仇 濤,沈曉雁

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.浙江省水電測(cè)試中心,浙江 杭州 310020;3.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,浙江 杭州 310002)

1 工程概況

百丈氵祭一級(jí)水電站位于浙江省文成縣境內(nèi)、飛云江支流泗溪上,距文成縣城20 km,于1960年8月20日投產(chǎn)發(fā)電。電站內(nèi)原先裝有2臺(tái)單機(jī)容量為12.5 MW的臥軸雙轉(zhuǎn)輪四噴嘴水斗式水輪發(fā)電機(jī)組,設(shè)計(jì)水頭345 m。該機(jī)型是哈爾濱電機(jī)廠專為百丈氵祭一級(jí)水電站設(shè)計(jì)制造的,在水輪發(fā)電機(jī)組型式里具有典型代表意義。

2005—2006年,電站完成了增容改造工作,對(duì)引水系統(tǒng)進(jìn)行了補(bǔ)強(qiáng)加固,更新改造了機(jī)組及輔助設(shè)備,單機(jī)容量增至15.6MW。機(jī)組總體型式?jīng)]有改變,局部結(jié)構(gòu)做了一些改進(jìn),具體到水輪機(jī)上,主要是噴管型式由外伸接力器式改為內(nèi)置式直流噴管。

電站增容改造工作完成并投入商業(yè)運(yùn)行后,曾發(fā)生過噴針接力器漏油、進(jìn)水,尾水管補(bǔ)氣不足,個(gè)別噴管射流偏流引起機(jī)組振動(dòng)過大等缺陷,經(jīng)處理后,運(yùn)行情況良好。

2 事故經(jīng)過

2007年6月25日,電站送出線路遭雷擊、保護(hù)動(dòng)作線路開關(guān)跳閘,引發(fā)了2臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷。甩負(fù)荷前水庫(kù)水位接近正常蓄水位,兩臺(tái)機(jī)組共帶有功負(fù)荷27 MW左右。甩負(fù)荷后經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)球閥前量程為6 MPa的壓力表損壞;引水系統(tǒng)1#支洞的進(jìn)人孔蓋板被水沖翻,固定螺栓全部拉斷,水大量噴出;調(diào)壓井蓋板所有固定螺栓松動(dòng)。

事故發(fā)生后,電站立即成立了應(yīng)急小組,組織相關(guān)專家對(duì)事故原因進(jìn)行了會(huì)診,初步認(rèn)定機(jī)組甩負(fù)荷過程中噴針關(guān)閉時(shí)間過短是造成水錘壓力過高的原因。在對(duì)上一次事故受損部位進(jìn)行修復(fù)、對(duì)設(shè)備進(jìn)行全面檢查的同時(shí),調(diào)節(jié)調(diào)速器上相關(guān)閥件,延長(zhǎng)噴針動(dòng)水關(guān)閉時(shí)間至設(shè)計(jì)要求的25 s。

事故處理后,由于水庫(kù)水位較高,電站即投入了運(yùn)行。7月22日,再次發(fā)生了線路跳閘機(jī)組甩負(fù)荷的事故。此次事故有擴(kuò)大化的趨勢(shì),不僅1#支洞的進(jìn)人孔蓋板再次被掀翻,2#、3#支洞的進(jìn)人孔蓋板也變形漏水,鋼管末端進(jìn)人孔附近混凝土產(chǎn)生裂紋,球閥前新?lián)Q的量程為10 MPa的壓力表又損壞、球閥密封損壞。

3 原因分析

連續(xù)發(fā)生2次類似的事故,說明這不是偶然事件,而是某些原因引起的必然結(jié)果,并且事故破壞性有擴(kuò)大的趨勢(shì)。壓力鋼管的設(shè)計(jì)壓力為4 MPa,而球閥前10 MPa的壓力表損壞,由此可推測(cè)甩負(fù)荷過程中實(shí)際產(chǎn)生的引水系統(tǒng)水錘壓力已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)壓力,電站、引水系統(tǒng)的安全遭受嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

電站領(lǐng)導(dǎo)也認(rèn)識(shí)到了問題的嚴(yán)重性,下定決心一定要查明事故原因,消除事故隱患,經(jīng)甩負(fù)荷試驗(yàn)后,電站才能重新投入商業(yè)運(yùn)行。在經(jīng)過了多次會(huì)議研究、現(xiàn)場(chǎng)檢查和調(diào)試工作,事故原因逐漸顯現(xiàn)了出來。

3.1 動(dòng)水狀態(tài)下噴針關(guān)閉時(shí)間縮短原因分析及初步處理措施

根據(jù)6月25日事故后的初步分析,噴針在動(dòng)水狀態(tài)下的關(guān)閉時(shí)間比無水狀態(tài)下大幅縮短,其原因是機(jī)組經(jīng)增容改造后,水輪機(jī)噴管由外伸接力器式改為內(nèi)置式直流噴管。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 內(nèi)置式直流噴管結(jié)構(gòu)圖

直流噴管是沖擊式水輪機(jī)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu),其操作接力器藏于噴管內(nèi)部,與原有噴管形式相比,其效率較高,結(jié)構(gòu)緊湊、占空間較小。在受力上與原有噴管形式顯著不同的是,噴針受到較大的水壓作用于關(guān)閉的方向。在此影響下,無水狀態(tài)調(diào)好的關(guān)閉時(shí)間到了動(dòng)水狀態(tài)下就大大縮短了。例如,6月25日事件前,噴針的無水關(guān)閉時(shí)間按全行程30 s調(diào)整好后,在做甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)監(jiān)測(cè)到從額定負(fù)荷開度(70%左右)至全關(guān)的動(dòng)水關(guān)閉時(shí)間約為9 s。由此可見,無水和有水狀態(tài)下,噴針的關(guān)閉時(shí)間相差較大。

根據(jù)延長(zhǎng)噴針動(dòng)水關(guān)閉時(shí)間的要求,調(diào)速器廠的技術(shù)人員協(xié)同電站技術(shù)人員對(duì)噴針的關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行了重新調(diào)整。主要原理是通過減小調(diào)速系統(tǒng)中一個(gè)組合式液控閥的過流面積來控制操作油管中的油流量,以延長(zhǎng)關(guān)閉時(shí)間。以此方法先調(diào)整無水狀態(tài)下噴針的全行程關(guān)閉時(shí)間為70～80 s,再在噴管充水的狀態(tài)下,利用折向器偏流,調(diào)整噴針的全行程動(dòng)水關(guān)閉時(shí)間為30 s左右。

3.2 調(diào)保計(jì)算結(jié)果

噴針關(guān)閉時(shí)間過短是否引起異常的水錘壓力,根據(jù)加固后的引水系統(tǒng)和增容后的機(jī)組流量進(jìn)行水錘壓力計(jì)算。其結(jié)果見表1:

表1 水錘壓力計(jì)算結(jié)果表

從計(jì)算結(jié)果可以看出,即使考慮反饋信號(hào)的誤差,異常升高的水錘壓力也并不是因?yàn)閲娽橁P(guān)閉時(shí)間過短引起的。

3.3 事故異常現(xiàn)象

排除了噴針關(guān)閉時(shí)間過短的因素后,一個(gè)異常的現(xiàn)象引起了大家的注意。7月22日事故發(fā)生時(shí),有電腦記錄顯示,從線路跳閘到噴針全關(guān)的反饋信號(hào)動(dòng)作的時(shí)間約為13 s。機(jī)組甩負(fù)荷后,1#機(jī)組的噴針全關(guān)“動(dòng)作/復(fù)歸”信號(hào)每隔2～3 s動(dòng)作1次;2#機(jī)組也是每隔5 s左右動(dòng)作1次,伴隨著噴針反復(fù)開啟、關(guān)閉,工作人員聽見噴針處發(fā)出連續(xù)的重大金屬撞擊聲。直到2 min后,工作人員手動(dòng)關(guān)閉進(jìn)水球閥,這種撞擊聲才停止。

從此現(xiàn)象上看,過高水錘壓力只有可能是噴針關(guān)閉后不正常的竄動(dòng)引起的,高頻率的噴針竄動(dòng)造成的水錘波在引水系統(tǒng)中不斷疊加,從而產(chǎn)生了異常升高的水錘壓力。

3.4 引起噴針竄動(dòng)的原因

噴針竄動(dòng)的原因從2個(gè)方面來考慮。一條思路沿著調(diào)速器方面,一條思路沿著水輪機(jī)方面。從調(diào)速器方面考慮,引起竄動(dòng)的可能原因有2:

(1)調(diào)速器上用以調(diào)節(jié)噴針開、關(guān)時(shí)間的組合式液控閥結(jié)構(gòu)上的原因。6月25日事故后,為了延長(zhǎng)噴針關(guān)閉時(shí)間,在組合式液控閥的噴針接力器啟閉油路上安裝了節(jié)流孔板,通過減小節(jié)流孔板上節(jié)流孔的大小來控制過油面積和流量,從而達(dá)到延長(zhǎng)噴針關(guān)閉時(shí)間的目的。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果,節(jié)流孔直徑在1～1.5 mm之間,才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求的噴針動(dòng)水關(guān)閉時(shí)間。如此小的過流面積,影響到液控閥其他操作功能,造成調(diào)速器在對(duì)噴針的調(diào)節(jié)過程中控制能力減弱,甚至失去了自動(dòng)控制功能。

(2)機(jī)組甩負(fù)荷后仍需帶近區(qū)小負(fù)荷及廠用電,這也可能是造成調(diào)速系統(tǒng)失穩(wěn)的原因。對(duì)于多噴嘴的沖擊式機(jī)組,當(dāng)所帶的近區(qū)小負(fù)荷及廠用電容量正好在噴針運(yùn)行個(gè)數(shù)切換的開度附近波動(dòng)時(shí),就可能造成噴針頻繁的切換。且?guī)ж?fù)荷時(shí)2臺(tái)機(jī)組還存在著搶負(fù)荷的可能性,再加上前面所述的調(diào)速器對(duì)噴針的控制能力減弱,從而引起調(diào)速系統(tǒng)失穩(wěn)。

從水輪機(jī)方面考慮,主要是直流噴管內(nèi)置式的結(jié)構(gòu),可能造成噴針接力器滲油或進(jìn)水的情況發(fā)生,從而影響調(diào)速器對(duì)噴針的控制效果。電站在運(yùn)行過程中也確實(shí)發(fā)生過多次漏油和水進(jìn)入調(diào)速系統(tǒng)的情況。檢修人員在處理上述事故時(shí)對(duì)噴針進(jìn)行解體,也發(fā)現(xiàn)部分噴針接力器開啟腔和反饋桿處存在油泥和積水現(xiàn)象。

4 事故后處理措施及甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)上述可能引起噴針竄動(dòng)的原因,主要采取了以下處理措施:

(1)調(diào)速器廠家在每根通往噴針接力器的操作油管上增加了單獨(dú)的單向節(jié)流閥,拆除了原先的節(jié)流孔板,噴針關(guān)閉時(shí)間由新增的單向節(jié)流閥來調(diào)節(jié)。這樣,調(diào)整噴針關(guān)閉時(shí)間的功能從組合式液控閥分離出來,組合式液控閥只承擔(dān)控制噴針開關(guān)操作的功能。調(diào)速系統(tǒng)液壓原理如圖2所示。

圖2 調(diào)速系統(tǒng)液壓原理圖

(2)根據(jù)機(jī)組所帶的小負(fù)荷容量重新調(diào)整了噴針從2只工作切換到4只工作的開度值,以避免噴針頻繁切換。

(3)在噴管結(jié)構(gòu)暫時(shí)不能改變的前提下,噴針解體進(jìn)行徹底清洗,更換了所有密封件,按技術(shù)要求組裝和進(jìn)行耐壓試驗(yàn),并對(duì)調(diào)速系統(tǒng)透平油進(jìn)行了過濾,對(duì)有關(guān)濾清器及數(shù)字球閥進(jìn)行了清洗。

事故處理措施到位后,電站對(duì)單臺(tái)機(jī)組分別進(jìn)行了甩25%、50%、75%、100%額定負(fù)荷試驗(yàn),對(duì)2臺(tái)機(jī)組進(jìn)行了50%、75%、100%額定負(fù)荷聯(lián)甩試驗(yàn)。甩負(fù)荷過程中機(jī)組運(yùn)行均比較平穩(wěn)。

從試驗(yàn)結(jié)果看,壓力鋼管末端最大壓力上升,單機(jī)甩負(fù)荷時(shí)發(fā)生在甩25%額定負(fù)荷,而2臺(tái)機(jī)組聯(lián)甩負(fù)荷時(shí)發(fā)生在聯(lián)甩50%額定負(fù)荷,并且都沒有超過理論計(jì)算值。在甩負(fù)荷過程中,當(dāng)噴針已關(guān)到空載位置后,每隔一定的周期仍有壓力波動(dòng)增大的現(xiàn)象,一般經(jīng)過2～3次這樣的波動(dòng)后,壓力才衰減,這就是水錘波傳播并且疊加的結(jié)果。

5 結(jié)論和建議

試驗(yàn)結(jié)果證明了事故原因分析的正確性和處理措施的有效性。

對(duì)于今后遇到類似的電站,應(yīng)特別關(guān)注以下問題:

(1)內(nèi)置式直流噴嘴結(jié)構(gòu)是近年來引進(jìn)國(guó)外技術(shù)發(fā)展起來的新技術(shù),結(jié)構(gòu)緊湊、效率較高,目前應(yīng)用廣泛,大有取代外伸接力器式的趨勢(shì)。在噴管結(jié)構(gòu)上,噴針受較大關(guān)閉方向的水壓力作用,使噴針在失去油壓的情況下也能利用水力關(guān)閉,在整定噴針關(guān)閉時(shí)間時(shí)要充分考慮到無水和動(dòng)水狀態(tài)下關(guān)閉時(shí)間的差距。

(2)在機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)噴針關(guān)閉過程中,安裝在接力器開啟油腔的壓力表顯示,最大壓力為9.1 MPa,不僅遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)壓力4 MPa,甚至高于耐壓試驗(yàn)的6 MPa,極有可能引起相關(guān)密封的滲漏和相連管路、閥件的損壞。因此,密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)應(yīng)可靠,并且與開啟油腔相連的管路、閥件承壓能力要按照前面所述的可能出現(xiàn)的最大壓力選用。

(3)對(duì)于調(diào)速器用于調(diào)整噴針開啟、關(guān)閉時(shí)間的組合式液控閥的結(jié)構(gòu)要進(jìn)行分析,其調(diào)整啟閉時(shí)間時(shí)是否會(huì)影響到其他調(diào)節(jié)性能,若有不良影響,要采取措施加以改善。