白山抽水蓄能电站6号机组甩100%负荷试验事故分析

覃大清，冯伊平，郑 凯，乔 木，强 杰，张 法，王环东

（1.哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江省哈尔滨市 150040；2.国网新源控股有限公司，北京市 100761；3.白山发电厂，吉林省吉林市 132011；4.安徽响水涧抽水蓄能有限公司，安徽省芜湖市 241000；5.国网新源控股有限公司回龙分公司，河南省南阳市 473002）

白山抽水蓄能电站6号机组甩100%负荷试验事故分析

覃大清1，冯伊平2，郑 凯2，乔 木3，强 杰4，张 法5，王环东2

（1.哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江省哈尔滨市 150040；2.国网新源控股有限公司，北京市 100761；3.白山发电厂，吉林省吉林市 132011；4.安徽响水涧抽水蓄能有限公司，安徽省芜湖市 241000；5.国网新源控股有限公司回龙分公司，河南省南阳市 473002）

白山抽水蓄能电站6号机组B级检修后进行甩100%负荷试验时，发生水车室管路破裂、转轮和导叶等过流部件设备损坏的事故。主要原因是导叶摩擦装置在机组导叶剪断销剪断后发生滑动，限位块保护功能失效导致导叶与转轮相撞击。对本次甩负荷试验事故起因及经过进行分析，可以让我们深刻了解导叶保护装置对电站安全运行的影响，校验机组导叶接力器的操作容量与导叶保护装置，能在任何工况下安全可靠的操作导水机构，在今后的相关机构设计、工艺操作及电站运维中，引以为鉴，避免此类事故的发生。

导叶；限位块；剪断销；焊缝高度

0 引言

抽水蓄能电站机组发电工况甩负荷是一个较为复杂的工况，是对水轮机导叶保护装置等各机械部件的重要考验，一旦水轮机部件因为设计计算、安装质量、运行维护等不到位，将会发生导叶、转轮等设备损坏事故，严重时还可能发生水淹厂房重大事件。因此，确保导叶保护装置安全可靠对机组在甩负荷等特殊工况下的安全运行具有重要意义。

1 工程概述

白山抽水蓄能电站于2002年8月正式动工，2006年7月机组投产。电站装有2台150MW立轴混流可逆式机组，上游输水系统为一管双机布置，下游尾水系统为一管一机布置。发电机出口电压13.8kV，220kV侧采用两机一线的电气主接线方式，通过220kV开关站接入东北电网。电站6号水轮发电机组于2005年12月20日投产运行，机组额定水头105.8m，额定转速200r/min。水泵水轮机共有20个固定导叶和20个活动导叶，转轮共7个叶片。

水电站甩负荷试验的目的是通过试验考验机组在选定的调速器调节参数下调节过程的速动性和稳定性，考查调节系统的动态调节质量。根据甩负荷时所测得的机组转速上升率、蜗壳水压上升率和尾水管真空值来验证调节保证计算的正确性。检验水轮机导叶接力器关闭规律的正确性及确定接力器不动时间，检验机组励磁调节系统调节过程的减磁性能及灭磁性能，检验过速保护的灵敏度等。

2015年12月10日，白山电站6号机组在B级检修后先后进行25%、50%、75%、100%甩负荷试验，在甩75%额定负荷时，转速上升率28.46%，水压上升率13.14%，与往次试验数据对比无异常，各部件检查正常，在甩100%负荷时，转速上升率39.6%，水压上升率21.8%，试验操作人员发现在试验过程中水车室大量窜水、机组振动明显增大，运行操作人员立即手动投入紧急停机电磁阀，手动关闭蝶阀，经紧急停机后检查，发现6号机组水车室排水管、上止漏环冷却水管及顶盖均压管破裂，检测人员开蜗壳及尾水管进行进一步检查，发现活动导叶、转轮存在不同程度的损坏，蜗壳、尾水道未见异常，蝶阀密封良好。

2 事故现场设备情况分析

通过现场检查水车室内导叶臂转动情况及导叶损伤情况，发现共有16只活动导叶出现不同程度的损伤，固定导叶直观检查未见明显损伤；共有7个叶片的发电工况进水边全部存在不同程度断裂、变形，断裂最大深度约100mm；与顶盖相连的4根Φ219的顶盖均压管、5根Φ60的止漏环冷却水管路破裂；20个剪断销全部断裂，其中16个可以从断口进行配对。18只主副拐臂明显错位，11号、12号主副拐臂未发生明显错位，剪断销孔上下较为平齐，但此处剪断销亦完全断裂；导叶全开、全关限位块各20个，16个全关限位块从焊缝断裂，3个全开限位块焊缝有裂纹且变形，其余完好。

3 相关计算及工厂试验结果

对机组导叶接力器操作容量及导叶保护装置进行计算，校验机组导叶接力器的操作容量与导叶保护装置，能在任何工况下安全可靠的操作导水机构。

对导叶水力矩进行计算（包括非全关位置真机水力矩计算、全关点的水力矩计算、最大水头下导叶水力矩计算），最大水力矩位于全关位置，其方向为关闭导叶，经计算得最大水力矩值为34.8kN·m，导叶水力矩曲线如图1所示。

图1 导叶水力矩曲线Fig.1 Guide vane water torque curve

对导叶摩擦力矩进行计算，最大摩擦力矩位于全关位置，其方向为导叶运动的反方向，经计算得最大摩擦力矩值为37.7kN·m，机组单个导叶摩擦力矩曲线如图2所示。

图2 机组单个导叶摩擦力矩曲线Fig.2 Sets a single guide blade friction torque curve

对导叶阻力矩进行计算，最大阻力矩位于全关位置，其方向为关闭导叶，经计算得最大阻力矩值为72.4kN·m，机组单个阻力矩曲线如图3所示。

对接力器操作容量进行计算，接力器为最小油压时开启导叶最小余量为133%，接力器为最小油压时关闭导叶最小余量为192%，在最低油压时接力器操作导叶力矩的最小余量应大于25%，接力操作容量有足够的安全余量，确保在任何工况下可靠的操作导叶开关，接力器操作容量曲线如图4所示。

图3 机组单个阻力矩曲线Fig.3 Sets a single drag torque curve

图4 接力器操作容量曲线Fig.4 Relay operation capacity curve

对导叶保护装置力矩进行计算，在全关位置，接力器最大操作油压时传递给单个导叶的最大操作力矩值242kN·m，导叶保护装置力矩为276.74kN·m，单个导叶保护装置力矩与接力器最大操作力矩比值大于规定的1.1，最终剪断销直径理论计算结果为40.58mm；对导叶限位块作用力与焊缝强度进行计算，全关位置，在最大水力矩与导叶轴颈摩擦力矩作用下，经计算得限位块作用力为60kN，当剪断销与摩擦衬均失效的工况下，限位块的最大可能作用力为60kN，限位块焊缝设置为20mm环状的角焊缝，经计算其承载力为97.5kN，远远大于限位块最大可能作用力，如按图纸要求焊接，焊缝有足够的强度使限位块达到保护导叶的目的。

导叶摩擦保护装置的作用是当剪断销断裂后防止导叶在水力的作用下发生自由摆动。白山抽水蓄能机组导叶摩擦保护装置结构如图5所示。导叶摩擦衬力矩试验结果表明，当连接板把合螺栓按设计预紧力矩3000N·m预紧时，导叶摩擦衬的摩擦力矩满足设计值70000N·m，并有一定的安全余量，导叶摩擦保护装置的设计是合理可靠的。

根据上述计算的结果和导叶摩擦衬力矩试验的结果，可知导叶保护装置力矩、摩擦衬力矩、剪断销力矩、摩擦衬螺栓预紧力矩、剪断销直径、限位块焊缝的强度设计符合设计标准，有足够的安全余量，可以确保机组安全可靠运行。

4 事故原因分析

白山抽水蓄能机组导叶摩擦保护装置结构如图5所示。导叶保护装置由剪断销、摩擦限位装置与导叶限位块两部分装置组成，其功能为：当两个或多个导叶在关闭过程中被异物卡住时，导叶及传动零件应力达到约为2/3材料屈服极限而未破坏时，剪断销断裂，保证其他导叶继续关闭，剪断销的作用是当传动机构超过设载荷时自动断裂，起到保护导叶与传动机构的目的；每个导叶均设有摩擦限位装置，以防止导叶在保护装置动作后反复摆动，如果在任何一对导叶之间有障碍物，该装置不会妨碍控制环向开或关方向运动；每个导叶设有导叶限位块，在最不利的工作条件下根据可能施加到导叶限位块上的最大水力矩和冲击力而设计的，限位块设在顶盖和拐臂之间用以限制导叶运动角度，在保护装置动作的情况下防止松动的导叶对相邻的导叶或转轮运动的干扰。

图5 白山抽水蓄能机组导叶摩擦保护装置结构Fig.5 Baishan pumped storage units guide blade friction protection structure

在机组运行过程中，剪断销剪断本属于可控的一个事件，其本身不会导致事故的发生。在本次事故中，由于某种原因导致甩负荷时产生过大的水力矩，而摩擦衬预紧螺栓夹紧力矩未达到设计值，导致剪断销剪断截面应力超过材料疲劳极限，剪断销在长期的交变应力作用下，产生疲劳破坏，在本次甩负荷过程中，在较大的振动与冲击下，突然发生断裂，这是导致剪断销剪断的直接原因。

摩擦装置的摩擦力矩设计值为70 000N·m，此数值是基于机组在稳态工况条件运行的设计计算，在甩负荷工况时，导叶与转轮处水流流态复杂，此时产生的水力矩可能远大于稳态工况下的最大计算水力矩，当某一个或多个导叶的剪断销发生剪断后，过大水力矩又克服了这些导叶摩擦装置的摩擦力矩，使得摩擦装置产生滑动，摩擦装置滑动后又导致导叶关闭的不同步，引发水力不平衡，使得部分导叶的水力矩继续增大。部分导叶摩擦装置滑动后，水力矩推动导叶快速旋转，导叶臂撞击全关限位块，而后因为限位块脱落的原因引发了导叶间相互碰撞。过大的不平衡水力矩和导叶间的碰撞，在使得所有导叶剪断销均被剪断后，摩擦装置相继滑动。水力矩推动导叶快速关闭，使得导叶臂撞击限位块。

表1为焊缝高度与最大载荷对应表，根据限位块作用力及焊缝计算结果可知，限位块最大可能作用力为60kN，焊缝最大承载力为97.5kN，远远大于限位块最大可能作用力，限位块焊缝强度足可以满足机组安全可靠运行，图纸要求限位块与顶盖之的结合焊缝为环状20mm角焊缝，但现场观察环状焊缝约为10mm角焊缝，其承载力约为49kN，远小于限位块最大可能作用力60kN，当此力作用于限位块上时，必然导致焊缝破坏，这致使导叶限位块被导叶臂撞击脱落，导叶臂自由旋转，导叶失控后与转轮撞击。导叶和转轮叶片受损，导叶臂翻转撞击顶盖上相关管路，导致水车室跑水。

表1 焊缝高度与最大载荷对应表Tab.1 Weld height and maximum load corresponding

5 结束语

本次事故分析总结表明：导叶摩擦装置在机组导叶剪断销剪断后发生滑动是导致此次事故的直接原因，当摩擦装置无法承受甩负荷时的瞬时水力矩而发生滑动时，导叶全关位置限位块未按图纸要求进行焊接，限位块保护功能失效导致导叶与转轮相撞击是本次事故的主要原因，也是事故扩大的重要原因。据此，提出以下建议：

（1）水泵水轮机结构型式应采用安全可靠的导叶保护装置。在任何情况下，导叶与转轮均不会发生碰撞。

（2）在设计时应对包括甩负荷在内各种工况下的动态水力矩进行分析计算，合理估算暂态工况的最大水力矩，以确定剪断销的剪断值、摩擦衬的动作值和限位块的焊接尺寸，确保导叶保护装置具有足够的安全裕度。

（3）限位块应优先考虑与固定部件采用一体化设计和工厂焊接；同时还应将摩擦衬力矩试验纳入出厂验收试验项目等。

（4）正常运行下，水电站机组甩负荷时有发生。作为启动验收重要一部分，机组甩负荷试验有着它不可替代的地位，它关乎电站的安全稳定运行。只有机组各部分稳定可靠运行，才能保证机组厂房在甩负荷下的安全。

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Baishan Pumped Storage Power Plant Unit 6 100% Load Rejection Test Accident Analysis

QIN Daqing1，FENG Yiping2，ZHENG Kai2，QIAO Mu3，QIANG Jie4，ZHANG Fa5，WANG Huandong2
（1.Harbin Electric Machinery Co.，Ltd，Harbin 150040，China；2.State Grid XinYuan Company Ltd，Beijing 100761，China；3.Baishan Power Plant，Jilin 132011，China ；4.Anhui Xiang Shui Jian Pumped Storage Power Station，Wuhu 241000，China；5.State Grid XinYuan Company Ltd.Hui Long Branch，Nanyang 473002）

A accident was occurred on the unit 6 of Baishan pumped storage power station.during the 100% load rejection test after a B class maintenance.The equipments of flow components，such as runner and guide vane，had been damaged.The water pipes on the head cover had been cut by guide vane arms and caused the leakage.The main reason is the sliding vane friction device in turbine guide vane cut off after the limit block protection function resulted from the failure of the guide vane and runner impact.The cause of the accident after the load rejection test and analysis，we can make a deep understanding of influence of guide vane protection device for safe operation of the power station，the guide vane servomotor check unit operation capacity and guide vane protection device，can be in any condition safe and reliable operation of the hydraulic mechanism，a design，in the relevant institutions in the process operation and power plant operation and maintenance，to avoid such accidents.

guide vane；limit block；shear pin；weld height

TV734.1 文献标识码：A 学科代码：570.30 DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2016.06.002

2016-5-23

覃大清（1965—），男，教授级高工，全国水轮机标准化委员会秘书长，哈尔滨电机厂副总工程师，主要研究方向：（水泵）水轮机研发。E-mail：qindq@hec-china.com

冯伊平（1963 —），男，高级工程师，主要研究方向：水电站（含蓄能）生产管理。E-mail：yiping-feng@sgxy.sgcc.com.cn

郑 凯（1981—），男，工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站水力机械设备技术管理。E-mail：kai-zheng@sgxy.sgcc.com.cn

乔 木（1981—），男，工程师，主要研究方向：水电站运维检修管理。E-mail：mu-qiao@sgxy.sgcc.com.cn

强 杰（1985—），男，工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站水机专业管理。E-mail：jie-qiang@sgxy.sgcc.com.cn

张 法（1980—），男，工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站运维检修管理。E-mail：fa-zhang@sgxy.sgcc.com.cn

王环东（1974—），男，工程师，主要研究方向：水电站运维检修管理。E-mail：huandong-wang@sgxy.sgcc.com.cn