減少水輪機停機后頂蓋水位異常上升率

吳雨霏，賴澤湖

（國家能源集團江西電力有限公司萬安水力發(fā)電廠，江西 萬安 343800）

0 引言

萬安水力發(fā)電廠的發(fā)電機組采用的是軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機，對該類水輪機來說，因其頂蓋安裝高程低（大軸密封安裝高程66 m，常常低于開機時的尾水水位67.7 m），在機組停機后易發(fā)生頂蓋返水現(xiàn)象。而無論任何原因造成頂蓋水位過高都可能導(dǎo)致頂蓋、水導(dǎo)軸承淹沒事故，極端情況下還會引起水淹廠房事故，故控制機組頂蓋水位異常上升，歷來是運行工作的重點。

1 電廠簡介

萬安水電廠裝有5臺軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組，總裝機容量533 MW。其中，2號機組裝機容量為105 MW，配備ZZ440-LH-850型水輪機，設(shè)計流量554.75 m3/s，額定水頭23 m。

2 關(guān)于2號機頂蓋水位異常上升情況的調(diào)查

對2018年1月至2019年5月2號機停機后頂蓋水位異常上升情況進行調(diào)查，并以停機后頂蓋水位超過頂蓋排水泵自動啟泵水位（0.8 m）后依然持續(xù)上升為異常劃分標準，統(tǒng)計出2號機共停機113次，停機后頂蓋水位異常上升發(fā)生13次，占比11.5 %。并且，該現(xiàn)象易連續(xù)發(fā)生，如圖1所示，2019年3月連續(xù)的三次停機，后兩次都發(fā)生了頂蓋水位異常上升。

圖1 2號機2019年3月頂蓋水位曲線局部圖

對2號機停機后頂蓋水位異常上升速度及故障處理可用時間進行調(diào)查，以自動啟泵水位0.8 m至水導(dǎo)軸承淹沒水位之間的1.4 m高度差為計算值，發(fā)現(xiàn)異常發(fā)生時，頂蓋水位上升速度快，留給運行值班人員反應(yīng)及處置的時間非常有限。統(tǒng)計結(jié)果：頂蓋水位異常上升最大速度為0.30 m/min、最小速度為0.07 m/min、平均上升速度0.18 m/min，相對對應(yīng)的故障處理可用時間最少為4.6 min、最大20 min、平均8 min（故障處理可用時間＝1.4 m/水位異常上升速度）。

調(diào)查情況匯總：2號機在停機后易發(fā)生頂蓋水位異常上升現(xiàn)象，發(fā)生概率為11.5%，且易連續(xù)發(fā)生，一旦異常發(fā)生則頂蓋水位上升速度快，留給運行值班人員反應(yīng)及處理的時間非常有限。

圖2 典型停機時頂蓋水位異常上升曲線圖

3 對2號機停機后頂蓋水位異常上升的原因分析

通過現(xiàn)狀調(diào)查，結(jié)合實際運行經(jīng)驗，對2號機停機后引起頂蓋水位異常上升的原因進行分析，發(fā)現(xiàn)主要原因有3個：尾水水位低、大軸密封水水壓不足、新安裝大軸密封塊缺少磨合。

3.1 尾水水位低

大軸密封安裝高程正好接近尾水水位66.5 m，停機前如密封水壓剛好滿足密封要求，停機后隨著尾水水位繼續(xù)下降，水壓下降造成通過密封塊通流孔的密封水漏水量加大，傳導(dǎo)作用下，密封水水壓下降到低于密封所需值，密封塊受到向上的托舉水壓不足，密封塊發(fā)生沉降，密封塊與轉(zhuǎn)環(huán)之間的密封間隙會突然擴大，即失去了止漏的作用。

3.2 大軸密封水水壓不足

（1）大軸密封水水壓不足時，密封塊受到的密封水上升壓力不足，容易發(fā)生密封塊沉降，或者密封塊沉降后無法將其托舉回位，進而導(dǎo)致大軸密封間隙擴大，失去止漏作用，造成頂蓋水位異常上升。

（2）機組停機時，受轉(zhuǎn)輪室水壓變化，大軸密封水水壓會產(chǎn)生一個向下的波動，停機完成后會恢復(fù)。

（3）在新更換大軸密封塊后，因其密封效果好，為避免出現(xiàn)密封塊燒損，要求運行時大軸密封水按額定值下限0.02 MPa調(diào)整。這時，大軸密封水水壓在正常運行時剛好夠用。但在停機時，受尾水水壓波動影響，或大軸密封塊發(fā)生輕微卡阻，就可能會因大軸密封水水壓稍小于大軸密封塊復(fù)位所需水壓，造成密封塊失效。

3.3 新安裝大軸密封塊缺少磨合

大軸密封塊與密封座凹槽之間間隙較小，新更換的大軸密封塊因存在磨合問題，停機時，轉(zhuǎn)動環(huán)在機組軸向推力作用下，將密封塊下壓2～3 mm，密封塊被卡在密封塊座上，轉(zhuǎn)動環(huán)回位后，密封塊不能隨之頂起，導(dǎo)致密封間隙擴大，加劇頂蓋漏水。只有經(jīng)過一段時間運行磨合后，密封塊形狀趨于圓滑，才不易發(fā)生沉降卡阻。

3.4 三要因之間的相互影響

需要說明的是，這三個要因并不是完全獨立起作用的，有時候它們是相互影響，綜合起作用的，單個要因并不一定會導(dǎo)致大軸密封失效而引發(fā)頂蓋水位異常上升，但兩個或三個要因同時出現(xiàn)時，則導(dǎo)致大軸密封失效而引發(fā)頂蓋水位異常上升的概率大增。

4 三步停機法

因三個要因都是在停機后造成主軸密封塊沉降后不能自行浮起，從而致使大軸密封失效，所以其主要對策就是找到減少停機過程中主軸密封塊下壓量，以及保持大軸密封有效水壓的停機操作方法。

分析1：機組停機過程中的大軸密封塊的下壓量（幅度和速度），是由停機時的流量變化引發(fā)機組軸向水推力突變產(chǎn)生的，所以只要能減緩?fù)C時的機組流量變化速度，就可以有效減小停機時密封塊下壓量（幅度和速度）。如采用分步緩減負荷，將減負荷時間延長一倍，大負荷區(qū)（＞35 MW）快減，小負荷區(qū)（＜35 MW）慢減，效果十分明顯。

分析2：停機時，受轉(zhuǎn)輪室水壓和尾水水壓變化波動，大軸密封水水壓會產(chǎn)生一個波動，采用上述的分步緩減負荷，就可以有效減緩?fù)C減負荷時段轉(zhuǎn)輪室水壓突變和尾水水位變化，減小大軸密封水水壓的向下波動幅值，從而保持大軸密封有效。

分析3：常規(guī)停機時，從機組減負荷至空載再到導(dǎo)葉全關(guān)后至轉(zhuǎn)輪室水壓穩(wěn)定的全過程中，機組大軸密封運行狀況都處于一個連續(xù)的動態(tài)過程，容易產(chǎn)生不利條件疊加的情況，致使密封塊沉降，甚至密封失效。如果將這個連續(xù)動態(tài)過程打斷，如在減負荷后先空載一定時間，再發(fā)停機令停機，則可有效減少密封失效的概率。

根據(jù)以上分析，制定出保持大軸密封有效性的“三步停機”操作法：①緩慢減負荷到零；②讓機組空轉(zhuǎn)2 min；③發(fā)停機令?？捎行p小停機時的大軸密封水水壓下降波動，同時還可減緩機組導(dǎo)葉關(guān)閉速度，減輕機組軸向水推力，能顯著起到改善機組停機時的大軸密封效果。

5 減少2號機停機后頂蓋水位異常上升率的運行方面的方法對策

（1）加強停機前的預(yù)判：停機前檢查尾水水位是否低于66.5 m、是否大軸密封水水壓不足，是否新安裝大軸密封塊。

（2）預(yù)判機組停機大軸密封有失效的可能時，采用“三步停機法”停機。

（3）做好停機后頂蓋水位異常上升的應(yīng)急處置預(yù)想。

（4）加強對大軸密封水的運行監(jiān)視及巡視檢查，加強監(jiān)屏工作，避免人為疏漏放任大軸密封水水壓不足。

（5）當大軸密封水主、備用水源發(fā)生變化時，及時進行倒換，避免斷水。

（6）當大軸密封水濾水器出現(xiàn)淤堵，及時要求檢修人員進行清理，及時消除淤堵。

（7）編制《停機后頂蓋水位異常上升應(yīng)急處置預(yù)案》并投入使用。

（8）班組定期開展相關(guān)的應(yīng)急演練，使人員熟悉操作流程。

6 對策實施效果

實施了相應(yīng)的“減少2號機停機后頂蓋水位異常上升”對策措施以后，運行值班人員在日常停機操作過程中，積極采取停機前預(yù)判、提前啟動頂蓋泵、機組三步停機、預(yù)備沖氣、預(yù)備投圍帶等有效防范措施，并在日常中加強了對大軸密封水的監(jiān)視和調(diào)整工作。經(jīng)驗證，在2019年8月至12月效果驗證期內(nèi)，2號機共停機61次，發(fā)生頂蓋水位異常上升3次，發(fā)生率由原11.5%降至4.9%，有效減少了2號機停機后頂蓋水位異常上升率。