非同步导叶压力低导致机组跳机的缺陷分析及处理
2017-01-17祁亚静金清山
于 潇，祁亚静，任 刚，吴 妍，金清山
（河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北 石家庄 050300）
非同步导叶压力低导致机组跳机的缺陷分析及处理
于 潇，祁亚静，任 刚，吴 妍，金清山
（河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北 石家庄 050300）
介绍了张河湾抽水蓄能电站3号机组启动过程中非同步导叶油罐压力低导致机组机械停机事故，其原因为3号机非同步导叶开启过快导致压力油罐压力下降过快。通过在排油管路加装合适尺寸节流片后，该问题得以解决。
抽水蓄能；非同步导叶；节流片
0 前言
河北张河湾蓄能发电有限责任公司位于河北省石家庄市井陉县境内，距石家庄市直线距离为53km，公路里程为77km。张河湾电站设计安装4台250MW单级混流可逆式水泵水轮发电机组，总装机容量1 000 MW，以一回500 kV线路接入河北南部电网，主要承担系统调峰、填谷、调频、调相等任务，并且在电网故障甚至瓦解时，可以充当电网最佳的紧急事故备用和“黑启动”电源。电站最大毛水头342m；最小毛水头283m；水轮机工况额定水头305m。电站水泵水轮机导水机构共设置了20个导叶，导叶最大开度为36.18°，为了在导叶开启过程中躲避不稳定的“S”形区域，即反水泵工况区，设置了4个为非同步导叶（3号、4号、13号、14号）。4个非同步导叶单独动作时，3号、13号导叶开度为5°，4号、14号导叶开度为15°，目前机组运行稳定。
1 非同步导叶介绍
1.1 非同步导叶工作原理
非同步导叶装置的工作原理即先把4个非同步导叶打开，3号5°、4号15°、13号5°、14号15°，且保持到其他导叶打开至某一特定开度后再进入同步操作，在其他导叶较小开度时就能得到相应的流量和速度。由于在导叶较小开度时避开了“S”不稳定区的机组其运行稳定性能得到明显改观，即运行范围已不在“S”区。在运行水头范围内导叶所有开度线与各种负荷的转矩线都只有一个清晰的交点，亦即相对应的n1’=常数，这意味着运行工况必然是稳定的。机组并网后，为了保持负载工况下的稳定性，其他导叶在控制环的操作下继续开启，而两个预开启导叶仍保持不变。当达到某一功率（为70 MW）或导叶开启至一个特定角度后，预开启导叶才与其他导叶同步随功率增大继续开启至最大。
1.2 非同步导叶作用
抽水蓄能机组水轮机转轮直径大、叶片长、惯性大，特性曲线较复杂。其全特性-流量特性曲线中，在高转速区水的进流很快下降，曲线向下弯曲明显，当机组到达飞逸转速后，在其强大惯性力的推动下，有可能直接进入制动区，在进入水机制动区后，由于水流对转轮的阻碍作用，在流量减少的同时，转速略有下降，故曲线出现反弯，如惯性力仍不消失，转轮离心力将使水流反方向流出，即进入反水泵区，此时转速将继续增大，使曲线又向N11增大方向弯曲，形成一个“反S”形，在S形区域内机组在同一转速下可能会有三个不同的单位流量，且其中之一在反水泵区（Q＜0），从而产生转速摆动和不稳定。特别是在导叶小开度下高转速区水的进流特性曲线弯曲度更大，更容易进入反水泵区，在额定转速下，并网时的导叶开度是最小导叶开度，也就是说并网前的区域是最危险的区域。为了躲避在全特性曲线中出现的不稳定“S”形区，改善机组水轮机特性，我厂将水轮机3号、4号、13号、14号导叶改造为非同步导叶。
1.3 非同步导叶控制逻辑
1.3.1 根据设计，加装非同步导叶的调速器系统对下述运行工作是有效的
（1）P转G工况运行；
（2）机组在甩负荷后的空载额定转速运行；（3）机组并网运行；
（4）机组背靠背启动方式（拖动机）；（5）黑启动工况启动；（6）线路充电工况启动；（7）机组G工况启动。
1.3.2 监控中各工况启动时开非同步导叶条件
（1）P转G工况运行时
①收到G工况启动信号；
②收到换相刀闸合于G方向信号；
③收到机组开关GCB分位信号；
④收到机组转速大于等于50%额定转速信号；
⑥收到机组转速小于等于110%额定转速信号；
⑦收到调速器ADT1000无大故障信号。
（2）机组甩负荷后的空载额定转速运行时
①收到机组开关GCB分位信号；
②收到机组转速大于等于50%额定转速信号；
③收到机组转速小于等于110%额定转速信号；
④收到调速器ADT1000无大故障信号。
（3）黑启动（BS）、线路充电（LC1、LC2）工况启动时
①收到机组开关GCB合位信号；
②收到机组转速大于等于50%额定转速信号；
③收到机组有功功率小于70 MW信号。
（4）机组并网稳定运行时
①收到机组开关GCB合位信号；
②收到机组转速大于等于50%额定转速信号；
③收到机组有功功率小于70MW信号。
（5）机组G工况启动、机组背靠背拖动做拖动机时
① 收到机组开关GCB分位信号；
②收到机组转速大于等于50%额定转速信号；
③收到机组转速小于等于110%额定转速信号；
④收到调速器ADT1000无大故障信号。
1.3.3 监控非同步导叶流程控制示意图（见图1）
图1 非同步导叶流程控制示意图
2 缺陷发生经过
2.1 缺陷发生前运行方式
故障前运行状态：张廉线5002、5003开关运行，2号机组发电运行出力250 MW，1～4号主变运行；厂用电10 kV I段由1003供电，I段带II段运行，III段由1002开关供电独立运行。
2.2 缺陷描述
20:10:34按计划3号机发电方向启动。
20:12:56 3号机发电方向并网，但没到稳态工况。
20:13:24监控出现报警：U03_ME10_CP201_TG01 CP201 Oil Pressure N-V-Low→V-Low。
20:13:24 3号机组出力46.79 MW时，监控出现报 警 :U03_GA01_MECFLT_DZ01UnitMchanical Fault N-TRP→TRIPPED。3号机组机械停机。
3 缺陷分析、问题排查、原因分析、处理步骤
3.1 缺陷分析
经查监控记录，3号机并网后非同步导叶正常关闭，4 s后再次开启，导致非同步导叶油罐压力下降至约7.9 MPa，该机械保护定值为小于9 MPa，延时1 s机械跳机。
3.2 问题排查
（1）运维人员现场检查非同步导叶油罐压力，与监控压力显示一致，压力显示正常；
（2）现场检查非同步导叶均在关闭位置，机械设备无异常，管路无漏油现象；
（3）查看历史记录，非同步导叶在GCB合闸后，正常关闭后又异常开启（图2）。进一步分析机组顺控流程，查找非同步导叶异常开启的原因：发电工况GCB合闸后，有功功率低于45 MW时监控会再次发令开启非同步导叶。查看历史曲线，发现3号机组发电并网后有功功率确实再次低于45 MW，最低有功达到约34.24 MW（见图4），导致非同步导叶再次开启。由于非同步导叶关闭、开启过快，导致短时间储能罐内油压下降过快，低于跳机值，油泵来不及将压力补到正常范围，最终引起机械事故停机。
图2
（4）查找历史记录，统计3号机最近4次动水情况下，非同步导叶开启、关闭时间，见表1，其他机组非同步导叶开启、关闭时间，见表2。
表1 3号机组最近五次非同步导叶开启及关闭时间
表2 1、2、4号机组的非同步导叶开启、关闭时间
对比发现：3号机组非同步导叶开启、关闭时间与其他机组相比所用时间较短。
可能产生的后果：1）非同步导叶油罐压力下降过快，油泵无法在延时时间内重新建压，从而使压力低至9 MPa以下，机械停机；2）机组发电工况并网后，非同步导叶迅速关闭，但此时其余导叶开启速度较慢，机组有功迅速下降至45 MW以下，导致监控再次发令开启非同步导叶。
3.3 原因分析
3.3.1 直接原因：3号机在发电启动过程中，非同步导叶压力油罐压力低于9 MPa，延时1 s机组机械事故停机。
3.3.2 根本原因：
1）非同步导叶关闭、开启过快，导致短时间内压力油罐油压下降过快，油泵来不及将压力补到正常范围。
2）电磁阀AD201（非同步导叶动作电磁阀）的节流片孔径不合适。
3.4 处理步骤
1）对3号机非同步导叶油压系统进行隔离；
2）检查3号机组非同步导叶电磁阀AD201，未见异常；
3）更换3号机组非同步导叶电磁阀AD201排油管路的节流片；系统建压，现地手动开关非同步导叶，开启、关闭时间约为70 s左右，均超过顺控流程中设定的45 s，会导致机组发电工况启动失败。鉴于此情况，需重新加工孔径合适的节流片。
4）在合适孔径的节流片加工、回装之前，将3号机组非同步导叶油罐压力的机械保护设定值进行临时修改。现地手动启动油泵建压，统计储能罐的压力由9 MPa至10 MPa所需时间约为12 s，故将定值临时修改如表3：
表3 机械保护设定值修改
5）8月3日，结合1号机定检,检查1号机组非同步导叶电磁阀AD201排油管路的节流片,测量节流片两端孔径约为4 mm/2 mm；按照1号机的情况，加工节流片孔径至4 mm/2 mm。
6）在加工的节流片到位后，将3号机组非同步导叶电磁阀AD201排油管路的节流片进行更换。更换节流片后，现地动作非同步导叶（静水情况下）开关动作情况正常，开关时间统计如表4：
表4 开关时间统计（静水）
7）8月4日，3号机发电启动成功，动水情况下，非同步导叶正常动作，开关时间统计如表5：
表5 开关时间统计（动水）
8）非同步导叶压力油罐压力变化正常。现地模拟启动失败时非同步导叶动作情况:启动前非同步导叶压力油罐压力13.62 MPa，非同步导叶到全开后，1.5 min后开始关闭,全关4 s后再次开启非同步导叶，整个过程中油罐压力最低至10.79 MPa，油泵启动、建压均正常。
9）8月4日，3号机发电开机时压力13.68MPa，最低压力10.92 MPa，非同步导叶油泵启动、运行正常。
4 暴露的问题
（1）未及时发现3号机非同步导叶开启、关闭时间较其他机组过快的现象。
（2）未将机组非同步导叶的运行情况纳入月度技术分析。
5 防控措施
（1）完善调速器系统电磁阀设备台账，结合检修统计4台机组的电磁阀节流片位置和节流片孔径。
（2）为避免再次出现非同步导叶连续动作的情况，考虑在有功大于等于70 MW关非同步导叶这一命令后增加10 s延时，但此逻辑的修改需得到主机设备厂家阿尔斯通的确认，公司已安排人员与厂家进行联系确认。
（3）将机组非同步导叶的开启关闭时间纳入月度技术分析。
6 结语
通过处理此次非同步导叶的缺陷，我们对非同步导叶的工作原理、作用以及开启逻辑都有了更加深刻的认识，反思此次缺陷出现的问题，总结的经验要延伸到其他机组中，保证机组的安全稳定运行，提高机组运行的可靠性。
[1]刘大恺.水轮机[M].3版.北京：中国水利水电出版社，1997.
TV734
B
1672-5387（2016）12-0066-04
10.13599/j.cnki.11-5130.2016.12.024
2016-08-29
于 潇（1990-），男，助理工程师，从事抽水蓄能电站运维管理工作。
