調相壓水過程的失效原因分析及處理

馬錦彪，孫 永

（國網新源控股有限公司潘家口蓄能電廠，河北 唐山064309）

1 潘家口調相壓水系統簡介

1.1 調相壓水系統的組成

潘家口電廠調相壓水系統由水機設備、尾水管水位測量系統（壓水浮子）、壓縮空氣供氣系統、壓氣及排氣閥門系統以及其控制系統、水環形成、排放及其控制系統等組成，其系統組成圖見圖1，管路示意圖見圖2。

圖1 調相壓水系統組成圖

1.2 潘家口電廠機組調相壓水控制介紹

潘家口電廠水泵水輪機及其輔助設備為蘇爾壽（現安德里茨）公司提供，水泵額定出力為67MW或90MW，水泵額定轉速為125/min或142.8r/min，轉輪標稱直徑為5600mm，調相壓氣氣源采用中壓氣系統，額定氣壓為6.0MPa，各機組配置2個調相氣罐補氣，機組補氣罐通過2個公用氣罐補氣（設有單相閥），公用氣罐通過4臺中壓空壓機補氣，正常運行時，為保證各個機組壓水氣源的充足，各機組間調相氣罐互相獨立。

圖2 管路示意圖

機組調相壓水及回水閥門包括調相壓氣進氣閥（375）、調相壓水排氣閥（376），調相壓水過程中還須操作的閥門有迷宮噴水閥（373）、水環排水閥（374）；壓水浮子布置于尾水錐管室，分為壓水水位高（跳機接點），壓水水位正常接點（抽水開機條件判斷接點），開壓水進氣閥接點（補氣接點，最初程序中無此點，機組調試期間發電調相時水位上升導致跳閘后新加接點），關壓水進氣閥接點（停止補氣），壓水水位低（報警接點）組成。

當監控系統發出由停機轉抽水運行令時，程序首先判斷調相氣罐壓力以及壓水水位正常后，流程同時打開迷宮噴水閥（373）與水環排水閥（374），當373打開和374打開后立即開啟調相壓水進氣閥（375）進氣壓水，由于轉輪直徑較大，進氣采用從頂蓋進氣和尾水進氣兩種方式進入轉輪室，排氣則僅由頂蓋排出。其中壓水進氣閥正常情況通過延時模塊實現關閉，時間整定為60s，為了防止壓水過度，當壓水水位壓到關壓水進氣閥接點時則關閉壓水進氣閥（現場實際壓氣時間一般在5～10s內）。在壓氣同時通過變頻器拖動機組在空氣中旋轉，轉速達到額定轉速后，程序發令關閉水環排水閥，同時打開調相壓水排氣閥，并監視水環壓力。由于我廠抽水含2種轉速，故水環處壓力定值同樣采取2套定值，當進行125r/min抽水時，采取第1組定值（0.4MPa），當進行142.8r/min抽水時，采取第2組定值（0.6MPa），當水環壓力達到動作值壓力開關動作后，即發出關閉壓水排氣閥和迷宮噴水閥信號，上述2個閥門關閉后立即打開導葉，進入抽水穩態，整個壓水及排氣過程結束。

1.3 水環的作用、形成及特點

水環的作用是在調相壓水運行過程中，在轉輪室與蝸殼間形成一層水密封，防止大量氣體進入蝸殼。潘家口電廠水環形成方式是利用壓力差使壓力鋼管內水通過導水葉的立面和端面間隙形成水環，但在實際運行中，由于轉輪旋轉時產生的離心力，將上下迷宮冷卻水供水同樣甩向了蝸殼座環處，造成了潘家口電廠水環過厚，水環過厚將導致機組振動加大，迷宮溫度上升，因此必須采取一定的排水措施防止水環過厚。為確保可靠的減少水環厚度，潘家口電廠通過設置水環排水管路方式，使多余的水排向尾水管，由于以上特點造成了潘家口電廠水環排水管路直徑（DN400）遠大于上下迷宮供水管直徑（DN150）。且電站也曾多次出現過由于導葉漏水量過大而導致抽水啟動失敗的案例，但若是盲目加大水環排水管路管徑，又會造成水環過薄導致水環無法形成，大量氣體將直接進入蝸殼，造成啟動不成功。此問題一直困擾潘家口電廠多年，故在此提醒類似低水頭抽蓄機組在設計時注意水環的形成方式與水環厚度的控制方式，以免出現類似問題。

2 2號機組抽水導致3號主變跳閘過程簡述

在2018年3月27日，潘家口電廠2號機組A修結束后在進行抽水啟動試驗時，2號機組經3號機組背2號機組BTB抽水啟動成功后，2號機組抽水運行，3號機組在停機過程中，突然3號主變處發出巨響，且3號主變出口開關2203開關跳閘，監控系統報“3號主變差動保護動作”、“3號主變出口2203開關跳閘”。跳閘后3號主變處存在大量積水（本日天氣晴，非雨水導致地面積水）。

3 跳閘問題原因分析

事故發生后立即組織了人員對3號主變差動保護回路進行檢查和對保護裝置進行校驗，檢查與校驗結果均正常，而后通過保護錄波及故障錄波看出了3號主變高壓側C相電壓瞬間降低且電流明顯增大。通過保護裝置調取波形C相電流二次有效值達到了68.416A，單相差流超過主變差動保護啟動定值（0.9A）從而導致差動保護動作，差動保護動作正確，故障持續時間為56ms。

對主變消防系統進行了檢查，消防主機無主變噴淋啟動記錄，且對現場消防噴淋頭進行檢查無噴淋動作痕跡，確認了現場積水非主變噴淋動作后導致C相接地以及地面積水。

對現場水印進一步觀察，發現噴水來自壩上，查看工業電視監控歷史錄像發現為2號機組調壓管出口處噴水，而2號機組調壓管出口恰好布置于3號主變高壓側母線上方，故確定跳閘原因為調壓管噴水淋到母線上造成3號主變高壓側C相接地導致跳閘。

但2號機組運行正常，除開機時振動較大外無其他異常跡象。需進一步分析2號機調壓管為何會噴水，檢查2號機組進水口快速門并未落下，故不可能因為快速門落下的原因導致水從調壓管噴出。

對2號機組開機過程中蝸殼、轉輪室壓力、水環壓力等曲線進行調取查詢，發現蝸殼內壓力在開機過程中存在較大波動，且水環壓力出現明顯異常，如圖3。

圖3 調壓井噴水時水環壓力曲線

2號機組水環壓力僅為0.27MPa左右不再變化，將此次開機水環曲線與其他機組正常開機時水環曲線進行對比，發現了明顯不同，正常開機過程中水環壓力應是持續上升的過程直到機組導葉打開后再下降，如圖4。

圖4 水環壓力正常曲線

我廠142.8r/min水環壓力的定值為0.6MPa，通過曲線看出現場導葉打開時實際水環壓力與定值相差太多，現場在水環壓力0.27MPa時即打開了導葉，故分析原因可能為水環壓力控制單元出現問題而導致未達到定值即打開了導葉。對整個控制回路進行排查后，并未發現異常情況，故對水環壓力開關進行了校驗，結果如表1。

表1 壓力開關校驗記錄表

現場整定值與定值相差太多，對此回路進一步梳理，如圖5。

水環壓力開關用于調相壓水排氣閥關閉動作信號。故進一步對機組調相壓水排氣閥排氣時間進行統計，并與3、4號機組做橫向對比，與2號機組做縱向對比（見表 2）。

圖5 水環壓力控制流程

表2 調相壓水排氣閥376排氣時間統計表

本次2號機組轉輪室排氣時間明顯過短，與正常情況相差達80s左右，因為排氣時間過短，導致轉輪室內空氣并未完全排空，轉輪室仍存在大量空氣，水環壓力在并未達到正常開導葉壓力的情況下，由于定值誤整定造成導葉提前打開，故導致2號機組在抽水啟動過程中導葉振動過大，調相壓水排氣376與373迷宮噴水閥關閉后，流程將電調直接用于水泵運行，并立即打開導葉，如圖6。

圖6 壓水系統控制流程

故得出結論，調壓井噴水原因為機組轉輪室壓水用氣未完全排出，轉輪室殘留的氣體隨著抽水水流進入壓力鋼管，殘留氣體形成氣泡在調壓管處聚集，當“氣泡”壓力達到一定數值時產生爆裂在調壓管內產生浪涌。同時因為當前潘家口水庫水位處于223.6m的較高水位，調壓管內的水位與上水庫水位相同，距離調壓管排水口下沿僅有1.1m的距離，氣泡爆裂產生的浪涌造成調壓管噴水，導致處于調壓管正下方的3號主變高壓側C相引線接地故障，差動保護動作，導致3號主變出口2203開關跳閘。其噴水過程簡圖如圖7所示。

圖7 調壓口噴水示意圖

4 問題處理與擴展

在將水環壓力開關定值進行重新整定后，隨后進行抽水啟動試驗進行驗證，結果與推斷的原因相符。造成本次事故的根源主要原因為設備責任人工作經驗不足，責任心不強，對設備定值掌握不熟練，壓力開關校驗后驗收把關不嚴，未注重檢修全過程管理導致壓力開關整定值錯誤。為防止此類事件再次發生，同時為了預防運行過程中壓力開關損壞或定值發生變化，故對調相壓水系統流程的設計進行了完善。除判斷壓力開關的動作信號之外，額外增加一個模擬量的控制信號（水環壓力大于0.6MPa），具體控制方式是將水環壓力開關動作信號與水環壓力模擬信號（模擬信號兩路任選其一）串聯使用，當兩個信號同時滿足后程序方執行下一步。

采取此種修改程序的方法雖從側面上解決了抽蓄機組在抽水啟動過程中調壓管噴水的問題，但其控制程序繁瑣故障率變高且并未從根源上將此缺陷消除，發生此次事故的根源在于調壓管與主變出口母線之間的布置方式存在隱患，但造成此隱患原因并非來自機組投運后，而在于電站初期設計導致。故在此提醒新建此類的壩后式電站時注意機組的調壓管、母線、主變等設備的布置形式，此次事故雖人員責任較大，但若不采取母線布置于調壓管下端的方式，此次事故完全可避免。

雖其他壩后式電站不一定具有抽水啟動工況，但調壓井噴水的情況還會發生在機組檢修完成后首次提進水口閘門對流道進行充水時，若充水閥打開過大且壓力鋼管較長，同樣會導致大量蝸殼、鋼管中的氣體在回到上游過程中導致調壓管噴水。大大加大了日常運維人員的操作風險，并使操作時間大幅度增加。建議采用此種調壓方式的電廠結合自身實際對調壓管出口進行合理改造，防止出現類似事故，降低運維風險與工作人員難度與時間。我廠現擬對調壓井出口進行改造，將出口通過軟管接至壩上，從根源上防止此類事故的再次發生。

5 結束語

抽水運行是抽水蓄能機組一個重要的運行工況，機組抽水啟動、運行穩定性取決于水機設計和安裝、機組運行水頭以及調相壓水以及回水的控制設計。其中調相壓水以及回水的控制系統涉及到監控程序的設計、水機閥門組動作、反饋，輔助系統的運行等等方面。本文從問題出現到問題解決進行了詳細地分析研究，對可能存在的問題逐一排查，最終找到發生問題的原因并將問題解決，確保機組抽水啟動的安全，并對問題發生的根源進行了進一步的擴展。希望通過本文給存在相似問題的水電廠提供一個解決問題的方向，并提醒設計新建壩后式電站時注意調壓井與母線的布置方式。