趙冉　李星志

摘要：為解決金沙水電站1號機(jī)組在啟動調(diào)試階段出現(xiàn)的水輪機(jī)頂蓋液位過高故障，利用排除法和真機(jī)試驗(yàn)法進(jìn)行了全面分析。通過檢查動作信號及邏輯、檢查頂蓋排水系統(tǒng)、分解檢查主軸密封，綜合分析了導(dǎo)致頂蓋液位過高的根本原因。通過清理主軸密封、優(yōu)化控制流程、更換濾水器濾芯、檢查真空破壞閥動作靈活性及可靠性、排查自動化元件，在機(jī)組安裝、調(diào)試及運(yùn)行過程中采取了相應(yīng)的防范措施。通過機(jī)組啟動試運(yùn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，證明以上分析和處理是正確的，避免了其他機(jī)組發(fā)生此類故障，確保了機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行。研究成果可為水電站水輪機(jī)頂蓋液位異常故障的分析和處理提供借鑒。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī); 頂蓋液位過高; 故障分析及處理; 金沙水電站

中圖法分類號：TV734.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.013

文章編號：1006 - 0081（2022）07 - 0078 - 04

0 引 言

金沙水電站位于四川省攀枝花市西區(qū)金沙江干流中游末端的攀枝花河段上，電站裝機(jī)容量560 MW，安裝4臺140 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，轉(zhuǎn)輪直徑10 650 mm，為目前國內(nèi)在建項(xiàng)目中轉(zhuǎn)輪直徑最大機(jī)組，設(shè)計(jì)年平均發(fā)電量21.77億kW·h。水輪機(jī)為通用電氣水電設(shè)備（中國）有限公司制造，型號為ZZ（JS）-LH-1065，額定水頭為16.8 m，額定流量為938 m3/s，額定轉(zhuǎn)速為57.7 r/min。發(fā)電機(jī)型號為SF140-104/16950，制造廠家為浙江富春江水電設(shè)備有限公司。水輪機(jī)頂蓋為水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的主要組成部件，頂蓋排水系統(tǒng)的正常與否直接影響著機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。金沙水電站機(jī)組頂蓋排水系統(tǒng)設(shè)置3臺WQ20-35-3（WQ20-22-3）型潛水排污泵，其中1臺工作，2臺備用，功率為7.5 kW，額定揚(yáng)程22 m，額定流量22 m3/s，設(shè)有高水位備用泵自動投入和報(bào)警裝置，頂蓋排水控制系統(tǒng)能根據(jù)頂蓋水位的變化自動啟停，并以I/O點(diǎn)的方式從水輪機(jī)儀表盤和/或水輪機(jī)端子箱接入電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)從頂蓋排水控制系統(tǒng)采集頂蓋內(nèi)水位報(bào)警信號、排水泵運(yùn)行/故障信號。頂蓋水位正常與否與主軸密封設(shè)計(jì)、安裝質(zhì)量、各部件密封效果及水質(zhì)存在較大關(guān)系。本文從金沙水電站安裝、調(diào)試過程中發(fā)生的真實(shí)案例展開分析，并采取了一系列防范措施，從本質(zhì)上消除導(dǎo)致頂蓋液位過高的誘發(fā)因素，避免了由此可能引發(fā)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)和安全事故。

1 故障現(xiàn)象

在水頭較高的混流式水輪機(jī)中，主軸密封通常與機(jī)組轉(zhuǎn)輪的其他止漏部件配合，是水輪機(jī)一道重要保護(hù)裝置[1]。主軸密封主要是檢修密封和工作密封，檢修密封為空氣圍帶，工作密封主要由密封環(huán)、浮動環(huán)、抗磨環(huán)、水箱、導(dǎo)向桿、彈簧及水箱蓋組成，通過主用水源或備用水源水壓與彈簧共同作用于浮動環(huán)，使浮動環(huán)保持在抗磨環(huán)平面上，并使其之間形成水膜，起到潤滑和密封作用，主軸密封結(jié)構(gòu)見圖1[1]。主用水取自清潔水源，水壓為0.3 MPa，主軸密封備用水源取自技術(shù)供水系統(tǒng)，水壓為0.15～0.35 MPa。主軸工作密封控制系統(tǒng)以I/O點(diǎn)的方式從水輪機(jī)儀表盤和/或水輪機(jī)端子箱接入電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)從主軸工作密封控制系統(tǒng)采集主軸密封水示流信號及進(jìn)口壓力信號、調(diào)節(jié)密封水過濾器壓降信號、工作密封加壓泵運(yùn)行/故障信號;根據(jù)開/停機(jī)流程要求，開啟/關(guān)閉主軸密封水電磁閥;可根據(jù)密封水壓是否滿足主軸密封運(yùn)行要求，對主軸密封供水加壓泵進(jìn)行遠(yuǎn)方啟/停控制。通過以上控制保證主軸密封水正常運(yùn)行，同時(shí)參與機(jī)組開、停機(jī)控制流程。2020年12月15日，根據(jù)機(jī)組啟動大綱要求并經(jīng)調(diào)度批準(zhǔn)后，1號機(jī)組上位機(jī)開機(jī)并將機(jī)組負(fù)荷帶100 MW并網(wǎng)發(fā)電，機(jī)組運(yùn)行5 min后，3臺頂蓋排水泵連續(xù)啟動，上位機(jī)報(bào)水輪機(jī)頂蓋液位過高動作、水導(dǎo)油槽液位過高報(bào)警動作發(fā)電機(jī)水機(jī)保護(hù)啟動、1號機(jī)組機(jī)械過速保護(hù)動作，監(jiān)控系統(tǒng)啟動機(jī)組事故停機(jī)流程停機(jī)。

2 原因分析

通過檢查分析，水輪機(jī)頂蓋排水系統(tǒng)動作及信號正常、保護(hù)回路及動作邏輯正常、頂蓋排水系統(tǒng)設(shè)備工作情況正常，通過對主軸密封進(jìn)行分解檢查，主軸密封抗磨環(huán)與浮動環(huán)動作可靠，排除了“浮動環(huán)動作行程不夠”造成主軸密封漏水增大的原因[2]。通過分析和論證，導(dǎo)向桿處存在少量雜物，但這不足以導(dǎo)致浮動環(huán)發(fā)卡引起主軸密封漏水，機(jī)械過速裝置安裝位置正確，不存在因機(jī)械過速裝置安裝錯(cuò)誤導(dǎo)致保護(hù)誤動作的情況[3]。

綜上所述，排除了因頂蓋排水系統(tǒng)故障導(dǎo)致的水位上升及水機(jī)保護(hù)誤動作的可能，結(jié)合實(shí)際情況綜合分析判斷，確定導(dǎo)致頂蓋液位異常升高的具體原因如下：① 機(jī)組開機(jī)前，因頂轉(zhuǎn)子導(dǎo)致密封環(huán)、浮動環(huán)隨水輪機(jī)主軸抬起。轉(zhuǎn)子落下動作過程中，因組合密封方向安裝錯(cuò)誤，導(dǎo)致浮動環(huán)與組合密封摩擦力增大，密封環(huán)、浮動環(huán)未回落到初始位置，密封環(huán)與抗磨環(huán)摩擦副間隙增大。② 當(dāng)機(jī)組增加負(fù)荷時(shí)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪因水推力向下位移，再次增大密封環(huán)與抗磨環(huán)摩擦副間隙，而水壓從水箱與浮動環(huán)之間從下往上擠壓組合密封，組合密封受從下往上水水壓影響凹槽被擠壓收縮，造成間隙，使流道里的水迅速進(jìn)入水車室。③ 3臺頂蓋排水泵依次啟動，仍不能保證排水到正常水位，水位迅速上漲，淹沒水導(dǎo)油槽上蓋板，導(dǎo)致水導(dǎo)油槽進(jìn)水，水導(dǎo)油槽液位過高報(bào)警動作。④ 水位繼續(xù)上漲，淹沒機(jī)械過速裝置電氣接點(diǎn)，導(dǎo)致動作接點(diǎn)短路，接通機(jī)械過速保護(hù)回路，啟動監(jiān)控系統(tǒng)事故停機(jī)流程，造成機(jī)組事故停機(jī)，水輪機(jī)頂蓋及主軸結(jié)構(gòu)示意見圖2。

經(jīng)調(diào)查分析，在安裝過程中，施工人員未認(rèn)真研究圖紙并領(lǐng)悟設(shè)計(jì)意圖，誤以為主軸密封組合密封凹糟水平向外可以達(dá)到封水效果。與設(shè)計(jì)人員交流后得知，此設(shè)計(jì)意圖為在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)往上的水壓會使得水填充凹槽向下的密封，從而使密封膨脹達(dá)到更好的密封效果。

3 現(xiàn)場檢查及處理情況

3.1 檢查動作信號

停機(jī)后采取安全措施，現(xiàn)場核對監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警信息、動作信號與現(xiàn)場設(shè)備實(shí)際動作情況，水輪機(jī)頂蓋2，3號泵運(yùn)行動作、水輪機(jī)頂蓋液位過高動作、水導(dǎo)油槽液位過高報(bào)警動作均與實(shí)際情況相符，且檢查發(fā)現(xiàn)，頂蓋液位過高只發(fā)送報(bào)警信號，未參與監(jiān)控系統(tǒng)停機(jī)流程。水導(dǎo)油槽油位顯示140 mm，高于正常工作油位35 mm（根據(jù)設(shè)計(jì)要求水導(dǎo)油槽油位報(bào)警值為130 mm，正常工作油位為105 mm），由此判斷液位上漲導(dǎo)致油槽進(jìn)水，水導(dǎo)油槽油位顯示異常上升。

3.2 檢查保護(hù)回路及動作邏輯

經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)，過速保護(hù)回路及動作邏輯正常，切向過速檢測器（離心擺）未動作，查看監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)記錄，顯示機(jī)組轉(zhuǎn)速電氣一級過速保護(hù)值未達(dá)到115%nr，為回路接點(diǎn)短路，實(shí)際轉(zhuǎn)速也未達(dá)到機(jī)械過速保護(hù)動作值155%nr。

3.3 檢查頂蓋排水系統(tǒng)工作情況

停機(jī)后投入檢修密封及發(fā)電機(jī)組制動器，檢查頂蓋液位為1 625 mm，已超過頂蓋報(bào)警值1 597 mm，手動啟動排水泵進(jìn)行排水，分別對3臺頂蓋排水泵工作情況及頂蓋液位計(jì)進(jìn)行檢查，對3臺排水泵進(jìn)行手動啟動試驗(yàn)，排水泵啟動正常，運(yùn)行參數(shù)滿足運(yùn)行及設(shè)計(jì)要求，頂蓋液位計(jì)開關(guān)量和模擬量輸出正常，頂蓋排水泵控制系統(tǒng)各信號及動作邏輯正常，排水管道無異常。

3.4 分解檢查主軸密封

拆除主軸密封環(huán)形水管與供水管連接法蘭、12根供水軟管、12套彈簧壓緊機(jī)構(gòu)、6套導(dǎo)向桿裝置;拆除水箱蓋與水箱連接螺栓，吊起水箱蓋、浮動環(huán)和摩擦環(huán)，對水箱蓋與浮動環(huán)間隙、彈簧壓縮量、導(dǎo)向桿靈活性、摩擦環(huán)表面和抗磨環(huán)磨損情況及光潔度、密封條磨損情況、水箱內(nèi)泥沙沉積情況進(jìn)行檢查。上述部件均未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，檢查主軸密封橡膠組合密封，發(fā)現(xiàn)密封條裝配方向錯(cuò)誤，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)密封槽向下，實(shí)際安裝為密封槽開口水平向外。另外，主軸密封抗磨環(huán)與浮動環(huán)、導(dǎo)向桿處存在少量雜物。清洗主軸密封各部件，更換密封條，并按照設(shè)計(jì)圖紙要求重新安裝。主軸密封回裝完成后，進(jìn)行轉(zhuǎn)子頂起、測量回落過程中浮動環(huán)軸向位移和主軸密封通水后浮動環(huán)上升值，用百分表測量浮動環(huán)隨轉(zhuǎn)子頂起、落下過程中，軸向位移均為3 mm（上、下位移），主軸密封通水后浮動環(huán)抬升量為0.06 mm，均滿足設(shè)計(jì)要求。清理水箱內(nèi)部少量淤泥，清除主軸密封抗磨環(huán)與浮動環(huán)、導(dǎo)向桿處少量雜物，確保各部件安裝正確，動作靈活。現(xiàn)場檢查如圖3所示。

3.5 優(yōu)化控制流程

鑒于頂蓋液位過高是事故停機(jī)流程啟動源之一，對監(jiān)控系統(tǒng)停機(jī)流程進(jìn)行優(yōu)化，將頂蓋液位過高報(bào)警信號接入監(jiān)控系統(tǒng)停機(jī)流程，確保頂蓋液位過高時(shí)機(jī)組安全停機(jī)，保證設(shè)備和人身安全，以防事故擴(kuò)大甚至造成水淹廠房事故的發(fā)生。

3.6 更換濾水器濾芯

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，經(jīng)與設(shè)計(jì)人員溝通，對過濾元器件做相應(yīng)改進(jìn)[4]，將原過濾精度為0.15 mm的濾芯更換為0.20 mm，解決了在前期試運(yùn)行過程中濾水器頻繁堵塞的情況，也保證了機(jī)組運(yùn)行對主軸密封水流量及壓力要求，避免了因主軸密封潤滑水水壓或流量不滿足運(yùn)行要求造成的主軸密封抗磨環(huán)或浮動環(huán)磨損，機(jī)組在正常運(yùn)行過程中抗磨環(huán)的使用壽命也得到了保證，從本質(zhì)上解決了因抗磨環(huán)和浮動環(huán)磨損造成的漏水問題，避免了因漏水量過大導(dǎo)致頂蓋液位過高的風(fēng)險(xiǎn)。

3.7 檢查真空破壞閥

為防止機(jī)組在運(yùn)行過程中導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)造成轉(zhuǎn)輪室真空而產(chǎn)生抬機(jī)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)階段在內(nèi)頂蓋均勻布置了8個(gè)真空破壞閥，對所有真空破壞閥進(jìn)行全面檢查，包括彈簧、軸套、密封件、導(dǎo)向銷及其他附件的磨損情況，并檢查其動作行程是否到位、導(dǎo)向銷是否偏移、彈簧是否磨損以及是否密封等[5]。

3.8 檢查自動化元件

定期檢查頂蓋液位計(jì)模擬量和開關(guān)量信號是否正常，并確保其開出信號可靠、真實(shí)，在頂蓋液位異常時(shí)能發(fā)出正確信號，從而控制排水泵正常啟、停，同時(shí)運(yùn)行值班人員應(yīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并采取有效措施，以防頂蓋液位過高造成事故擴(kuò)大。

4 結(jié) 語

在金沙水電站1號機(jī)組調(diào)試過程中，主軸密封安裝錯(cuò)誤會造成漏水。針對主軸密封漏水量過大造成保護(hù)回路短路，導(dǎo)致保護(hù)動作甚至機(jī)組事故停機(jī)的情況，通過現(xiàn)場檢查、原因分析，最終查明了此次故障發(fā)生的根本原因，并采取了處理措施。機(jī)組重新開機(jī)試驗(yàn)并試運(yùn)行，證明以上的分析和處理是正確的。應(yīng)足夠重視設(shè)備關(guān)鍵部位的安裝，尤其是水輪機(jī)主軸密封及頂蓋排水系統(tǒng)等關(guān)鍵部位。安裝中的微小問題都可能會造成頂蓋液位過高，如因主軸密封結(jié)構(gòu)損壞、真空破壞閥故障、自動化元件故障或因排水系統(tǒng)故障導(dǎo)致漏水量過大，得不到及時(shí)有效處理，可能會導(dǎo)致機(jī)組事故停機(jī)或事故擴(kuò)大，甚至存在水淹廠房的風(fēng)險(xiǎn)。因此，本次故障的正確處理及防范措施對今后處理同類型電站頂蓋液位異常提供了寶貴的故障分析和處理經(jīng)驗(yàn)，具有一定借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 翟建平，廖煥華.水輪機(jī)主軸密封漏水的故障分析及處理[J].潤滑與密封，2011，36（12）：104-106，116.

[2] 李佳楠，蔣巍巍，魏世全，等.枕頭壩一級水電站滿負(fù)荷工況下主軸密封漏水問題分析與處理[J].水電與新能源，2021，35（5）：58-60.

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[5] 劉定偉， 趙彬， 蔡銀輝，等. 深溪溝電站水輪發(fā)電機(jī)組真空破壞閥優(yōu)化改造[J]. 人民長江，2015，46（24）：97-100.

（編輯：唐湘茜）

Analysis and treatment of excessively high fluid level of turbine roof cover

ZHAO Ran， LI Xingzhi

（Sichuan Energy Panzhihua Hydropower Development Co.， Ltd.， Panzhihua 617000， China）

Abstract： In order to solve fault accident of excessively high fluid level of turbine roof cover of Jinsha Hydropower Station's No. 1 unit in startup stage， exclusion method and real machine tests were used to conduct a comprehensive analysis and study， including check the action signal and logic， check the roof drainage system， check main shaft seal， and the root causes are comprehensively analyzed. By checking and cleaning the spindle seal， optimizing the control process， replacing the water filter element， checking the action flexibility and reliability of the vacuum damage valve， and checking the automatic elements， relevant preventive measures are taken in the unit installation， commissioning and operation. The unit startup test showed that the above analysis and treatment are correct， which avoids the similar faults for other units， ensures the safe and stable operation of the unit.The analysis results can provide reference for the analysis and treatment of abnormal hydraulic level of turbine.

Key words： turbine; excessively high fluid level of turbine roof cover; fault analysis; Jinsha Hydropower Station