從俄羅斯薩揚電站事故探討加強水電站運行管理

陳 杰

(二灘水力發電廠,四川 攀枝花 617000)

1 薩揚電站概述

薩揚電站位于西伯利亞大草原東部的葉尼塞河水系上,主要為發電、兼有航運效益。電站首臺機組于 1978年 12月投入運行,最后一臺機組于1985年 12月投運,1988年 1月成為西伯利亞電網的主力調頻、調峰電廠。電站廠房為壩后式,長288m、寬 36 m。電站裝機 10臺,單機容量 64萬kW(試驗中達到 72萬 kW且運行穩定),保證出力為 2120萬 kW,平均年發電量 234億 kW·h,是俄羅斯最大的水力發電站、世界第四大水力發電站。電站擋水建筑物為單圓心混凝土重力拱壩,壩長 1066m,壩高 246 m,壩寬(基底處)110 m,最高允許水位高程 220 m。電站進水口寬 7.5 m、高 11.5m,設有快速閘門。

2 薩揚電站水輪發電機組的相關情況

薩揚水電站機組為單機單引水管道,壓力鋼管為外包混凝土壩后背管,直徑 7.5m。發電機組為 СВФ1285/275-42УХЛ4傘式同步水力發電機組。水輪機為立式混流式 PO-230/833-B-677,轉輪直徑 6.77m,重 156 t,共有 16個轉輪葉片,為當時前蘇聯設計的最大出力的轉輪。水輪機頂蓋上有推力支架,設定了水冷卻和轉子強迫風冷卻。水輪機的特性為:Ⅰ區域為容許運行區域,動力特性線的水平一般,但水輪機效率較低;Ⅱ區域為不建議運行區域,過水部件將伴有強大的水錘和噪聲,動力特性線差;Ⅲ區域為推薦運行區域,該區域效率高,過流部分的壓力脈動最小,振動狀況良好;區域Ⅳ(出力限制線以外)為禁止運行區域。電站設計額定水頭為 194 m,最大水頭為 220 m,機組轉速為 142.86 r/min,單機設計流量為 358.5 m3/s。機組額定功率為 640 MW,最大出力為 73.5 MW。

水輪機組的導水機構有 20片活動導葉,每個活動導葉有一個單獨的直軸式接力器,座環有 19片固定導葉。機組的軸系為兩段,水輪機軸直接與發電機轉子中心體連接,在上端軸上安裝勵磁機 (圖 1)。

圖1 轉輪運轉特性曲線圖

2#機組于 1979年 11月投產。剛投產時 1#、2#機組使用的是臨時轉輪,后來相繼更換為永久轉輪。2#機組于 1986年 11月更換為永久轉輪。水輪機廠家設計的使用壽命為 30年。根據俄羅斯的國家標準,機組壽命為 40年。

3 事故發生的詳細情況

薩揚電站的 2#機組于 2009年 1～3月開展了計劃性中修,檢修后試驗情況良好。電站于2008年 7月投入 AGC系統;2009年投入 AVC系統。事故發生前,9臺機組處于運行狀態,總出力為 4400 MW,6#水輪機停機檢修。水庫處于高水位運行。2009年 8月 16日,薩揚電站帶基負荷運行(因水利樞紐泄水要求),因當時擔負系統頻率和出力過電流調節的電站(布拉茨克水電站)發生火災,與電網通信中斷后自動調節功能退出。按系統調度指令,8月 17日 04時 12分,薩揚電站的 AGC/AVC投系統側自動控制(1#、2#、4#、5#、7#、9#受系統控制 ,其余 3臺帶基荷,6#機組檢修停機),2#機組設定為負荷調節的首選機組(電站運行人員設定)。至 8時 12分共約 6次跨越振區運行,8月 17日 8時 00分,機組帶負荷 60萬kW(水導軸承振動 600μm),8時 12分帶負荷57.5萬 kW,8時 13分控制系統自動將負荷調整到 47.5萬 kW(運轉特性的Ⅱ區域,為不推薦區域,水導軸承振動 840μm),機組振擺急劇增減,頂蓋把合螺栓的螺母部分松退,頂蓋螺栓部分疲勞斷裂,在約2MPa水壓力作用下,機組旋轉部件帶著水輪機頂蓋以及上機架向上彈射躥升 10m,倒在發電機層樓板上。水輪機流道密封被破壞,巨大的高壓水柱從 2#機組的水輪機機坑空腔處噴射而出,大量的涌水迅速淹沒廠房(淹沒高程達 335.0 m)。在高壓水的作用下,2#機組旋轉的飛出部件破壞了 2、3和 4#機組段的邊墻;10臺機組及其它附屬設備被水淹并損毀嚴重,3臺變壓器 15.75 kV導線受損,8臺發電機組的線圈發生短路,7#和 9#機組段被破壞。電站出力下降到零,造成局部停電(包括廠用電源);電站進水口工作門在壩頂被手動關閉,從而截斷了沖入廠房的水流。

4 薩揚電站事故主要原因淺析

通過對薩揚電站全部公開資料進行分析后可以得出明確的結論:轉輪特性先天不足的 2#機組在帶病運行的情況下,操作人員錯誤的將缺陷機組設置為優先調整負荷的機組,在自動控制系統自動分配下,機組在非推薦區域運行,振動嚴重超標,劇烈的振動導致頂蓋部分把合螺栓螺母松退,大部分把合螺栓疲勞斷裂,在達到臨界狀態后就連剩余的頂蓋把合螺栓亦被拉斷,失去束縛的頂蓋飛出,水從機坑空腔噴出,導致水淹廠房。

4.1 2#機組存在先天缺陷,沒有及時處理,埋下了嚴重的隱患

2#機組于 1979年 11月投產,當時采用臨時轉輪運行。自投產運行之時起,因轉輪的水力不平衡,一直存在軸振動超標,最大達 2mm,并多次導致軸瓦移位、軸襯護面開裂、軸瓦損壞、軸瓦固定螺栓斷裂以及因振動造成頂蓋螺栓 1顆斷裂的情況(1982年 3月 24日),1986年 11月更換為永久轉輪后,情況有所好轉。該機組在 2005年 9月歷經 3個月的大修,對軸線和機組旋轉中心進行了調整;2009年 1月歷經 2個月的中修,對發現的 1 m長的蝸殼焊縫裂紋進行了處理,并更換了新的電調。機組維修后進行了振動測試,滿足標準要求(水頭 191m左右,測得機組的振動為 120～130μm左右,按照俄羅斯的標準,該轉速對應的振動上限為 160μm)。但在隨后 4～7月的運行中,機組振動幅值不斷攀升,最大超過標準值的4倍。在 8月 17日水流的沖擊下,頂蓋螺栓性能加速劣化,發生大量的斷裂。從此情況看,2#機組穩定性運行一直極差,多次導致相關設備損壞,而電站卻沒有采取有效的處理辦法,仍帶病、非優工況運行,從而埋下嚴重的安全隱患,是事故的直接原因。頂蓋螺栓斷裂的再次出現是必然的,只不過系統的調節變化促使事故提前發生。

根據統計結果,在 2009年的 1～8月,2#機組跨振區運行 232次(4#機組跨振區運行490次),2#機組在振區運行的時間為 2784 s(4#機組在振區運行的時間為 5880 s),均處于 10臺機組中的中間水平。2006年 1月至 2009年事發月統計在網工作時間表明,2#機組在網時間為 207630.57 h(最長的 1#機組在網時間為 21989.1 h),相對比較算較長的機組。從這些統計數據看,事故發生的關鍵還是 2#機組運行的穩定性遠差于其它機組。

4.2 自動控制系統參數設定不合理,導致設備常在不穩定區運行

該轉輪的特性限制了在當時的水頭下,其允許運行區域狹窄,因此,在給定總負荷下會有機組運行在不良工況區,而負荷分配策略又沒有對此進行限制,以至于在自動分配負荷時會運行在不推薦區域。這也是觸發事故的根本原因之一。

4.3 工作人員思想麻痹,錯誤的設置加劇了事故惡化的速度

2#機組自投產以來,運行情況一直較差。因轉輪水力因數不佳,運行中常出現振動超標,在沒有得到有效處理前,長期的報警使得工作人員神經已經麻痹,對異常的振動視而不見,已形成“都已經 30年的運行了,實踐檢驗不會出問題”的思想。這種思想直接導致在設定調整負荷機組優先級的時候不加思索的就將 2#機組設為優先調整機組。在非推薦區運行時,既使振動幅值已經超標準 4倍,他們也沒有及時和調度取得聯系,將機組手動調整到穩定運行區域。不過這一切僅是加快了事故出現的時間。

4.4 管理混亂,各種問題長期存在

根據有關資料,該電站自投運以來,陸續發生重大設備、設施的損毀情況。無論是體制原因,還是管理結構原因,一些問題長期得不到領導層的重視和落實,已經形成的管理文件形同虛設,長期得不到落實。原定的對運行情況欠佳的 2#機組進行不間斷跟蹤監視工作也沒有及時開展,從而使問題機組處于失控狀態。

5 電站運行檢修中應采取的對策

在電站實際運行中,機組與電網系統連接,因系統情況變化復雜多樣,機組需要隨時響應系統變化并作出相應的調節。機組的工況變化多樣,會頻繁的跨越振區或在振區附近運行等,機組的穩定性也會有較大的變化,如果振擺有超過上限值或長時間惡化發展,需要及時進行檢查、分析、處理,采用合理的對策,否則可能釀成重大事故。

5.1 把好電站的設計關

在電站設計之初就應充分考慮如何預防類似的事故發生,比如調保計算時應適度留些余量;增加機組振動、擺度超標后應及時停機;廠房跑水后在適當高度時應考慮全廠緊急停運和停電;對于地下廠房低于河道水位的電站,應考慮在每臺機組尾水管出口設置一個固定啟閉機或單設柴油發電設備,以便及時落下尾水檢修閘門。機組選型時,應綜合兼顧考慮穩定運行區是否狹窄,以避免后期投運時總負荷給定下難以分配的問題。

5.2 嚴把制造關

對于關鍵部位的把合零件,應選擇強度高,抗疲勞斷裂好的材料進行加工,并且要充分避免退刀槽的應力集中情況;對于旋轉部件的連接件(聯軸螺栓等)和重要部位的把合件(分半頂蓋的組合螺栓,分半轉輪的組合螺栓,頂蓋的把合螺栓等)在具備條件的情況下開展出廠前的全面探傷,以防止重要件帶缺陷進入安裝環節。

5.3 精控安裝關,保障機組有一個良好的基礎

機組運行狀態的好與差,除了設計制造重要外,安裝中的質量控制尤其關鍵。特別是機組的軸線和旋轉中心的調整方面,在具備條件的情況下一定要追求完美。軸線度影響機組擺度,也直接影響機組各部件的振動。如果機組旋轉中心不夠優良時,受水力影響將明顯,特別是在水頭變化較大的電站中。

5.4 做好運行保障,合理優化運行

應對操作人員進行全面的培訓,掌握電站每臺機組的個性,提高他們對機組振動和擺度危害程度的認識,形成良好的職業敏感。監盤人員要密切關注機組振動情況,及時與調度聯系,勤調整負荷,以保證機組運行平穩。對于運行中偶發的振動、擺度突然增大超標的異常,應及時檢查確認,必要時經請示后停機處理。

5.5 合理優化機組自動化控制系統參數

隨著電網對電廠運行要求的提高,機組AGC、AVC、PSS、調差、低勵限制、一次調頻功能相繼投入運行,提高了電網的穩定和電壓、頻率品質,為電力系統的安全可靠運行起到了保障作用。鑒于電網輔助服務考核的實施,對電站的電壓調節、功率調節響應和頻率調節響應提出了更高的要求。在滿足電網要求的同時,要兼顧機組控制系統性能和響應速度提高后對水力機械和電氣絕緣等設備設施的安全影響,進行機組自動化控制系統的參數優化和狀態實時監測,優化參數設置,及時發現和消除安全隱患。如充分考慮引水管道的水擊影響(尤其是長引水管道電站),對機械設備的疲勞破壞、磨損等;充分考慮調差運行、深度進相運行對發電設備的影響;考慮因機組參數設置不合理,而導致機組和系統電壓和無功大幅波動,進而導致系統穩定破壞的現象發生;對負荷分配系統的振區設定時,一定要建立在對每一個真機全水頭試驗的基礎上,并要留出合理的安全邊界。

5.6 加強設備維修管理,為機組本質安全護航

對運行設備的缺陷管理要高度關注,對難以解決的疑難雜癥要在充分分析的前提下做好事故預想和把控,并依托外部力量展開技術攻關工作,防止頑癥久放就視為正常的情況。經常性的開展發電設備重要參數的發展趨勢分析,對不良變化趨勢及時收集數據,并予以分析、跟蹤,做到大小問題均不放過。

做好機組運行中受交變應力、大載荷部位的監視和檢測,如大軸聯軸螺栓、頂蓋緊固螺栓、尾水管門和蝸殼門緊固螺栓、大軸補氣管、接力器活塞桿、高壓油管道螺栓、控制環分半把合面及把合螺栓等重要部件的無損檢測工作。

5.7 補充完善在線監測裝置,隨時把控局面

利用機組在線振、擺監測系統,及時把握機組的運行情況。在易跑水位置安裝積水監測裝置,及時發現異常跑水情況。在關鍵設備區域安裝可視系統,在人員無需到達危險現場的情況下既能及時準確的掌握信息,快速準確的進行合理處置。

5.8 重視電站應急管理,最大限度的減少事故損失

組織專業人員編寫實用的精簡預案,開展全員培訓,定期進行演練,提高員工在異常情況下的快速響應能力,避免緊急情況下的亂中出錯,從而有效避免事故的擴大和次生災害發生。

6 結 語

時值今天,薩揚電站事故已經過去近一年了,但那慘痛的一幕還歷歷再現。水電站的防垮壩是眾所周知的重點,防止水淹廠房也同樣需要高度關注,尤其是在系統中擔負調頻調峰作用的高壩、大庫、大機組的地下式廠房電站更需關注。對于機組運行中出現的振動擺動異常情況要高度關注并采取適當措施。對于并入系統的各種電力控制自動系統在優化參數時,要兼顧考慮系統要求和設備的承受能力,避免造成機組的慢性損壞。無論是電站的運行人員,還是電站管理人員,一定要高度關注設備、設施的異常情況,及時進行檢查處理,才能有效避免出現類似薩揚電站的重大事故。