關于水電站機組試運行技術分析探討

摘要：本文通過對自己參加建設的水電站機組調試及試運行期間水導擺度接近上限值以及手動開機和自動開機工作門落門停機的問題進行了深入透徹的原因分析，提出切實可行的合理處理方案并取得良好的效果，保證了機組的安全運行，規避了對國家電網沖擊的風險。

關鍵詞：水電站機組試運行;工作門落門停機，故障原因分析;解決方案;設備安全運行。

1 工程概況

某參建水電站是137m高的碾壓混凝土大壩，其溢流式溢洪道位于大壩的中部。兩條導流洞中的一條在蓄水期間改作為大壩檢修時的放空洞，所有水輪機全部停機的狀況下通過此洞向下游泄水。發電廠房位于大壩左岸壩腳。水力發電系統包括4個發電進水口，4條壓力鋼管。共裝有4臺混流式水輪機組，總裝機容量為790MW，單機容量為197.5MW主機設備由Voith Siemens（福伊特西門子）設計制造提供。機組監控系統由手動控制盤柜、LCU監控單元屏、遠程I/O接口單元屏、現地測量元件（即數據采集元件：壓力傳感器P、溫度傳感器RTD、位移傳感器L、流量傳感器Q以及振動監測傳感器等）組成。位于廠房下游側的主變壓器和位于大壩左岸廠房下游大約550米處的露天升壓開關站用230kv輸電線路連接。電站通過雙回路輸電線路連接到國家變電站。

2 機組運行實際情況及出現的問題

水電站2#機首次啟動后，立即進行瓦溫試驗，運行大約3小時30分鐘，由于上導瓦溫偏高，要求機組停機進行檢查。機組首次啟動各監測數據見表1，在額定轉速下，上導擺度為0.06mm，下導擺度為0.069mm，水導擺度為0.149mm，上機架的水平振動為0.079mm，滿足設計要求。

在對機組檢查處理并采取相關措施后，機組再次啟動，機組瓦溫穩定后，進行了自動開停機試驗和發變組升壓試驗。機組瓦溫記錄見表4，發變組升壓試驗過程的振動及擺度見表2。在額定轉速下，推力瓦溫最高為61.91℃;。在額定勵磁電壓下，上導擺度為0.059mm，下導擺度為0.083mm，水導擺度為0.183mm，上機架的水平振動為0.069mm，滿足設計要求。

隨后機組進行帶負荷試驗，每次加20WM，機組帶目前水頭下最大負荷130WM運行了8分鐘，因剪斷銷剪斷信號機組停機。機組帶負荷運行參數見表3。機組帶目前水頭下最大負荷時，上導擺度為0.065mm，下導擺度為0.092mm，水導擺度為0.239mm（小于0.26mm），上機架的水平振動為0.065mm，滿足設計要求，但水導擺度接近上限值。可查看以下列表數據。

同時，該機調試運行期間，手動開機和自動開機的過程中多次出現了機組工作門自動落門造成緊急停機的問題。在隨后的手動開機試驗中，當機組轉速到達75%時，進水口工作門突然落下，聯動事故配壓閥，機組被迫停機，整個過程中監控未收到任何跳機信號，停機后檢查未發現異常情況。我們再次開機，轉速到達30%時，進水口工作門再次落下，整個過程中監控也未收到任何跳機信號。隨后又開機進行瓦溫穩定試驗時，機組正常運行20分鐘后再次落門停機。由于機組現地LCU和中控室的計算機監控系統內都未能查找到落工作門的相關信號記錄，導致查找原因和處理問題的困難，進而對機組正常運行并投產發電造成了影響。

3 原因分析和探討

根據以上試驗得出的結論是：機組軸線調整已基本合格，機組運行的瓦溫和擺度值符合設計要求。

對存在的兩個主要運行問題，進行了深入、進一步的分析，a）第一個問題是水導擺度接近上限值。

1）水導擺度接近上限值的原因，根據表1、表2和表3繪制機組轉速試驗、勵磁試驗和負荷試驗結果圖見圖1所示。

圖1中A1為上機架水平振動曲線，B1為水導擺度曲線。從圖1的曲線初步分析可以得出以下結論：

（1）當轉速增加時，上機架的水平振動和水導擺度均有較小的增大，但變化幅度很小，可以視為轉動部分基本平衡。

（2）當勵磁電流增加時，上機架的水平振動不變，水導擺度在Y軸方向基本不變，X方向由于擺度存在跳動，稍有增大，但變化幅值較小，說明定子與轉子間的間隙基本是均勻的。

（3）當負荷增加時，上機架的水平振動稍有減小，但水導擺度增大（在振動區76.1WM 變化明顯），其振源可能來自水輪機的水力不平衡，也可能是因軸承間隙過大、主軸過細、軸的剛度不夠所引起。

（4）根據以前所做的調相試驗的結果，機組在調相運行時，機組的振動、擺度均很小，因此可以基本得出：在機組帶負荷運行時，水導擺度大是由于水輪機的水力不平衡造成的。

b）第二個問題是手動開機和自動開機過程中多次出現工作門自動落門造成機組緊急停機機調試運行期間，對于在手動開機和自動開機過程中多次出現工作門自動落門造成機組緊急停機的狀況，進行了落門停機原因分析如下：

這幾次非正常落門監控系統都沒有收到任何的事故信號，但在停機后的檢查中發現落門繼電器9ZJ動作（帶手動復位指示裝置），但無法確定信號來源。

根據機組手動控制回路設計原理圖，快速落事故工作門的信號來源有6個（見下圖）：

機組過速160%，信號取自于調速器轉速繼電器;

剪斷銷剪斷，信號取自于安裝在活動導葉拐臂上的剪斷銷監測裝置;

水位水淹廠房，信號取自于安裝在廠房底層的水位傳感器;

手動緊急停機，監控柜和調速器柜都設有緊急停機按鈕;

壓力鋼管漏水量大;信號取自于安裝在進水門處的流量計，監控系統通過程序計算判斷流量是否過大;

伸縮節室水位高，信號取自于安裝在伸縮節室的水位計。

在上述條件中，緊急停機按鈕在停機后檢查中動作可靠，開機過程無人動作緊急停機按鈕，故此信號不可能造成落門，此外，經現場查看，確認伸縮節室水位高的信號在手動控制盤柜內沒有接線，也就是此信號沒有接入落事故工作門停機回路，也不可能造成落門停機。因此，造成落工作門停機的可能原因只剩下機組過速160%、剪斷銷剪斷、水淹廠房、壓力鋼管漏水量大4個信號。

根據計算機監控系統的設計，機組過速160%和剪斷銷剪斷的信號引入監控系統，但在幾次落門停機的過程中都并未出現以上兩個信號。根據現場檢查，剪斷銷剪斷信號誤動的可能性較大，機組過速160%可能性較小，監控系統沒有記錄原因待查。壓力鋼管漏水量大這個信號來自監控系統自身程序運算結果，但監控系統中未動作有記錄，其動作可能性也較小。此外，水淹廠房這個信號若動作，會造成4臺機組跳機，其單獨造成該機落門停機的原因極小。經過初步分析，推測剪斷銷剪斷的信號造成落門停機的可能性較大，并對剪斷銷信號進行了重點檢查：

現地元器件部分：剪斷銷監測裝置設計采用的是接近開關，共有24個剪斷銷位置開關。當出現剪斷銷剪斷的情況時，接近開關變位，并通過尾部接線插頭的信號線傳至水輪機輔助控制柜，然后經過柜內的PLC模塊上傳至監控系統的手動控制屏。在檢查過程中發現，接近開關尾部接線插頭有松動的情況，二次電纜的余量偏小，晃動會造成信號跳變，可見，在機組開機運行期間由于震動或者接力器開度增大使導葉拐臂的角度增大都可能導致接近開關信號跳變造成誤發信號。

軟件部分：為確認計算機監控系統內剪斷銷剪斷信號記錄的可靠性，調試人員對此信號進行了模擬試驗。試驗結果表明，在對剪斷銷信號的三十次不同長短時間的模擬動作中，只在監控系統中出現5次信號記錄，由此猜測，監控系統可能對信號進行了濾波處理，只有一定時間長度的信號才會被記錄。但是在實際機組運行過程中，無論信號長短，一旦出現剪斷銷剪斷信號，通過硬接線直接落工作門停機。

4 解決方案及建議

通過對以上問題的分析，特提出以下解決方案和建議：

1）設備制造廠家根據機組的運行情況分析引起水力不平衡的具體原因，采取針對性相關措施;由于是在水導軸承處的振動比其它部位較為明顯，則可能是蝸殼、導葉及轉輪中的水力不平衡（該水力不平衡主要來自于蝸殼、導葉中的不均勻流場和導葉開口不均勻，轉輪線型、間隙、開口不均勻）所引起的機組振動;

2）機組在做瓦溫穩定試驗時，水導最高瓦溫為43.91℃，因此建議水導抱瓦間隙還可以適當減少，以減少水導的運行擺度。

3）如有必要檢查水發大軸連接螺栓的緊度、轉輪與水輪機大軸連接螺栓的緊度是否滿足設計要求。

4）裝在活動導葉拐臂上的監測剪斷銷剪斷的接近開關工作穩定性不夠，易在機組運行過程中由于震動而引起信號跳動變位，并直接出口落門，造成機組停機。監控系統對剪斷銷剪斷信號做了濾波處理，無法記錄到信號瞬時跳變，但剪斷銷剪斷信號無延時直接出口停機，這對事故后的分析處理帶來困難。對接近開關尾部的電氣接線頭建議進行焊接，同時用φ6mm鋼筋制作“┍”形角架，焊接在拐臂的適當位置上，用以固定電纜。在機組水輪機輔助控制柜內的PLC模塊內修改有關程序，將剪斷銷剪斷信號加入延時（具體延時時間，由廠家確定），以躲過信號跳動帶來的誤發信號，來加強剪斷銷信號的可靠性。

5 處理效果及意義

經與主機廠家的協商討論，通過以上的處理，水導擺度大大減少，并對剪斷銷信號按以上建議方案進行了處理，處理完成后開機調試運行，開機過程中未出現剪斷銷誤信號落門停機的情況。

工程技術人員對電站機組調試及運行期間水導擺度接近上限值以及手動開機和自動開機工作門自動落門造成機組緊急停機的問題進行了深入透徹的原因分析，提出切實可行、合理的處理方案并取得良好的效果，保證了機組的安全運行，規避了對國家電網沖擊的風險。

6 結束語

因此，為了電網的安全和設備運行的安全，我們要對可能造成停機的信號務必進行細致的技術認真分析，確保各設備其動作的可靠性，防止誤動，避免事故的發生。我們工程技術人員在調試運行中一定要嚴把質量關，將運行中出現的問題深入分析及時處理。目前，水電站機組運行正常。

作者簡介：劉華國，出生年月：1977年10月1日，性別：男，民族：漢，籍貫（**省**市）：湖南省邵陽市，學歷（位）：大專，職稱：工程師，研究方向：電氣試驗及調試。