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)
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。
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。
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
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
(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。
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。