白莲河抽水蓄能电站水泵水轮机迷宫环流量监测中存在的问题及处理

张成华，李莉萍

（湖北白莲河抽水蓄能有限公司，湖北 罗田 438600）

1 工程概况

白莲河抽水蓄能电站位于湖北省黄冈市罗田县白莲河乡境内，电站装设4台单机容量为300 MW的单级混流可逆式水泵水轮电动发电机组，平均年发电量9.67亿kW·h，年抽水耗用低谷电量12.89亿kW·h，属日调节纯抽水蓄能电站。电站以一回500 kV出线接入黄冈变，在华中电网承担调峰、填谷、调频、调相、事故备用及黑起动的任务。

电站水泵水轮机型式为立轴单级混流可逆式，由阿尔斯通生产，型号为HLN-LJ-550，机组分发电及抽水两种工况，在转轮与顶盖、转轮与底环间设置止漏环，型式为梳齿形止漏环 （即迷宫环）。

2 迷宫环原理简介

2.1 上下迷宫环结构

白莲河抽水蓄能电站机组上迷宫直径3 772 mm，间隙1.5 mm，下迷宫直径3 838 mm，间隙1.8 mm，迷宫环分为固定部分与转动部分，转动部分与转轮材质相同，同为ASTMA743CA6NM，硬度为250HB，固定部分分别焊接于顶盖及泄流环上,材料为铜铝合金材料，硬度为150HB。上、下迷宫环示意图如图1、2所示。

2.2 上下迷宫环流量要求

迷宫环运行时对冷却水流量有明确的要求，冷却水流量与运行过程中迷宫环的温度变化密切相关。温度及流量变化都有相应的报警及停机整定值，具体参数如表1所示。

2.3 迷宫环作用及功能

图1 上迷宫环

图2 下迷宫环

表1 迷宫环温度和流量参数

机组在发电工况时转轮室整个处于水流之中，迷宫环本身并不需要特别供给冷却水。但机组在抽水工况启动时，机组转速通过SFC拖动由0升至额定转速 （250 r/min），为减小SFC拖动力矩及其所耗有功功率，在SFC拖动机组之前先向机组尾水锥管段通入压力为8.2 MPa的高压气，利用高压气将尾水水位下压至-850 mm，确保转轮在压水水位之上，而后通过SFC拖动机组，转轮在空气中转动，所耗有功大大少于在水中转动所耗有功。机组升速的过程中，转轮室在此阶段处于高压气中，转动部分与固定部分间产生热量，随着机组转速的升高及迷宫环脱水，温度逐渐升高，因此需要设置迷宫环冷却水用于迷宫环转动部分的冷却及润滑，针对迷宫环设有温度监测及冷却水流量监测，以确保机组稳定运行。

迷宫环冷却水取自机组球阀前压力钢管段，与机组主轴密封为同一水源，压力为2.6 MPa，经过DN150供水管后分为两路，一路通过DN50管路单独供给主轴密封，另一路经液压阀后分两路分别通过两根DN80供水管供给上下迷宫环，管路分别设置手动阀，机组调试期间曾通过此手阀控制迷宫环流量。具体供水管路图如图3所示。

图3 迷宫环供水管路示意

3 迷宫环运行不稳定问题分析及处理措施

3.1 问题描述

迷宫环投运后，运行一直不稳定，机组调相工况运行时，管路内反窜进气体及迷宫环供水管路形成的振动，对流量传感器的监测产生极大影响，从历年的运行情况看，投产之前及投产初期上下迷宫环流量问题是引起的机组抽水不成功的主要因素，严重影响机组的稳定运行。由于迷宫环流量监测的不稳定曾多次引起机组抽水调相启动不成功，机组迷宫环流量设定值为上迷宫环900 L/min停机，下迷宫环1 200 L/min停机，并且都有5 s的延时，机组调试期间，迷宫环流量多次在机组设定值左右跳动且无法稳定。

3.2 原因分析及处理措施

3.2.1 迷宫环流量监测

通过对迷宫环管路进行细致的检查，初步怀疑是管路内部堵塞，对供水管路进行拆卸检查，并对球阀前取水管路进水口滤网进行了改造，但收效甚微。

机组投产后，电站专门针对迷宫环流量监测问题进行分析检查，最后分析原因有以下几点：

（1）机组停机后，对迷宫环供水管路进行压力检查，发现管路中积存大量的气体，分析为机组调相压水过程中少量高压气通过迷宫环冷却水供水口反窜至管路中，气体进入管路造成冷却水流态的不稳定，导致流量计电磁感应部分无法形成稳态流体，从而对电磁流量计的监测造成极大影响。

（2）机组抽水调相启动前先打开供水液压阀，对迷宫环进行冷却供水，高压水进入管路后因流态的不稳定造成管路产生振动及噪音，这也是监测不稳定的一个因素。

3.2.2 传感器

原流量计型号为DWM2000流量变送器，4～20 mA输出，此传感器用于测量导电液体，胶体和悬浮液的测量，测量原理如图4所示。

图4 DWM2000流量变送器测量原理示意图

导体在磁场内运动可缠身感应电压U。被测液体就是一种导体，它的流动方向与磁感应强度B垂直，感应出的电压U=K×B×V×D，其中K代表常数，B代表磁感应强度，V代表介质流速，D代表电极间距。电压U即两个电极之间的电压，通过内部转换元件，U被转换成与流量成正比、与负载无关的4～20mA输出。正确的安装位置如图5示，错误的安装位置如图6示。DWM2000的电源及输出连接方式如图7所示。

图5 正确安装位置

图6 错误安装位置

图7 DWM2000的电源及输出连接方式

（1）根据产品说明书要求，此流量计应安装于水平管道上，并且是无气泡的区域，由于传感器特殊的监测原理，当测量区域有气体产生时将使测量结果精确度大为减少，但鉴于设计因素电站迷宫环传感器的管道均为竖直管道，管路改造难度较大；其次在机组升速过程中管道中产生气体影响测量区域的流体连续性，导致管道内始终无法充满液体，对上送值产生极大的影响。经过分析，决定对管道内部气体进行处理，在上下迷宫环供水管路的最高点加装排气阀 （排气阀能够在管路内存在气体的情况下排尽气体，机组运行过程中气体由底部向顶部运动，直至通过排气阀排出。

（2）按传感器要求通过供水手动阀对流量进行控制，打开供水液压阀同时手动控制上下迷宫环流量供水阀，使流量稳定在需要的范围内 （上迷宫环稳定于1 000 L/min以上，下迷宫环稳定于1 400 L/min以上）。

处理后对机组调相工况启动起到了一定的效果，机组流量较之前更加稳定，但运行一段时间之后仍会出现管路气体无法排尽导致显示流量变小且无法稳定的情况，现地调节手动控制供水阀门仍然无法根治管路内流态不稳定的弊病。

3.2.3 流量传感器的改造

通过查阅相关资料及其他电站应用实例采取了更换流量传感器的措施，对全站的迷宫环流量计进行了改造,将原DWM 2000型电磁流量传感器更换为EDD575型差压流量传感器。

上下迷宫环管路分别装设有节流孔，上迷宫环节流孔径25 mm，下迷宫环节流孔径为27 mm，新流量传感器压力取自节流孔前后，通过测定迷宫环供水节流孔前后压力差，压差经过传感器内部转换为对应的4～20 mA输出，传感器能够转换压差为3.75×10-4～2 MPa精度满足现场要求。接线如图8所示。

图8 EDD575型差压流量传感器接线示意图

电站4台机组全部进行流量计改造后对流量进行监测，上迷宫环流量稳定在1 300 L/min以上，下迷宫环流量能够稳定在1 700 L/min以上，机组调相过程中再未出现流量跳动情况，迷宫环温度在正常范围内未出现异常，此次改造成功的解决了迷宫环流量监测过低且不够稳定的问题。

4 结 语

此次流量计改造针对电站迷宫环供水管路的特性选择了差压式传感器，监测结果表明差压式传感器更适合此管路的设计，无论在有无气体的情况下，节流孔前后压差都不会产生大的波动，传感器的精度确保能够将压差完好的转变为4～20 mA电流量上传。

湖北白莲河抽水蓄能电站迷宫环流量监测经过多次处理改造，达到了有关技术规范的要求，提高了机组的启动成功率，运行可靠性、稳定性和可用率，为电站安全生产目标完成提供了可靠的保障。

［1］ 陈加明.迷宫环优化加工的研究和实践 ［J］.机械制造.2007（2）:33-34.

［2］ 唐俊达.水轮机检修工作中的尝试 ［J］.水电站机电技术.1983（2）:21-23.