百丈氵祭一级水电站甩负荷时水锤压力异常的原因分析

仇 涛,沈晓雁

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020;2.浙江省水电测试中心,浙江 杭州 310020;3.浙江省水利水电勘测设计院,浙江 杭州 310002)

1 工程概况

百丈氵祭一级水电站位于浙江省文成县境内、飞云江支流泗溪上,距文成县城20 km,于1960年8月20日投产发电。电站内原先装有2台单机容量为12.5 MW的卧轴双转轮四喷嘴水斗式水轮发电机组,设计水头345 m。该机型是哈尔滨电机厂专为百丈氵祭一级水电站设计制造的,在水轮发电机组型式里具有典型代表意义。

2005—2006年,电站完成了增容改造工作,对引水系统进行了补强加固,更新改造了机组及辅助设备,单机容量增至15.6MW。机组总体型式没有改变,局部结构做了一些改进,具体到水轮机上,主要是喷管型式由外伸接力器式改为内置式直流喷管。

电站增容改造工作完成并投入商业运行后,曾发生过喷针接力器漏油、进水,尾水管补气不足,个别喷管射流偏流引起机组振动过大等缺陷,经处理后,运行情况良好。

2 事故经过

2007年6月25日,电站送出线路遭雷击、保护动作线路开关跳闸,引发了2台机组甩负荷。甩负荷前水库水位接近正常蓄水位,两台机组共带有功负荷27 MW左右。甩负荷后经检查发现球阀前量程为6 MPa的压力表损坏;引水系统1#支洞的进人孔盖板被水冲翻,固定螺栓全部拉断,水大量喷出;调压井盖板所有固定螺栓松动。

事故发生后,电站立即成立了应急小组,组织相关专家对事故原因进行了会诊,初步认定机组甩负荷过程中喷针关闭时间过短是造成水锤压力过高的原因。在对上一次事故受损部位进行修复、对设备进行全面检查的同时,调节调速器上相关阀件,延长喷针动水关闭时间至设计要求的25 s。

事故处理后,由于水库水位较高,电站即投入了运行。7月22日,再次发生了线路跳闸机组甩负荷的事故。此次事故有扩大化的趋势,不仅1#支洞的进人孔盖板再次被掀翻,2#、3#支洞的进人孔盖板也变形漏水,钢管末端进人孔附近混凝土产生裂纹,球阀前新换的量程为10 MPa的压力表又损坏、球阀密封损坏。

3 原因分析

连续发生2次类似的事故,说明这不是偶然事件,而是某些原因引起的必然结果,并且事故破坏性有扩大的趋势。压力钢管的设计压力为4 MPa,而球阀前10 MPa的压力表损坏,由此可推测甩负荷过程中实际产生的引水系统水锤压力已远远高于设计压力,电站、引水系统的安全遭受严峻的考验。

电站领导也认识到了问题的严重性,下定决心一定要查明事故原因,消除事故隐患,经甩负荷试验后,电站才能重新投入商业运行。在经过了多次会议研究、现场检查和调试工作,事故原因逐渐显现了出来。

3.1 动水状态下喷针关闭时间缩短原因分析及初步处理措施

根据6月25日事故后的初步分析,喷针在动水状态下的关闭时间比无水状态下大幅缩短,其原因是机组经增容改造后,水轮机喷管由外伸接力器式改为内置式直流喷管。其结构如图1所示。

图1 内置式直流喷管结构图

直流喷管是冲击式水轮机的导水机构,其操作接力器藏于喷管内部,与原有喷管形式相比,其效率较高,结构紧凑、占空间较小。在受力上与原有喷管形式显著不同的是,喷针受到较大的水压作用于关闭的方向。在此影响下,无水状态调好的关闭时间到了动水状态下就大大缩短了。例如,6月25日事件前,喷针的无水关闭时间按全行程30 s调整好后,在做甩负荷试验时监测到从额定负荷开度(70%左右)至全关的动水关闭时间约为9 s。由此可见,无水和有水状态下,喷针的关闭时间相差较大。

根据延长喷针动水关闭时间的要求,调速器厂的技术人员协同电站技术人员对喷针的关闭时间进行了重新调整。主要原理是通过减小调速系统中一个组合式液控阀的过流面积来控制操作油管中的油流量,以延长关闭时间。以此方法先调整无水状态下喷针的全行程关闭时间为70～80 s,再在喷管充水的状态下,利用折向器偏流,调整喷针的全行程动水关闭时间为30 s左右。

3.2 调保计算结果

喷针关闭时间过短是否引起异常的水锤压力,根据加固后的引水系统和增容后的机组流量进行水锤压力计算。其结果见表1:

表1 水锤压力计算结果表

从计算结果可以看出,即使考虑反馈信号的误差,异常升高的水锤压力也并不是因为喷针关闭时间过短引起的。

3.3 事故异常现象

排除了喷针关闭时间过短的因素后,一个异常的现象引起了大家的注意。7月22日事故发生时,有电脑记录显示,从线路跳闸到喷针全关的反馈信号动作的时间约为13 s。机组甩负荷后,1#机组的喷针全关“动作/复归”信号每隔2～3 s动作1次;2#机组也是每隔5 s左右动作1次,伴随着喷针反复开启、关闭,工作人员听见喷针处发出连续的重大金属撞击声。直到2 min后,工作人员手动关闭进水球阀,这种撞击声才停止。

从此现象上看,过高水锤压力只有可能是喷针关闭后不正常的窜动引起的,高频率的喷针窜动造成的水锤波在引水系统中不断叠加,从而产生了异常升高的水锤压力。

3.4 引起喷针窜动的原因

喷针窜动的原因从2个方面来考虑。一条思路沿着调速器方面,一条思路沿着水轮机方面。从调速器方面考虑,引起窜动的可能原因有2:

(1)调速器上用以调节喷针开、关时间的组合式液控阀结构上的原因。6月25日事故后,为了延长喷针关闭时间,在组合式液控阀的喷针接力器启闭油路上安装了节流孔板,通过减小节流孔板上节流孔的大小来控制过油面积和流量,从而达到延长喷针关闭时间的目的。根据现场试验结果,节流孔直径在1～1.5 mm之间,才能达到设计要求的喷针动水关闭时间。如此小的过流面积,影响到液控阀其他操作功能,造成调速器在对喷针的调节过程中控制能力减弱,甚至失去了自动控制功能。

(2)机组甩负荷后仍需带近区小负荷及厂用电,这也可能是造成调速系统失稳的原因。对于多喷嘴的冲击式机组,当所带的近区小负荷及厂用电容量正好在喷针运行个数切换的开度附近波动时,就可能造成喷针频繁的切换。且带负荷时2台机组还存在着抢负荷的可能性,再加上前面所述的调速器对喷针的控制能力减弱,从而引起调速系统失稳。

从水轮机方面考虑,主要是直流喷管内置式的结构,可能造成喷针接力器渗油或进水的情况发生,从而影响调速器对喷针的控制效果。电站在运行过程中也确实发生过多次漏油和水进入调速系统的情况。检修人员在处理上述事故时对喷针进行解体,也发现部分喷针接力器开启腔和反馈杆处存在油泥和积水现象。

4 事故后处理措施及甩负荷试验结果

针对上述可能引起喷针窜动的原因,主要采取了以下处理措施:

(1)调速器厂家在每根通往喷针接力器的操作油管上增加了单独的单向节流阀,拆除了原先的节流孔板,喷针关闭时间由新增的单向节流阀来调节。这样,调整喷针关闭时间的功能从组合式液控阀分离出来,组合式液控阀只承担控制喷针开关操作的功能。调速系统液压原理如图2所示。

图2 调速系统液压原理图

(2)根据机组所带的小负荷容量重新调整了喷针从2只工作切换到4只工作的开度值,以避免喷针频繁切换。

(3)在喷管结构暂时不能改变的前提下,喷针解体进行彻底清洗,更换了所有密封件,按技术要求组装和进行耐压试验,并对调速系统透平油进行了过滤,对有关滤清器及数字球阀进行了清洗。

事故处理措施到位后,电站对单台机组分别进行了甩25%、50%、75%、100%额定负荷试验,对2台机组进行了50%、75%、100%额定负荷联甩试验。甩负荷过程中机组运行均比较平稳。

从试验结果看,压力钢管末端最大压力上升,单机甩负荷时发生在甩25%额定负荷,而2台机组联甩负荷时发生在联甩50%额定负荷,并且都没有超过理论计算值。在甩负荷过程中,当喷针已关到空载位置后,每隔一定的周期仍有压力波动增大的现象,一般经过2～3次这样的波动后,压力才衰减,这就是水锤波传播并且叠加的结果。

5 结论和建议

试验结果证明了事故原因分析的正确性和处理措施的有效性。

对于今后遇到类似的电站,应特别关注以下问题:

(1)内置式直流喷嘴结构是近年来引进国外技术发展起来的新技术,结构紧凑、效率较高,目前应用广泛,大有取代外伸接力器式的趋势。在喷管结构上,喷针受较大关闭方向的水压力作用,使喷针在失去油压的情况下也能利用水力关闭,在整定喷针关闭时间时要充分考虑到无水和动水状态下关闭时间的差距。

(2)在机组甩负荷试验喷针关闭过程中,安装在接力器开启油腔的压力表显示,最大压力为9.1 MPa,不仅远远高于设计压力4 MPa,甚至高于耐压试验的6 MPa,极有可能引起相关密封的渗漏和相连管路、阀件的损坏。因此,密封结构的设计应可靠,并且与开启油腔相连的管路、阀件承压能力要按照前面所述的可能出现的最大压力选用。

(3)对于调速器用于调整喷针开启、关闭时间的组合式液控阀的结构要进行分析,其调整启闭时间时是否会影响到其他调节性能,若有不良影响,要采取措施加以改善。