紫坪鋪電廠尾水管臨時強迫補氣的探索與運用

方 戊 強， 李 澤 江， 陳 世 程

(四川省紫坪鋪開發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610091)

1 概 況

紫坪鋪電廠位于四川省都江堰市，距成都用電負(fù)荷中心約60 km，可承擔(dān)電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用等任務(wù)。電站設(shè)計安裝4臺單機(jī)容量為190 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，最高水頭132.76 m，最低水頭68.4 m，尾水管通過大軸補氣閥進(jìn)行補氣。

2019年4月以前，四川電網(wǎng)與華中電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)采用大網(wǎng)運行，系統(tǒng)容量大，省調(diào)很少要求電廠投入AGC(自動發(fā)電控制)運行，電廠可在負(fù)荷低時自主選擇機(jī)組停機(jī)；2019年4月以后，四川電網(wǎng)采用小網(wǎng)運行，系統(tǒng)容量小，容易受到負(fù)荷波動影響，省調(diào)要求電廠投入AGC運行，以便隨時調(diào)頻。這段時間內(nèi)，1號機(jī)組在特定工況下存在強烈振動、異響。

此后，1號機(jī)組相繼出現(xiàn)下列問題：

(1)2019年5～7月，1號機(jī)組推力冷卻器端蓋進(jìn)、排水管焊縫處多次開裂。

(2)2019年汛后1號機(jī)組B修，探傷發(fā)現(xiàn)：轉(zhuǎn)輪上冠貫穿性裂紋自內(nèi)圓止口開始，經(jīng)9號葉片出水邊焊縫R角，沿轉(zhuǎn)輪上冠徑向延伸，從上平面斜向下裂穿至下平面，上、下平面層裂紋最大跨度約30 mm,裂紋縱向最大跨度約80 mm、長度約300 mm。

1號機(jī)組在特定工況下的異常情況已嚴(yán)重影響設(shè)備的安全運行，對此，針對1號機(jī)組開展了長期的分析試驗。

2 分析及試驗

水輪發(fā)電機(jī)組振動的影響因素一般包括三類：電氣因素，機(jī)械因素，水力因素[1]。

2.1 電氣因素分析

檢查機(jī)組報警信息，未發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子保護(hù)報警，排除轉(zhuǎn)子繞組短路原因；1號機(jī)組于2015年汛后進(jìn)行A修，對比機(jī)組A修與裝機(jī)時空氣間隙數(shù)據(jù)，兩者基本一致，排除因空氣間隙不均勻造成磁拉力不平衡而產(chǎn)生振動的原因。

2.2 機(jī)械因素分析

分別在機(jī)組停機(jī)狀態(tài)、機(jī)組正常運行狀態(tài)、機(jī)組異常狀態(tài)下對機(jī)組進(jìn)行檢查對比，發(fā)電層、風(fēng)洞內(nèi)、水車室均未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象；檢查1號機(jī)組A修與裝機(jī)時的數(shù)據(jù)，機(jī)組軸線均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；在數(shù)據(jù)庫內(nèi)查找對比機(jī)組各部軸承溫度及擺度，均基本一致；在機(jī)組正常運行狀態(tài)下及異常情況下對比各部軸承溫度及擺度，也無變化；在機(jī)組正常運行狀態(tài)下及異常情況下對比各軸承、上機(jī)架、下機(jī)架、頂蓋振動頻譜圖發(fā)現(xiàn)：機(jī)組運行異常狀態(tài)下頂蓋水平X向振動出現(xiàn)26倍頻振動，而機(jī)組正常運行情況下并無26倍頻振動。紫坪鋪電廠共有活動導(dǎo)葉20個、轉(zhuǎn)輪葉片11片，根據(jù)經(jīng)驗判斷，此處出現(xiàn)的26倍頻與水機(jī)設(shè)備無關(guān)；聯(lián)系振擺檢測系統(tǒng)與廠家共同分析：該高頻振動應(yīng)與水力因素有關(guān)。

2.3 水力因素分析

混流式水輪機(jī)在偏離最優(yōu)運行工況時，將使轉(zhuǎn)輪出口水流切向分速度增大，水流中出現(xiàn)的環(huán)量使尾水管中心產(chǎn)生低壓并形成螺旋形渦帶。尾水管渦帶通常會引起機(jī)組部件振動、軸系擺動、尾水管內(nèi)壓力脈動，渦帶的振動還可能導(dǎo)致機(jī)組的水力共振時轉(zhuǎn)輪承受高應(yīng)力而損壞。設(shè)置大軸補氣裝置可削弱渦帶[2]。

對大軸補氣裝置進(jìn)行檢查：機(jī)組正常運行時補氣閥正常動作；機(jī)組異常狀態(tài)時大軸補氣閥管路進(jìn)口處沒有氣流，即大軸補氣未起作用。采用的XBF氣緩沖補氣閥，真空度為-0.005 MPa(試驗掛重74 kg)時，補氣閥開啟。將補氣閥開啟壓力調(diào)至最小，在機(jī)組異常狀態(tài)時仍未檢測到補氣閥動作。

2.4 補水、補氣試驗

通過分析試驗可知：1號機(jī)組在特定工況下存在振動、異響時，補氣閥不能開啟及時進(jìn)行補氣，致使尾水管內(nèi)的水流渦帶引起機(jī)組振動、異響的現(xiàn)象。針對這種情況，嘗試采用射流抑制方法來抑制尾水管渦帶，分別采用向尾水管強迫補水、補氣兩種方式進(jìn)行試驗[3]。

紫坪鋪電廠機(jī)組采用主軸中心孔補氣，但在現(xiàn)場未找到預(yù)留的尾水管強迫補氣管路，只好利用現(xiàn)場其它管路進(jìn)行試驗。機(jī)組在頂蓋及尾水管內(nèi)分別設(shè)有內(nèi)、外頂蓋測壓管—尾水管進(jìn)口真空測壓管和尾水管底部測壓管。其中，頂蓋測壓管測點均位于轉(zhuǎn)輪上冠上方，尾水管進(jìn)口真空測壓管測點位置(圖1)距尾水管錐管頂部1 540 mm。

機(jī)組異常運行狀態(tài)時分別對這些管路進(jìn)行強迫補水試驗和補氣試驗，多次試驗結(jié)果表明：自蝸殼測壓管取壓力約1.0 MPa水向流道內(nèi)補水無效；使用0.50～0.80 MPa低壓氣，通過尾水管真空測壓管進(jìn)行強迫補氣可有效消除機(jī)組異?，F(xiàn)象。

強迫補氣試驗的成功表明：機(jī)組異常運行狀態(tài)時，尾水管內(nèi)形成的的螺旋形渦帶，使尾水管內(nèi)的低壓區(qū)偏離大軸補氣閥下方的補氣管，造成補氣閥無法開啟補氣，從而引起機(jī)組振動；在尾水管真空測壓管測點處進(jìn)行強迫補氣，可破壞尾水管內(nèi)渦帶以消除機(jī)組的異?，F(xiàn)象[4]。

由于負(fù)荷一直較重，機(jī)組無法停機(jī)檢修，必須利用機(jī)組測壓管路及空氣圍帶供氣系統(tǒng)，加以改造作為尾水管臨時強迫補氣系統(tǒng)，通過修改程序?qū)崿F(xiàn)自動尾水管強迫補氣，以解決機(jī)組特定工況下的異常問題。

3 數(shù)據(jù)收集

1號機(jī)組在特定水頭和負(fù)荷下的振動數(shù)據(jù)是實現(xiàn)強迫補氣自動控制的第一手資料，其中水頭、振動區(qū)有功負(fù)荷范圍、振動區(qū)導(dǎo)葉開度范圍數(shù)據(jù)是自動邏輯控制的重要參數(shù)[5]。通過巡視記錄及現(xiàn)場試驗收集的1號機(jī)組在(95～104 m)水頭范圍內(nèi)振動情況數(shù)據(jù)見表1：

從表1可以看出：水頭95～104 m、尾水位746.1～746.6 m、有功負(fù)荷在165～195 MW區(qū)間內(nèi)時，機(jī)組有明顯的異常振動和異響。根據(jù)收集的數(shù)據(jù)，結(jié)合電廠實際情況，最終確定機(jī)組自動強迫補氣條件為：機(jī)組有功負(fù)荷在165～195MW區(qū)間，且水頭范圍在95～105 m。

4 管路布置

從1號機(jī)組水輪機(jī)層上游側(cè)空氣圍帶管路到下游側(cè)機(jī)坑尾水管真空壓力測壓管依次配管，并在管路上安裝單向節(jié)流閥、流量計等閥門,在空氣圍帶進(jìn)氣閥門后配管加裝空氣圍帶排氣閥。在進(jìn)行強迫補氣時，關(guān)閉空氣圍帶進(jìn)氣閥；檢修時，打開空氣圍帶進(jìn)氣閥，同時關(guān)閉空氣圍帶排氣閥及強迫補氣進(jìn)氣閥。臨時補氣測壓管路布置見圖2：

圖2 臨時補氣測壓管路布置示意圖

5 自動控制設(shè)計

根據(jù)確定的自動強迫補氣條件，自動控制邏輯為：強迫補氣自動/手動控制方式在自動狀態(tài)，機(jī)組在發(fā)電態(tài)，水頭在95～105 m之間，有功負(fù)荷在165～195 MW區(qū)間時，投入原空氣圍帶電磁閥進(jìn)行強迫補氣。以上條件缺一不可，否則，停止補氣。PLC實際邏輯為機(jī)組運行為0～165 MW時、運行水頭小于95 m 、運行水頭大于104 m、機(jī)組不在發(fā)電態(tài)和機(jī)組強迫補氣自動/手動控制方式在手動狀態(tài)時，均須退出強迫補氣。

1號機(jī)組空氣圍帶原開關(guān)量、模擬量和相應(yīng)流程變化為：開關(guān)量DI35(端子號DI2-3空氣圍帶有壓) 、DI36(端子號DI2-4空氣圍帶無壓)變更為強迫補氣管路有壓/無壓；模擬量AI9(端子號AI1-19/20空氣圍帶壓力)變更為強迫補氣管路壓力監(jiān)視；下位機(jī)開機(jī)流程中取消關(guān)于空氣圍帶投退的判斷，流程不再確保開機(jī)時空氣圍帶處于退出狀態(tài)。

上位機(jī)增加強迫補氣自動/手動控制方式，增設(shè)強迫補氣投入/退出按鈕，當(dāng)控制方式在自動時，由PLC自動控制強迫補氣投退，閉鎖上位機(jī)投退強迫補氣功能；當(dāng)強迫補氣自動/手動控制方式在手動時，閉鎖下位機(jī)自動控制功能，運行人員通過上位機(jī)強迫補氣投入/退出按鈕操作強迫補氣功能。手動閉鎖遠(yuǎn)方操作功能，提供現(xiàn)地操作功能；自動方式PLC控制，同時，可以遠(yuǎn)方手動投退強迫補氣功能。

1號機(jī)組臨時強迫補氣裝置于2020年6月投入使用，達(dá)到補氣條件時尾水管強迫補氣自動投入，有效消除機(jī)組異常振動，目前，機(jī)組已平穩(wěn)度過兩個汛期，效果顯著。

6 結(jié) 語

紫坪鋪電廠投入AGC運行后，出現(xiàn)機(jī)組特定工況下的異常振動現(xiàn)象，極易造成機(jī)組緊固件的松動、焊縫開裂等情況，嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運行。在機(jī)組不能停機(jī)檢修情況下，尾水管臨時強迫補氣裝置的應(yīng)用，成功的解決了這個問題，達(dá)到了預(yù)期目的，保證了機(jī)組的安全運行。隨著更多電廠投入AGC運行，類似情況會逐漸暴露，紫坪鋪電廠的尾水管臨時強迫補氣系統(tǒng)思路及方案可供其他電廠借鑒參考，以保證設(shè)備安全運行。