老撾某電站技術(shù)供水泵運(yùn)行異常的分析與處理

石振球，毛華匡，高 崗

(浙江富春江水電設(shè)備有限公司，浙江 杭州 311121)

1 概 述

某電站位于老撾阿速坡省，水源來自于Bolaven高原XN河上的1座蓄水大壩。蓄水后，水庫中的水通過1條長引水隧道輸送，獲得約650 m的水頭；水流通過水電站后，最終被排泄至XK河釋放。該電站總裝機(jī)容量為412.8 MW，配備了3臺124 MW(1～3號機(jī))的混流式機(jī)組和1臺40.8 MW(4號機(jī))的沖擊式機(jī)組。

該電站技術(shù)供水系統(tǒng)采用開閉環(huán)雙系統(tǒng)水泵單元供水設(shè)計。開環(huán)系統(tǒng)通過主備水泵從尾水管取水，經(jīng)濾水器過濾后，通過板式熱交換器給閉環(huán)系統(tǒng)冷卻，最終換熱后的開環(huán)冷卻水排至尾水渠；主備泵的啟停通過電動閥自動控制。閉環(huán)系統(tǒng)冷卻水為清潔水源，通過主備水泵不斷閉環(huán)循環(huán)，循環(huán)水經(jīng)過板式熱交換器，通過開環(huán)系統(tǒng)冷卻水進(jìn)行冷卻，用于水輪發(fā)電機(jī)組各部件的最終冷卻。開閉環(huán)系統(tǒng)換熱原理如圖1所示。

圖1 開閉環(huán)系統(tǒng)換熱原理圖

2 故障經(jīng)過

根據(jù)現(xiàn)場反饋，電站自2019年7月5日1號機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行時，發(fā)現(xiàn)開環(huán)系統(tǒng)主備2臺技術(shù)供水泵無法按正常設(shè)定時間切換(設(shè)定值為每隔6 h對泵進(jìn)行切換，但其中任意一臺主水泵運(yùn)行時間到達(dá)后，均無法正常切換至另一臺備用水泵)，且連續(xù)運(yùn)行超過2～4 h后2臺水泵均會出現(xiàn)空載現(xiàn)象，導(dǎo)致閉環(huán)水無法冷卻后水溫上升而被迫停機(jī)。開環(huán)系統(tǒng)設(shè)備布置圖如圖2所示。

圖2 開環(huán)系統(tǒng)設(shè)備布置圖

3 現(xiàn)場檢查

根據(jù)經(jīng)驗，水泵空載的常見幾個原因如下：

問題發(fā)生后，現(xiàn)場立即對水泵控制系統(tǒng)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)水泵控制系統(tǒng)并不存在任何問題。隨后對開環(huán)系統(tǒng)設(shè)備及管路進(jìn)行檢查，現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，水泵前的閥門一直處于正常的常開狀態(tài)；水泵及管路安裝較為規(guī)范，進(jìn)出口管路連接緊密；水泵及管路密封性能良好，不存在明顯漏水現(xiàn)象，且水泵及管路剛安裝不久，水泵空載前也能正常進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，故不存在泵流道腐蝕較大問題，流道也無明顯堵塞及卡阻情況。

檢查中還發(fā)現(xiàn)，開環(huán)總進(jìn)水管(取水口處，泵前)最高點(diǎn)已安裝浮球式排氣閥?，F(xiàn)場跟蹤檢查后發(fā)現(xiàn)，技術(shù)供水系統(tǒng)運(yùn)行期間，該排氣閥未能正常排氣，后對空載水泵排水時發(fā)現(xiàn)，水泵前后積攢了大量氣體。

現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)水泵憋氣后，通過對水泵3 d連續(xù)運(yùn)行及排氣觀察得出以下規(guī)律：

一是開環(huán)主水泵運(yùn)行時必須對備用水泵進(jìn)行排氣(備用水泵處會產(chǎn)生氣體)，每隔1 h手動通過水泵后壓力表表閥處進(jìn)行排氣；如不定時排氣將會造成已運(yùn)行的水泵內(nèi)進(jìn)入空氣，導(dǎo)致已運(yùn)行水泵空載運(yùn)行，每隔1 h排氣時長約1～2 min。

二是每隔6 h主水泵切換至備用水泵時，需提前5 min對備用水泵進(jìn)行排氣；如不提前排氣將會導(dǎo)致水泵切換失敗。

4 原因分析

4.1 開環(huán)技術(shù)供水管道存氣來源分析

(1)取水口

常溫下氧氣和二氧化碳均能一定程度地溶解于水中，其溶解空氣的最大體積含氣率約為2%(即水中包含的溶解性氣體約為20 L/m3)，這部分氣體從壩區(qū)取水口流入輸水管道時即存在于水流中。

(2)輸水管道

電站水源來自蓄水大壩，蓄水后，水庫中的水將被引水隧道輸送；輸水管道長，管網(wǎng)起伏大，輸水過程中會使局部產(chǎn)生真空，致使管道會從排氣閥或其他較高點(diǎn)處進(jìn)行吸氣，進(jìn)而使輸水管道中的氣體含量增多。

(3)機(jī)組自然補(bǔ)氣或強(qiáng)迫補(bǔ)氣

為了消除或減輕水輪機(jī)流道中各種較強(qiáng)烈的水壓脈動或振動以及為了消除或減輕水輪機(jī)氣蝕，水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計時一般會考慮向流道中補(bǔ)入大氣或壓縮空氣。由于本電站水頭較高，水輪發(fā)電機(jī)組頂蓋處設(shè)計了自然補(bǔ)氣和壓縮空氣強(qiáng)迫補(bǔ)氣的雙補(bǔ)氣組合(根據(jù)機(jī)組實(shí)際情況，自然補(bǔ)氣系統(tǒng)一直在使用，強(qiáng)迫補(bǔ)氣系統(tǒng)一般情況下無需進(jìn)行使用)，當(dāng)流道內(nèi)真空達(dá)到一定程度時，補(bǔ)氣系統(tǒng)會進(jìn)行工作，從而為機(jī)組進(jìn)行補(bǔ)氣。

4.2 現(xiàn)有排氣閥排氣效果不佳原因分析

氣液兩相流中，不同的流量、壓力、管路布置狀況和管道幾何形狀都會造成不同的流型，為了便于討論，且綜合水輪發(fā)電機(jī)組中設(shè)計流速，以較為平坦的管道為例進(jìn)行分析。根據(jù)兩相介質(zhì)分部的外形劃分，常規(guī)的氣液兩相流型共分為如下8類，詳見圖3。

圖3 常規(guī)氣液兩相流型圖

輸水管道充水排氣過程非常復(fù)雜，一般來說剛開始充水時管道流態(tài)多為層狀流、波狀流或環(huán)狀流，排氣較為容易；后期則多呈段塞流或泡沫流狀態(tài)，氣體的排出就較為困難了。因為該項目技術(shù)供水開環(huán)段輸水管道坡度不大，正常運(yùn)行時管道中大多是一段水一段氣的段塞流狀態(tài)，浮球式排氣閥的浮力僅幾公斤重；而排完第一段氣體，水就把浮球托起，第二段氣體開始帶壓，氣體對浮球的脫力足以將浮球一直處在關(guān)閥狀態(tài)；故排氣閥哪怕安裝在最高處，也不再自動開啟排氣，從而在段塞流狀態(tài)中失去排氣功能。

4.3 泵前后氣體積攢原因分析

管路氣體帶壓后，因排氣閥已無法正常排氣，大量的氣體隨著水流繼續(xù)前進(jìn)。主泵剛開始工作時，能夠正常運(yùn)行，但是由于備用水泵后有常閉電動閥，部分氣體開始積攢在暫未運(yùn)行的備用水泵處且無法排出；隨著時間的積累，備用水泵處積攢的氣體越來越多，導(dǎo)致主備水泵切換無法正常進(jìn)行。此時，若繼續(xù)運(yùn)行主水泵，備用水泵處積攢的氣體超過限度，開始往主水泵處轉(zhuǎn)移，進(jìn)而讓已經(jīng)正常運(yùn)行的主水泵也出現(xiàn)憋氣空載現(xiàn)象。

5 處理及防范

為了從根本上解決技術(shù)供水開環(huán)水泵處排氣問題，在兼顧了電站實(shí)際情況且盡可能保持變動最小的前提下，現(xiàn)場在主備水泵后壓力表位置各新增電磁排氣閥1套，并設(shè)定每小時排氣1次，排氣時長為2 min；每6 h切換水泵前5 min進(jìn)行排氣。其中，電磁排氣閥為兩位兩通，工作介質(zhì)為水和氣，額定壓力0.7 MPa，電壓AC220 V，常閉型，得電接通，失電自復(fù)歸。

電磁排氣閥安裝調(diào)試完成后，開環(huán)技術(shù)供水泵恢復(fù)正常，不再出現(xiàn)主備切換失敗或者水泵空載的現(xiàn)象。

鑒于浮球式排氣閥在技術(shù)供水開環(huán)系統(tǒng)中出現(xiàn)問題，現(xiàn)場將電站內(nèi)其余使用了該類型排氣閥的部位均逐一進(jìn)行檢查，并提前進(jìn)行了必要的處理。

輸水管道中的氣體主要會造成管道及過流面腐蝕、水泵氣蝕等問題，也會造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，嚴(yán)重時甚至?xí)斐上到y(tǒng)設(shè)備無法正常運(yùn)行。

另外，水泵的氣蝕過程雖然比較緩慢，但時間久了水泵就會出現(xiàn)氣蝕嚴(yán)重的情況，運(yùn)行效率降低，甚至?xí)绊懙秸９ぷ鳌?/p>

技術(shù)供水泵的這次問題及時地提醒了設(shè)計人員，在后續(xù)排氣閥選用時，需全面考慮到不同氣液流型對排氣方式的影響，應(yīng)盡量選擇切實(shí)可行的排氣方式。

6 結(jié) 語

對于老撾某電站技術(shù)供水開環(huán)水泵主備切換失敗及水泵空載運(yùn)行的現(xiàn)象，通過現(xiàn)場檢查后發(fā)現(xiàn)了直接原因，并將此問題予以解決。同時，在直接原因的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，進(jìn)而得出根本原因及相關(guān)解決方案，為后續(xù)的系統(tǒng)設(shè)計提供了一定的參考意義。