調(diào)相壓水過程的失效原因分析及處理

馬錦彪，孫 永

（國網(wǎng)新源控股有限公司潘家口蓄能電廠，河北 唐山064309）

1 潘家口調(diào)相壓水系統(tǒng)簡介

1.1 調(diào)相壓水系統(tǒng)的組成

潘家口電廠調(diào)相壓水系統(tǒng)由水機設(shè)備、尾水管水位測量系統(tǒng)（壓水浮子）、壓縮空氣供氣系統(tǒng)、壓氣及排氣閥門系統(tǒng)以及其控制系統(tǒng)、水環(huán)形成、排放及其控制系統(tǒng)等組成，其系統(tǒng)組成圖見圖1，管路示意圖見圖2。

圖1 調(diào)相壓水系統(tǒng)組成圖

1.2 潘家口電廠機組調(diào)相壓水控制介紹

潘家口電廠水泵水輪機及其輔助設(shè)備為蘇爾壽（現(xiàn)安德里茨）公司提供，水泵額定出力為67MW或90MW，水泵額定轉(zhuǎn)速為125/min或142.8r/min，轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑為5600mm，調(diào)相壓氣氣源采用中壓氣系統(tǒng)，額定氣壓為6.0MPa，各機組配置2個調(diào)相氣罐補氣，機組補氣罐通過2個公用氣罐補氣（設(shè)有單相閥），公用氣罐通過4臺中壓空壓機補氣，正常運行時，為保證各個機組壓水氣源的充足，各機組間調(diào)相氣罐互相獨立。

圖2 管路示意圖

機組調(diào)相壓水及回水閥門包括調(diào)相壓氣進(jìn)氣閥（375）、調(diào)相壓水排氣閥（376），調(diào)相壓水過程中還須操作的閥門有迷宮噴水閥（373）、水環(huán)排水閥（374）；壓水浮子布置于尾水錐管室，分為壓水水位高（跳機接點），壓水水位正常接點（抽水開機條件判斷接點），開壓水進(jìn)氣閥接點（補氣接點，最初程序中無此點，機組調(diào)試期間發(fā)電調(diào)相時水位上升導(dǎo)致跳閘后新加接點），關(guān)壓水進(jìn)氣閥接點（停止補氣），壓水水位低（報警接點）組成。

當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出由停機轉(zhuǎn)抽水運行令時，程序首先判斷調(diào)相氣罐壓力以及壓水水位正常后，流程同時打開迷宮噴水閥（373）與水環(huán)排水閥（374），當(dāng)373打開和374打開后立即開啟調(diào)相壓水進(jìn)氣閥（375）進(jìn)氣壓水，由于轉(zhuǎn)輪直徑較大，進(jìn)氣采用從頂蓋進(jìn)氣和尾水進(jìn)氣兩種方式進(jìn)入轉(zhuǎn)輪室，排氣則僅由頂蓋排出。其中壓水進(jìn)氣閥正常情況通過延時模塊實現(xiàn)關(guān)閉，時間整定為60s，為了防止壓水過度，當(dāng)壓水水位壓到關(guān)壓水進(jìn)氣閥接點時則關(guān)閉壓水進(jìn)氣閥（現(xiàn)場實際壓氣時間一般在5～10s內(nèi)）。在壓氣同時通過變頻器拖動機組在空氣中旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，程序發(fā)令關(guān)閉水環(huán)排水閥，同時打開調(diào)相壓水排氣閥，并監(jiān)視水環(huán)壓力。由于我廠抽水含2種轉(zhuǎn)速，故水環(huán)處壓力定值同樣采取2套定值，當(dāng)進(jìn)行125r/min抽水時，采取第1組定值（0.4MPa），當(dāng)進(jìn)行142.8r/min抽水時，采取第2組定值（0.6MPa），當(dāng)水環(huán)壓力達(dá)到動作值壓力開關(guān)動作后，即發(fā)出關(guān)閉壓水排氣閥和迷宮噴水閥信號，上述2個閥門關(guān)閉后立即打開導(dǎo)葉，進(jìn)入抽水穩(wěn)態(tài)，整個壓水及排氣過程結(jié)束。

1.3 水環(huán)的作用、形成及特點

水環(huán)的作用是在調(diào)相壓水運行過程中，在轉(zhuǎn)輪室與蝸殼間形成一層水密封，防止大量氣體進(jìn)入蝸殼。潘家口電廠水環(huán)形成方式是利用壓力差使壓力鋼管內(nèi)水通過導(dǎo)水葉的立面和端面間隙形成水環(huán)，但在實際運行中，由于轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的離心力，將上下迷宮冷卻水供水同樣甩向了蝸殼座環(huán)處，造成了潘家口電廠水環(huán)過厚，水環(huán)過厚將導(dǎo)致機組振動加大，迷宮溫度上升，因此必須采取一定的排水措施防止水環(huán)過厚。為確保可靠的減少水環(huán)厚度，潘家口電廠通過設(shè)置水環(huán)排水管路方式，使多余的水排向尾水管，由于以上特點造成了潘家口電廠水環(huán)排水管路直徑（DN400）遠(yuǎn)大于上下迷宮供水管直徑（DN150）。且電站也曾多次出現(xiàn)過由于導(dǎo)葉漏水量過大而導(dǎo)致抽水啟動失敗的案例，但若是盲目加大水環(huán)排水管路管徑，又會造成水環(huán)過薄導(dǎo)致水環(huán)無法形成，大量氣體將直接進(jìn)入蝸殼，造成啟動不成功。此問題一直困擾潘家口電廠多年，故在此提醒類似低水頭抽蓄機組在設(shè)計時注意水環(huán)的形成方式與水環(huán)厚度的控制方式，以免出現(xiàn)類似問題。

2 2號機組抽水導(dǎo)致3號主變跳閘過程簡述

在2018年3月27日，潘家口電廠2號機組A修結(jié)束后在進(jìn)行抽水啟動試驗時，2號機組經(jīng)3號機組背2號機組BTB抽水啟動成功后，2號機組抽水運行，3號機組在停機過程中，突然3號主變處發(fā)出巨響，且3號主變出口開關(guān)2203開關(guān)跳閘，監(jiān)控系統(tǒng)報“3號主變差動保護動作”、“3號主變出口2203開關(guān)跳閘”。跳閘后3號主變處存在大量積水（本日天氣晴，非雨水導(dǎo)致地面積水）。

3 跳閘問題原因分析

事故發(fā)生后立即組織了人員對3號主變差動保護回路進(jìn)行檢查和對保護裝置進(jìn)行校驗，檢查與校驗結(jié)果均正常，而后通過保護錄波及故障錄波看出了3號主變高壓側(cè)C相電壓瞬間降低且電流明顯增大。通過保護裝置調(diào)取波形C相電流二次有效值達(dá)到了68.416A，單相差流超過主變差動保護啟動定值（0.9A）從而導(dǎo)致差動保護動作，差動保護動作正確，故障持續(xù)時間為56ms。

對主變消防系統(tǒng)進(jìn)行了檢查，消防主機無主變噴淋啟動記錄，且對現(xiàn)場消防噴淋頭進(jìn)行檢查無噴淋動作痕跡，確認(rèn)了現(xiàn)場積水非主變噴淋動作后導(dǎo)致C相接地以及地面積水。

對現(xiàn)場水印進(jìn)一步觀察，發(fā)現(xiàn)噴水來自壩上，查看工業(yè)電視監(jiān)控歷史錄像發(fā)現(xiàn)為2號機組調(diào)壓管出口處噴水，而2號機組調(diào)壓管出口恰好布置于3號主變高壓側(cè)母線上方，故確定跳閘原因為調(diào)壓管噴水淋到母線上造成3號主變高壓側(cè)C相接地導(dǎo)致跳閘。

但2號機組運行正常，除開機時振動較大外無其他異常跡象。需進(jìn)一步分析2號機調(diào)壓管為何會噴水，檢查2號機組進(jìn)水口快速門并未落下，故不可能因為快速門落下的原因?qū)е滤畯恼{(diào)壓管噴出。

對2號機組開機過程中蝸殼、轉(zhuǎn)輪室壓力、水環(huán)壓力等曲線進(jìn)行調(diào)取查詢，發(fā)現(xiàn)蝸殼內(nèi)壓力在開機過程中存在較大波動，且水環(huán)壓力出現(xiàn)明顯異常，如圖3。

圖3 調(diào)壓井噴水時水環(huán)壓力曲線

2號機組水環(huán)壓力僅為0.27MPa左右不再變化，將此次開機水環(huán)曲線與其他機組正常開機時水環(huán)曲線進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)了明顯不同，正常開機過程中水環(huán)壓力應(yīng)是持續(xù)上升的過程直到機組導(dǎo)葉打開后再下降，如圖4。

圖4 水環(huán)壓力正常曲線

我廠142.8r/min水環(huán)壓力的定值為0.6MPa，通過曲線看出現(xiàn)場導(dǎo)葉打開時實際水環(huán)壓力與定值相差太多，現(xiàn)場在水環(huán)壓力0.27MPa時即打開了導(dǎo)葉，故分析原因可能為水環(huán)壓力控制單元出現(xiàn)問題而導(dǎo)致未達(dá)到定值即打開了導(dǎo)葉。對整個控制回路進(jìn)行排查后，并未發(fā)現(xiàn)異常情況，故對水環(huán)壓力開關(guān)進(jìn)行了校驗，結(jié)果如表1。

表1 壓力開關(guān)校驗記錄表

現(xiàn)場整定值與定值相差太多，對此回路進(jìn)一步梳理，如圖5。

水環(huán)壓力開關(guān)用于調(diào)相壓水排氣閥關(guān)閉動作信號。故進(jìn)一步對機組調(diào)相壓水排氣閥排氣時間進(jìn)行統(tǒng)計，并與3、4號機組做橫向?qū)Ρ龋c2號機組做縱向?qū)Ρ龋ㄒ姳?2）。

圖5 水環(huán)壓力控制流程

表2 調(diào)相壓水排氣閥376排氣時間統(tǒng)計表

本次2號機組轉(zhuǎn)輪室排氣時間明顯過短，與正常情況相差達(dá)80s左右，因為排氣時間過短，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪室內(nèi)空氣并未完全排空，轉(zhuǎn)輪室仍存在大量空氣，水環(huán)壓力在并未達(dá)到正常開導(dǎo)葉壓力的情況下，由于定值誤整定造成導(dǎo)葉提前打開，故導(dǎo)致2號機組在抽水啟動過程中導(dǎo)葉振動過大，調(diào)相壓水排氣376與373迷宮噴水閥關(guān)閉后，流程將電調(diào)直接用于水泵運行，并立即打開導(dǎo)葉，如圖6。

圖6 壓水系統(tǒng)控制流程

故得出結(jié)論，調(diào)壓井噴水原因為機組轉(zhuǎn)輪室壓水用氣未完全排出，轉(zhuǎn)輪室殘留的氣體隨著抽水水流進(jìn)入壓力鋼管，殘留氣體形成氣泡在調(diào)壓管處聚集，當(dāng)“氣泡”壓力達(dá)到一定數(shù)值時產(chǎn)生爆裂在調(diào)壓管內(nèi)產(chǎn)生浪涌。同時因為當(dāng)前潘家口水庫水位處于223.6m的較高水位，調(diào)壓管內(nèi)的水位與上水庫水位相同，距離調(diào)壓管排水口下沿僅有1.1m的距離，氣泡爆裂產(chǎn)生的浪涌造成調(diào)壓管噴水，導(dǎo)致處于調(diào)壓管正下方的3號主變高壓側(cè)C相引線接地故障，差動保護動作，導(dǎo)致3號主變出口2203開關(guān)跳閘。其噴水過程簡圖如圖7所示。

圖7 調(diào)壓口噴水示意圖

4 問題處理與擴展

在將水環(huán)壓力開關(guān)定值進(jìn)行重新整定后，隨后進(jìn)行抽水啟動試驗進(jìn)行驗證，結(jié)果與推斷的原因相符。造成本次事故的根源主要原因為設(shè)備責(zé)任人工作經(jīng)驗不足，責(zé)任心不強，對設(shè)備定值掌握不熟練，壓力開關(guān)校驗后驗收把關(guān)不嚴(yán)，未注重檢修全過程管理導(dǎo)致壓力開關(guān)整定值錯誤。為防止此類事件再次發(fā)生，同時為了預(yù)防運行過程中壓力開關(guān)損壞或定值發(fā)生變化，故對調(diào)相壓水系統(tǒng)流程的設(shè)計進(jìn)行了完善。除判斷壓力開關(guān)的動作信號之外，額外增加一個模擬量的控制信號（水環(huán)壓力大于0.6MPa），具體控制方式是將水環(huán)壓力開關(guān)動作信號與水環(huán)壓力模擬信號（模擬信號兩路任選其一）串聯(lián)使用，當(dāng)兩個信號同時滿足后程序方執(zhí)行下一步。

采取此種修改程序的方法雖從側(cè)面上解決了抽蓄機組在抽水啟動過程中調(diào)壓管噴水的問題，但其控制程序繁瑣故障率變高且并未從根源上將此缺陷消除，發(fā)生此次事故的根源在于調(diào)壓管與主變出口母線之間的布置方式存在隱患，但造成此隱患原因并非來自機組投運后，而在于電站初期設(shè)計導(dǎo)致。故在此提醒新建此類的壩后式電站時注意機組的調(diào)壓管、母線、主變等設(shè)備的布置形式，此次事故雖人員責(zé)任較大，但若不采取母線布置于調(diào)壓管下端的方式，此次事故完全可避免。

雖其他壩后式電站不一定具有抽水啟動工況，但調(diào)壓井噴水的情況還會發(fā)生在機組檢修完成后首次提進(jìn)水口閘門對流道進(jìn)行充水時，若充水閥打開過大且壓力鋼管較長，同樣會導(dǎo)致大量蝸殼、鋼管中的氣體在回到上游過程中導(dǎo)致調(diào)壓管噴水。大大加大了日常運維人員的操作風(fēng)險，并使操作時間大幅度增加。建議采用此種調(diào)壓方式的電廠結(jié)合自身實際對調(diào)壓管出口進(jìn)行合理改造，防止出現(xiàn)類似事故，降低運維風(fēng)險與工作人員難度與時間。我廠現(xiàn)擬對調(diào)壓井出口進(jìn)行改造，將出口通過軟管接至壩上，從根源上防止此類事故的再次發(fā)生。

5 結(jié)束語

抽水運行是抽水蓄能機組一個重要的運行工況，機組抽水啟動、運行穩(wěn)定性取決于水機設(shè)計和安裝、機組運行水頭以及調(diào)相壓水以及回水的控制設(shè)計。其中調(diào)相壓水以及回水的控制系統(tǒng)涉及到監(jiān)控程序的設(shè)計、水機閥門組動作、反饋，輔助系統(tǒng)的運行等等方面。本文從問題出現(xiàn)到問題解決進(jìn)行了詳細(xì)地分析研究，對可能存在的問題逐一排查，最終找到發(fā)生問題的原因并將問題解決，確保機組抽水啟動的安全，并對問題發(fā)生的根源進(jìn)行了進(jìn)一步的擴展。希望通過本文給存在相似問題的水電廠提供一個解決問題的方向，并提醒設(shè)計新建壩后式電站時注意調(diào)壓井與母線的布置方式。