳 妍，金清山

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050300）

介紹了張河灣抽水蓄能電站3號機組啟動過程中非同步導(dǎo)葉油罐壓力低導(dǎo)致機組機械停機事故，其原因為3號機非同步導(dǎo)葉開啟過快導(dǎo)致壓力油罐壓力下降過快。通過在排油管路加裝合適尺寸節(jié)流片后，該問題得以解決。

抽水蓄能；非同步導(dǎo)葉；節(jié)流片

0 前言

河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司位于河北省石家莊市井陘縣境內(nèi)，距石家莊市直線距離為53km，公路里程為77km。張河灣電站設(shè)計安裝4臺250MW單級混流可逆式水泵水輪發(fā)電機組，總裝機容量1 000 MW，以一回500 kV線路接入河北南部電網(wǎng)，主要承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相等任務(wù)，并且在電網(wǎng)故障甚至瓦解時，可以充當(dāng)電網(wǎng)最佳的緊急事故備用和“黑啟動”電源。電站最大毛水頭342m；最小毛水頭283m；水輪機工況額定水頭305m。電站水泵水輪機導(dǎo)水機構(gòu)共設(shè)置了20個導(dǎo)葉，導(dǎo)葉最大開度為36.18°，為了在導(dǎo)葉開啟過程中躲避不穩(wěn)定的“S”形區(qū)域，即反水泵工況區(qū)，設(shè)置了4個為非同步導(dǎo)葉（3號、4號、13號、14號）。4個非同步導(dǎo)葉單獨動作時，3號、13號導(dǎo)葉開度為5°，4號、14號導(dǎo)葉開度為15°，目前機組運行穩(wěn)定。

1 非同步導(dǎo)葉介紹

1.1 非同步導(dǎo)葉工作原理

非同步導(dǎo)葉裝置的工作原理即先把4個非同步導(dǎo)葉打開，3號5°、4號15°、13號5°、14號15°，且保持到其他導(dǎo)葉打開至某一特定開度后再進入同步操作，在其他導(dǎo)葉較小開度時就能得到相應(yīng)的流量和速度。由于在導(dǎo)葉較小開度時避開了“S”不穩(wěn)定區(qū)的機組其運行穩(wěn)定性能得到明顯改觀，即運行范圍已不在“S”區(qū)。在運行水頭范圍內(nèi)導(dǎo)葉所有開度線與各種負荷的轉(zhuǎn)矩線都只有一個清晰的交點，亦即相對應(yīng)的n1’=常數(shù)，這意味著運行工況必然是穩(wěn)定的。機組并網(wǎng)后，為了保持負載工況下的穩(wěn)定性，其他導(dǎo)葉在控制環(huán)的操作下繼續(xù)開啟，而兩個預(yù)開啟導(dǎo)葉仍保持不變。當(dāng)達到某一功率（為70 MW）或?qū)~開啟至一個特定角度后，預(yù)開啟導(dǎo)葉才與其他導(dǎo)葉同步隨功率增大繼續(xù)開啟至最大。

1.2 非同步導(dǎo)葉作用

抽水蓄能機組水輪機轉(zhuǎn)輪直徑大、葉片長、慣性大，特性曲線較復(fù)雜。其全特性-流量特性曲線中，在高轉(zhuǎn)速區(qū)水的進流很快下降，曲線向下彎曲明顯，當(dāng)機組到達飛逸轉(zhuǎn)速后，在其強大慣性力的推動下，有可能直接進入制動區(qū)，在進入水機制動區(qū)后，由于水流對轉(zhuǎn)輪的阻礙作用，在流量減少的同時，轉(zhuǎn)速略有下降，故曲線出現(xiàn)反彎，如慣性力仍不消失，轉(zhuǎn)輪離心力將使水流反方向流出，即進入反水泵區(qū)，此時轉(zhuǎn)速將繼續(xù)增大，使曲線又向N11增大方向彎曲，形成一個“反S”形，在S形區(qū)域內(nèi)機組在同一轉(zhuǎn)速下可能會有三個不同的單位流量，且其中之一在反水泵區(qū)（Q＜0），從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)速擺動和不穩(wěn)定。特別是在導(dǎo)葉小開度下高轉(zhuǎn)速區(qū)水的進流特性曲線彎曲度更大，更容易進入反水泵區(qū)，在額定轉(zhuǎn)速下，并網(wǎng)時的導(dǎo)葉開度是最小導(dǎo)葉開度，也就是說并網(wǎng)前的區(qū)域是最危險的區(qū)域。為了躲避在全特性曲線中出現(xiàn)的不穩(wěn)定“S”形區(qū)，改善機組水輪機特性，我廠將水輪機3號、4號、13號、14號導(dǎo)葉改造為非同步導(dǎo)葉。

1.3 非同步導(dǎo)葉控制邏輯

1.3.1 根據(jù)設(shè)計，加裝非同步導(dǎo)葉的調(diào)速器系統(tǒng)對下述運行工作是有效的

（1）P轉(zhuǎn)G工況運行；

（2）機組在甩負荷后的空載額定轉(zhuǎn)速運行；（3）機組并網(wǎng)運行；

（4）機組背靠背啟動方式（拖動機）；（5）黑啟動工況啟動；（6）線路充電工況啟動；（7）機組G工況啟動。

1.3.2 監(jiān)控中各工況啟動時開非同步導(dǎo)葉條件

（1）P轉(zhuǎn)G工況運行時

①收到G工況啟動信號；

②收到換相刀閘合于G方向信號；

③收到機組開關(guān)GCB分位信號；

④收到機組轉(zhuǎn)速大于等于50%額定轉(zhuǎn)速信號；

⑥收到機組轉(zhuǎn)速小于等于110%額定轉(zhuǎn)速信號；

⑦收到調(diào)速器ADT1000無大故障信號。

（2）機組甩負荷后的空載額定轉(zhuǎn)速運行時

①收到機組開關(guān)GCB分位信號；

②收到機組轉(zhuǎn)速大于等于50%額定轉(zhuǎn)速信號；

③收到機組轉(zhuǎn)速小于等于110%額定轉(zhuǎn)速信號；

④收到調(diào)速器ADT1000無大故障信號。

（3）黑啟動（BS）、線路充電（LC1、LC2）工況啟動時

①收到機組開關(guān)GCB合位信號；

②收到機組轉(zhuǎn)速大于等于50%額定轉(zhuǎn)速信號；

③收到機組有功功率小于70 MW信號。

（4）機組并網(wǎng)穩(wěn)定運行時

①收到機組開關(guān)GCB合位信號；

②收到機組轉(zhuǎn)速大于等于50%額定轉(zhuǎn)速信號；

③收到機組有功功率小于70MW信號。

（5）機組G工況啟動、機組背靠背拖動做拖動機時

① 收到機組開關(guān)GCB分位信號；

②收到機組轉(zhuǎn)速大于等于50%額定轉(zhuǎn)速信號；

③收到機組轉(zhuǎn)速小于等于110%額定轉(zhuǎn)速信號；

④收到調(diào)速器ADT1000無大故障信號。

1.3.3 監(jiān)控非同步導(dǎo)葉流程控制示意圖（見圖1）

圖1 非同步導(dǎo)葉流程控制示意圖

2 缺陷發(fā)生經(jīng)過

2.1 缺陷發(fā)生前運行方式

故障前運行狀態(tài)：張廉線5002、5003開關(guān)運行，2號機組發(fā)電運行出力250 MW，1～4號主變運行；廠用電10 kV I段由1003供電，I段帶II段運行，III段由1002開關(guān)供電獨立運行。

2.2 缺陷描述

20:10:34按計劃3號機發(fā)電方向啟動。

20:12:56 3號機發(fā)電方向并網(wǎng)，但沒到穩(wěn)態(tài)工況。

20:13:24監(jiān)控出現(xiàn)報警：U03_ME10_CP201_TG01 CP201 Oil Pressure N-V-Low→V-Low。

20:13:24 3號機組出力46.79 MW時，監(jiān)控出現(xiàn)報 警 :U03_GA01_MECFLT_DZ01UnitMchanical Fault N-TRP→TRIPPED。3號機組機械停機。

3 缺陷分析、問題排查、原因分析、處理步驟

3.1 缺陷分析

經(jīng)查監(jiān)控記錄，3號機并網(wǎng)后非同步導(dǎo)葉正常關(guān)閉，4 s后再次開啟，導(dǎo)致非同步導(dǎo)葉油罐壓力下降至約7.9 MPa，該機械保護定值為小于9 MPa，延時1 s機械跳機。

3.2 問題排查

（1）運維人員現(xiàn)場檢查非同步導(dǎo)葉油罐壓力，與監(jiān)控壓力顯示一致，壓力顯示正常；

（2）現(xiàn)場檢查非同步導(dǎo)葉均在關(guān)閉位置，機械設(shè)備無異常，管路無漏油現(xiàn)象；

（3）查看歷史記錄，非同步導(dǎo)葉在GCB合閘后，正常關(guān)閉后又異常開啟（圖2）。進一步分析機組順控流程，查找非同步導(dǎo)葉異常開啟的原因：發(fā)電工況GCB合閘后，有功功率低于45 MW時監(jiān)控會再次發(fā)令開啟非同步導(dǎo)葉。查看歷史曲線，發(fā)現(xiàn)3號機組發(fā)電并網(wǎng)后有功功率確實再次低于45 MW，最低有功達到約34.24 MW（見圖4），導(dǎo)致非同步導(dǎo)葉再次開啟。由于非同步導(dǎo)葉關(guān)閉、開啟過快，導(dǎo)致短時間儲能罐內(nèi)油壓下降過快，低于跳機值，油泵來不及將壓力補到正常范圍，最終引起機械事故停機。

圖2

（4）查找歷史記錄，統(tǒng)計3號機最近4次動水情況下，非同步導(dǎo)葉開啟、關(guān)閉時間，見表1，其他機組非同步導(dǎo)葉開啟、關(guān)閉時間，見表2。

表1 3號機組最近五次非同步導(dǎo)葉開啟及關(guān)閉時間

表2 1、2、4號機組的非同步導(dǎo)葉開啟、關(guān)閉時間

對比發(fā)現(xiàn)：3號機組非同步導(dǎo)葉開啟、關(guān)閉時間與其他機組相比所用時間較短。

可能產(chǎn)生的后果：1）非同步導(dǎo)葉油罐壓力下降過快，油泵無法在延時時間內(nèi)重新建壓，從而使壓力低至9 MPa以下，機械停機；2）機組發(fā)電工況并網(wǎng)后，非同步導(dǎo)葉迅速關(guān)閉，但此時其余導(dǎo)葉開啟速度較慢，機組有功迅速下降至45 MW以下，導(dǎo)致監(jiān)控再次發(fā)令開啟非同步導(dǎo)葉。

3.3 原因分析

3.3.1 直接原因：3號機在發(fā)電啟動過程中，非同步導(dǎo)葉壓力油罐壓力低于9 MPa，延時1 s機組機械事故停機。

3.3.2 根本原因：

1）非同步導(dǎo)葉關(guān)閉、開啟過快，導(dǎo)致短時間內(nèi)壓力油罐油壓下降過快，油泵來不及將壓力補到正常范圍。

2）電磁閥AD201（非同步導(dǎo)葉動作電磁閥）的節(jié)流片孔徑不合適。

3.4 處理步驟

1）對3號機非同步導(dǎo)葉油壓系統(tǒng)進行隔離；

2）檢查3號機組非同步導(dǎo)葉電磁閥AD201，未見異常；

3）更換3號機組非同步導(dǎo)葉電磁閥AD201排油管路的節(jié)流片；系統(tǒng)建壓，現(xiàn)地手動開關(guān)非同步導(dǎo)葉，開啟、關(guān)閉時間約為70 s左右，均超過順控流程中設(shè)定的45 s，會導(dǎo)致機組發(fā)電工況啟動失敗。鑒于此情況，需重新加工孔徑合適的節(jié)流片。

4）在合適孔徑的節(jié)流片加工、回裝之前，將3號機組非同步導(dǎo)葉油罐壓力的機械保護設(shè)定值進行臨時修改?，F(xiàn)地手動啟動油泵建壓，統(tǒng)計儲能罐的壓力由9 MPa至10 MPa所需時間約為12 s，故將定值臨時修改如表3：

表3 機械保護設(shè)定值修改

5）8月3日，結(jié)合1號機定檢,檢查1號機組非同步導(dǎo)葉電磁閥AD201排油管路的節(jié)流片,測量節(jié)流片兩端孔徑約為4 mm/2 mm；按照1號機的情況，加工節(jié)流片孔徑至4 mm/2 mm。

6）在加工的節(jié)流片到位后，將3號機組非同步導(dǎo)葉電磁閥AD201排油管路的節(jié)流片進行更換。更換節(jié)流片后，現(xiàn)地動作非同步導(dǎo)葉（靜水情況下）開關(guān)動作情況正常，開關(guān)時間統(tǒng)計如表4：

表4 開關(guān)時間統(tǒng)計（靜水）

7）8月4日，3號機發(fā)電啟動成功，動水情況下，非同步導(dǎo)葉正常動作，開關(guān)時間統(tǒng)計如表5：

表5 開關(guān)時間統(tǒng)計（動水）

8）非同步導(dǎo)葉壓力油罐壓力變化正常?，F(xiàn)地模擬啟動失敗時非同步導(dǎo)葉動作情況:啟動前非同步導(dǎo)葉壓力油罐壓力13.62 MPa，非同步導(dǎo)葉到全開后，1.5 min后開始關(guān)閉,全關(guān)4 s后再次開啟非同步導(dǎo)葉，整個過程中油罐壓力最低至10.79 MPa，油泵啟動、建壓均正常。

9）8月4日，3號機發(fā)電開機時壓力13.68MPa，最低壓力10.92 MPa，非同步導(dǎo)葉油泵啟動、運行正常。

4 暴露的問題

（1）未及時發(fā)現(xiàn)3號機非同步導(dǎo)葉開啟、關(guān)閉時間較其他機組過快的現(xiàn)象。

（2）未將機組非同步導(dǎo)葉的運行情況納入月度技術(shù)分析。

5 防控措施

（1）完善調(diào)速器系統(tǒng)電磁閥設(shè)備臺賬，結(jié)合檢修統(tǒng)計4臺機組的電磁閥節(jié)流片位置和節(jié)流片孔徑。

（2）為避免再次出現(xiàn)非同步導(dǎo)葉連續(xù)動作的情況，考慮在有功大于等于70 MW關(guān)非同步導(dǎo)葉這一命令后增加10 s延時，但此邏輯的修改需得到主機設(shè)備廠家阿爾斯通的確認，公司已安排人員與廠家進行聯(lián)系確認。

（3）將機組非同步導(dǎo)葉的開啟關(guān)閉時間納入月度技術(shù)分析。

6 結(jié)語

通過處理此次非同步導(dǎo)葉的缺陷，我們對非同步導(dǎo)葉的工作原理、作用以及開啟邏輯都有了更加深刻的認識，反思此次缺陷出現(xiàn)的問題，總結(jié)的經(jīng)驗要延伸到其他機組中，保證機組的安全穩(wěn)定運行，提高機組運行的可靠性。

[1]劉大愷.水輪機[M].3版.北京：中國水利水電出版社，1997.

TV734

B

1672-5387（2016）12-0066-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.12.024

2016-08-29

于 瀟（1990-），男，助理工程師，從事抽水蓄能電站運維管理工作。