金沙水電站水輪機頂蓋液位過高故障分析及處理

趙冉　李星志

摘要：為解決金沙水電站1號機組在啟動調試階段出現的水輪機頂蓋液位過高故障，利用排除法和真機試驗法進行了全面分析。通過檢查動作信號及邏輯、檢查頂蓋排水系統、分解檢查主軸密封，綜合分析了導致頂蓋液位過高的根本原因。通過清理主軸密封、優化控制流程、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，在機組安裝、調試及運行過程中采取了相應的防范措施。通過機組啟動試運行試驗驗證，證明以上分析和處理是正確的，避免了其他機組發生此類故障，確保了機組安全、穩定運行。研究成果可為水電站水輪機頂蓋液位異常故障的分析和處理提供借鑒。

關鍵詞：水輪機; 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 文獻標志碼：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金沙江干流中游末端的攀枝花河段上，電站裝機容量560 MW，安裝4臺140 MW的軸流轉槳式水輪發電機組，轉輪直徑10 650 mm，為目前國內在建項目中轉輪直徑最大機組，設計年平均發電量21.77億kW·h。水輪機為通用電氣水電設備（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，額定轉速為57.7 r/min。發電機型號為SF140-104/16950，制造廠家為浙江富春江水電設備有限公司。水輪機頂蓋為水輪機導水機構的主要組成部件，頂蓋排水系統的正常與否直接影響著機組的安全、穩定運行。金沙水電站機組頂蓋排水系統設置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，額定揚程22 m，額定流量22 m3/s，設有高水位備用泵自動投入和報警裝置，頂蓋排水控制系統能根據頂蓋水位的變化自動啟停，并以I/O點的方式從水輪機儀表盤和/或水輪機端子箱接入電站計算機監控系統。該監控系統從頂蓋排水控制系統采集頂蓋內水位報警信號、排水泵運行/故障信號。頂蓋水位正常與否與主軸密封設計、安裝質量、各部件密封效果及水質存在較大關系。本文從金沙水電站安裝、調試過程中發生的真實案例展開分析，并采取了一系列防范措施，從本質上消除導致頂蓋液位過高的誘發因素，避免了由此可能引發的運行風險和安全事故。

1 故障現象

在水頭較高的混流式水輪機中，主軸密封通常與機組轉輪的其他止漏部件配合，是水輪機一道重要保護裝置[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、浮動環、抗磨環、水箱、導向桿、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，使浮動環保持在抗磨環平面上，并使其之間形成水膜，起到潤滑和密封作用，主軸密封結構見圖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供水系統，水壓為0.15～0.35 MPa。主軸工作密封控制系統以I/O點的方式從水輪機儀表盤和/或水輪機端子箱接入電站計算機監控系統。電站計算機監控系統從主軸工作密封控制系統采集主軸密封水示流信號及進口壓力信號、調節密封水過濾器壓降信號、工作密封加壓泵運行/故障信號;根據開/停機流程要求，開啟/關閉主軸密封水電磁閥;可根據密封水壓是否滿足主軸密封運行要求，對主軸密封供水加壓泵進行遠方啟/停控制。通過以上控制保證主軸密封水正常運行，同時參與機組開、停機控制流程。2020年12月15日，根據機組啟動大綱要求并經調度批準后，1號機組上位機開機并將機組負荷帶100 MW并網發電，機組運行5 min后，3臺頂蓋排水泵連續啟動，上位機報水輪機頂蓋液位過高動作、水導油槽液位過高報警動作發電機水機保護啟動、1號機組機械過速保護動作，監控系統啟動機組事故停機流程停機。

2 原因分析

通過檢查分析，水輪機頂蓋排水系統動作及信號正常、保護回路及動作邏輯正常、頂蓋排水系統設備工作情況正常，通過對主軸密封進行分解檢查，主軸密封抗磨環與浮動環動作可靠，排除了“浮動環動作行程不夠”造成主軸密封漏水增大的原因[2]。通過分析和論證，導向桿處存在少量雜物，但這不足以導致浮動環發卡引起主軸密封漏水，機械過速裝置安裝位置正確，不存在因機械過速裝置安裝錯誤導致保護誤動作的情況[3]。

綜上所述，排除了因頂蓋排水系統故障導致的水位上升及水機保護誤動作的可能，結合實際情況綜合分析判斷，確定導致頂蓋液位異常升高的具體原因如下：① 機組開機前，因頂轉子導致密封環、浮動環隨水輪機主軸抬起。轉子落下動作過程中，因組合密封方向安裝錯誤，導致浮動環與組合密封摩擦力增大，密封環、浮動環未回落到初始位置，密封環與抗磨環摩擦副間隙增大。② 當機組增加負荷時，水輪機轉輪因水推力向下位移，再次增大密封環與抗磨環摩擦副間隙，而水壓從水箱與浮動環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，淹沒水導油槽上蓋板，導致水導油槽進水，水導油槽液位過高報警動作。④ 水位繼續上漲，淹沒機械過速裝置電氣接點，導致動作接點短路，接通機械過速保護回路，啟動監控系統事故停機流程，造成機組事故停機，水輪機頂蓋及主軸結構示意見圖2。

經調查分析，在安裝過程中，施工人員未認真研究圖紙并領悟設計意圖，誤以為主軸密封組合密封凹糟水平向外可以達到封水效果。與設計人員交流后得知，此設計意圖為在機組正常運行時往上的水壓會使得水填充凹槽向下的密封，從而使密封膨脹達到更好的密封效果。

3 現場檢查及處理情況

3.1 檢查動作信號

停機后采取安全措施，現場核對監控系統報警信息、動作信號與現場設備實際動作情況，水輪機頂蓋2，3號泵運行動作、水輪機頂蓋液位過高動作、水導油槽液位過高報警動作均與實際情況相符，且檢查發現，頂蓋液位過高只發送報警信號，未參與監控系統停機流程。水導油槽油位顯示140 mm，高于正常工作油位35 mm（根據設計要求水導油槽油位報警值為130 mm，正常工作油位為105 mm），由此判斷液位上漲導致油槽進水，水導油槽油位顯示異常上升。

3.2 檢查保護回路及動作邏輯

經檢查發現，過速保護回路及動作邏輯正常，切向過速檢測器（離心擺）未動作，查看監控系統相關記錄，顯示機組轉速電氣一級過速保護值未達到115%nr，為回路接點短路，實際轉速也未達到機械過速保護動作值155%nr。

3.3 檢查頂蓋排水系統工作情況

停機后投入檢修密封及發電機組制動器，檢查頂蓋液位為1 625 mm，已超過頂蓋報警值1 597 mm，手動啟動排水泵進行排水，分別對3臺頂蓋排水泵工作情況及頂蓋液位計進行檢查，對3臺排水泵進行手動啟動試驗，排水泵啟動正常，運行參數滿足運行及設計要求，頂蓋液位計開關量和模擬量輸出正常，頂蓋排水泵控制系統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

拆除主軸密封環形水管與供水管連接法蘭、12根供水軟管、12套彈簧壓緊機構、6套導向桿裝置;拆除水箱蓋與水箱連接螺栓，吊起水箱蓋、浮動環和摩擦環，對水箱蓋與浮動環間隙、彈簧壓縮量、導向桿靈活性、摩擦環表面和抗磨環磨損情況及光潔度、密封條磨損情況、水箱內泥沙沉積情況進行檢查。上述部件均未發現異常現象，檢查主軸密封橡膠組合密封，發現密封條裝配方向錯誤，圖紙設計密封槽向下，實際安裝為密封槽開口水平向外。另外，主軸密封抗磨環與浮動環、導向桿處存在少量雜物。清洗主軸密封各部件，更換密封條，并按照設計圖紙要求重新安裝。主軸密封回裝完成后，進行轉子頂起、測量回落過程中浮動環軸向位移和主軸密封通水后浮動環上升值，用百分表測量浮動環隨轉子頂起、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抬升量為0.06 mm，均滿足設計要求。清理水箱內部少量淤泥，清除主軸密封抗磨環與浮動環、導向桿處少量雜物，確保各部件安裝正確，動作靈活。現場檢查如圖3所示。

3.5 優化控制流程

鑒于頂蓋液位過高是事故停機流程啟動源之一，對監控系統停機流程進行優化，將頂蓋液位過高報警信號接入監控系統停機流程，確保頂蓋液位過高時機組安全停機，保證設備和人身安全，以防事故擴大甚至造成水淹廠房事故的發生。

3.6 更換濾水器濾芯

根據現場實際情況，經與設計人員溝通，對過濾元器件做相應改進[4]，將原過濾精度為0.15 mm的濾芯更換為0.20 mm，解決了在前期試運行過程中濾水器頻繁堵塞的情況，也保證了機組運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行要求造成的主軸密封抗磨環或浮動環磨損，機組在正常運行過程中抗磨環的使用壽命也得到了保證，從本質上解決了因抗磨環和浮動環磨損造成的漏水問題，避免了因漏水量過大導致頂蓋液位過高的風險。

3.7 檢查真空破壞閥

為防止機組在運行過程中導葉關閉時造成轉輪室真空而產生抬機現象，設計階段在內頂蓋均勻布置了8個真空破壞閥，對所有真空破壞閥進行全面檢查，包括彈簧、軸套、密封件、導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模擬量和開關量信號是否正常，并確保其開出信號可靠、真實，在頂蓋液位異常時能發出正確信號，從而控制排水泵正常啟、停，同時運行值班人員應及時發現異常情況并采取有效措施，以防頂蓋液位過高造成事故擴大。

4 結 語

在金沙水電站1號機組調試過程中，主軸密封安裝錯誤會造成漏水。針對主軸密封漏水量過大造成保護回路短路，導致保護動作甚至機組事故停機的情況，通過現場檢查、原因分析，最終查明了此次故障發生的根本原因，并采取了處理措施。機組重新開機試驗并試運行，證明以上的分析和處理是正確的。應足夠重視設備關鍵部位的安裝，尤其是水輪機主軸密封及頂蓋排水系統等關鍵部位。安裝中的微小問題都可能會造成頂蓋液位過高，如因主軸密封結構損壞、真空破壞閥故障、自動化元件故障或因排水系統故障導致漏水量過大，得不到及時有效處理，可能會導致機組事故停機或事故擴大，甚至存在水淹廠房的風險。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驗，具有一定借鑒意義。

參考文獻：

[1] 翟建平，廖煥華.水輪機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.

[3] 李軍. 阿海水電站主軸密封故障分析與處理[J]. 云南水力發電， 2018， 34（3）：27-30.

[4] 鄧建華.沙坡頭水電廠水輪機主軸密封故障處理[J].水電站機電技術，2009，32（6）：35-37.

[5] 劉定偉， 趙彬， 蔡銀輝，等. 深溪溝電站水輪發電機組真空破壞閥優化改造[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