补气减振在沙河抽水蓄能电站黑启动中的应用

2022-03-25朱小山

水电站机电技术 2022年3期

朱小山

（江苏沙河抽水蓄能发电有限公司，江苏溧阳 213333）

0 引言

振动现象在水轮机的工作中是普遍存在的，但这个现象却很难避免，因素有许多方面，比如操作、检测、设计、生产、装配等多方面的因素。但水力机组的机械机构会由于严重的振动受到破坏，因而大大降低了机组的输出负荷和工作效能，在稳定运行方面出现的问题越来越突出。沙河抽水蓄能电站（简称沙河电站）属于可逆混流式发电机组，由于它固有的构造特点，即在低负荷时形成的偏心涡带使得发电机振动加大，严重影响了发电机的平稳工作。尤其是在黑启动工作过程中，若机组长期以低负载工作，将对机组的机械部分产生影响，导致机组内各紧固件螺栓松动，并将使导叶上轴套的摩擦片脱落，如导叶端面密封固定螺栓、导叶上轴套固定螺栓松动，尾水管拦污栅固定螺栓松动或固定焊接板开焊脱落等，同时振动的加大也使得瓦温有所升高。因此，采取方便可行的方式减小机组振动尤为必要。沙河电站根据自身机组特点，选择通过顶盖补气的方式开展低负荷补气试验，取得了良好的效果。

1 低负荷区运行现状

2008年沙河电站被列为江苏省电网的黑启动电源点之一，并于2008年4月成功进行了一次黑启动试验。试验期间，1号机组一直保持在3 MW左右负荷运行。该负荷区，机组顶盖、尾水管等振动都很大，水导瓦温较正常运行高，长时间运行对水轮机各机械部分都会产生不利影响，必须采取有效措施减小机组振动。机组每天正常发电，随着水位下降，机组会进入低水位运行区间。上库正常运行水位为120 m～136 m，随着水位下降至125 m以下，机组各部分振动逐渐加剧，从125 m～120 m，两台机组发电运行约1.5 h，一台机组要运行约3 h，机组每天要在低负荷区运行约3 h/台，两台机组低负荷运行时间较长。

根据沙河电站不同水位及负荷情况下振动曲线分析，上库水位从125 m～120 m区间振动较大，低负荷情况下振动明显增大。为减小振动，沙河电站在增加补气装置前采取了低水位减负荷的方法来缓解。除黑启动外，机组禁止在低负荷区长时间运行。

沙河电站黑启动试验需要1号机长时间低负荷（3 MW左右）运行。水泵水轮机一般以水泵方式设计，在额定负荷时机组能够稳定运行，若远离最优工况运行，机组会出现较大的振动，将对机组机械部分造成负面影响，因此减振措施势在必行。

2 采用顶盖补气装置的作用

在机组低出力区域，通过顶盖设置的补气管路向转轮室内充入空气，可减小排水管路的真空度，破坏由于转轮出口水流切向分力引起的螺旋形涡带，以及由此引起的如上、下导的摆动、蜗壳及引水管道的压力脉动、负荷的波动、水力共振等现象，从而改善机组的运行状况。采用顶盖补气装置向水轮机的空蚀区域补气，可减轻机组的转轮、叶片及导水机构等的空蚀破坏。原因是：①由于补气使水流中的环境压力得以提高，使部分空蚀汽泡不可能膨胀到其临界汽蚀点值上，这样就不能形成能破坏过流表面的空蚀汽泡，没有空蚀汽泡的产生就没有空蚀破坏的形成；②由于空气的补入改善了水流的密度等特性，降低了可形成汽泡的高速射流的冲击力，达不到一定的冲击力，空蚀汽泡也不易形成。

3 补气减振课题确定

2008年3月初，江苏省电力调度通信中心确定将沙河电站作为黑启动电源点后，沙河电站高度重视，并充分意识到长时间低负荷运行对机组的负面影响，决定将低负荷减振作为一个研究试验课题来安排落实。

课题确定后，相关人员认真组织咨询、调研。咨询江苏电试院及华东电试院，均未对低负荷减振提供实质性意见，但从潘家口电站了解到补气减振有一定效果。虽经了解，调试期ALSTOM督导也曾对机组进行补气减振，但效果不大未使用，但考虑到当时不是低负荷试验，故仍决定再进行实际试验。

4 补气方式选择

可以减小振动的方法有很多，如大轴中心孔补气、顶盖补气、尾水管补气等，我国一些水电厂根据自身情况对于补气减振这一技术进行了不同的试验和应用。沙河电站水泵水轮机在抽水启动工况过程中需要向转轮室注入高压气体，因此设计了从顶盖补气的管路。考虑到大轴中心孔补气改造难度很大，尾水管补气一般效果较差，而机组的回水排气管可同时作为顶盖补气管使用。经综合考虑，决定采用顶盖补气方式进行减振。为方便开展试验，根据现有的管路设计了低压补气回路，如图1。设置两台螺杆式空压机、一个补气罐，向两台机组顶盖补气，补气罐容量为1 m3，补气压力0.7 MPa,流量3.0 m3/min。

图1 补气回路图

5 补气试验效果分析

5.1 低负荷补气试验

2008年4月21日完成了1号、2号机低负荷（3 MW）时上库水位131 m左右的补气试验，补气压力为0.3 MPa～0.6 MPa，表1为试验数据。

表1 1号、2号机顶盖补气试验数据表

顶盖振动由3.6～3.7 m/s2降至3.1～3.2 m/s2，尾水管振动由2.0～2.1 m/s2降至0.6～0.7m/s2。

试验结果表明，顶盖补气对尾水管减振产生了明显作用，可减少尾水管振动70%左右,对顶盖减振也一定作用，可减少顶盖振动10%以上。

5.2 黑启动补气试验

2008年4月24日进行了江苏电网（沙河电站）黑启动试验。1号机低负荷运行约4 h，在此期间，1号机持续顶盖补气，机组振动一直很平稳，气罐压力维持在1.2～1.3 MPa，顶盖振动由4.0 m/s2左右降至3.5 m/s2左右；尾水管振动由2.0 m/s2左右（最大时达到6 m/s2）降至0.7 m/s2。图2为1号机尾水管振动曲线。

图2 1号机尾水管振动曲线

由图2可以看出，1号机在启动以后尾水管振动在2 m/s2附近变动，而且波幅较大，极不稳定。在打开补气阀以后尾水管振动开始下降，并且振动幅度大幅下降，振动趋于稳定，降低了对水力设备设施的影响。

黑启动试验完成后，对整个机组的所有机械部分进行仔细检查，未发现固定螺栓有松动现象，导叶摩擦片也没有掉落，其他机械部分也没有异常现象。说明补气对机组机械部分，尤其是水轮机机械部分形成了很好的减振效果。

6 补气效果评价

沙河电站的顶盖补气系统从2008年用高压气罐降压补气到2011年低压补气系统的正式投运，不仅实现了最初的两大目标：减小机组黑启动运行时机组振动、保证低压气系统安全可靠运行，同时还为设备长时间空载调试（如励磁改造）提供了保障。总体来讲，该项目以较小的成本实现了长期的利益回报。

7 补气减振方案的实施和改进

通过顶盖补气试验产生了良好的效果，沙河电站将补气减振作为黑启动试验的一项常规步骤列入了黑启动流程，并将补气减振操作作为一项定期试验列入运行日常工作，为江苏电网的黑启动电源点提供可靠的安全保障。

沙河电站的补气装置目前采用全手动操作，补气阀调到最大，没有补气量的计量。这种用手动补气方式还存在不足，一方面不符合自动化水电厂无人值班的理念，另一方面补气量没有具体的数据分析，单纯的把空气压缩机开启，补气阀开到最大，达不到补气的最佳效果。下一步建议应在补气回路安装气体流量计，用于计量黑启动过程中的顶盖补气量，同时将手动补气阀改为电动调节补气阀。采用正反馈调节原理，通过PLC程序根据监测的振动数据，自动调节阀的开度，从而达到最佳补气减振效果。加入自动控制手段，既可以实现自动补气，还可以达到节能的目的。