軸流轉(zhuǎn)漿式發(fā)電機甩負荷時抬機量過大原因分析及處理

牟 明，馬 冬

(松江河發(fā)電廠，吉林撫松134500)

松江河梯級電站位于吉林省東南部松花江上游支流松江河上，由小山電站、雙溝電站、石龍電站和松山引水工程組成，其中第二級的石龍電站裝有2臺單機容量為35 MW的軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機組。電站廠房為引水式地面廠房，引水隧洞采用單機單洞引水方式，進水口設置快速工作門，無調(diào)壓井。

1 抬機的經(jīng)過

2010年6月18日，在2號機試運行期間，做了甩75%負荷試驗，由于抬機量過大和甩負荷時蝸殼末端壓力接近最大值，暫停了試驗。停機后檢查發(fā)現(xiàn)，水輪機下導密封橡皮板磨出溝槽，發(fā)電機滑環(huán)處下排碳刷變形損壞。試驗相關(guān)數(shù)據(jù)實測值見表1。

表1 甩負荷試驗相關(guān)數(shù)據(jù)實測值

2 抬機原因分析

水輪機組在甩負荷時，由于導葉的快速關(guān)閉，使進入水輪機的流量急劇減少，一方面引起蝸殼內(nèi)的水壓急劇上升;另一方面，原來在轉(zhuǎn)輪室內(nèi)的水流在慣性力的作用下，繼續(xù)向尾水管出口流動，從而使機組的轉(zhuǎn)速升高;機組轉(zhuǎn)速的升高又促使轉(zhuǎn)輪的過流量增大，使轉(zhuǎn)輪室內(nèi)出現(xiàn)真空;此時，如向轉(zhuǎn)輪室內(nèi)的補氣量不足，尾水中的水流又會向轉(zhuǎn)輪室內(nèi)倒流而形成反水錘。石龍電站2號機調(diào)速器緊急關(guān)閉方式為一段控制，導葉關(guān)閉時間較短，因此，機組的轉(zhuǎn)動部分可能在反水錘的作用下被抬起。另外，石龍電站的尾水吸出高度比較大(吸出高度為-9.3 m)，在導葉關(guān)閉切斷上游來水后，轉(zhuǎn)輪室仍充滿水，所以，機組轉(zhuǎn)動部分的慣性使轉(zhuǎn)輪仍旋轉(zhuǎn)，將水流向下推動，同時產(chǎn)生向上軸向水推力。在兩者的共同作用下，造成了此次75%甩負荷試驗，機組抬機量過大和甩負荷時蝸殼末端壓力接近最大值，從而中斷了甩負荷試驗的繼續(xù)進行。

3 處理方法

針對以上分析，采用以下措施防止機組抬機:

a.對真空破壞閥直徑重新校核、彈簧力調(diào)整(真空破壞閥動作值由3 kPa改為2 kPa)，使其在密封良好的狀態(tài)下，機組發(fā)生甩負荷時，能快速向轉(zhuǎn)輪室補足空氣。

b.在2號機導葉接力器開腔總管上的適當位置，加裝一個電氣分段關(guān)閉裝置。分段關(guān)閉裝置動作的電磁閥需直流220 V供電，采用2根2×1 mm2電纜，可不經(jīng)水機端子箱，直接接入電站直流220 V電源系統(tǒng)?？刂茥l件需先根據(jù)調(diào)節(jié)保證計算優(yōu)化后的關(guān)閉規(guī)律，在主令控制變送器上取出一對導葉開度35%位置開關(guān)量信號作為拐點信號，將其接線引至監(jiān)控。監(jiān)控系統(tǒng)在收到拐點信號的同時，發(fā)出分段關(guān)閉指令，并控制分段關(guān)閉裝置的電磁閥動作;機組關(guān)閉后，再發(fā)出電磁閥復歸信號使之復歸。導葉一段關(guān)閉時間為5.5 s，這樣，既可以降低水輪機轉(zhuǎn)輪室內(nèi)的真空值，又降低了在導葉關(guān)至最小開度時的機組轉(zhuǎn)速，從而達到減少機組在甩負荷后所出現(xiàn)的反向軸向力的目的。第一段采用快速關(guān)閉導葉，使機組轉(zhuǎn)速在上升至最大值前，降低轉(zhuǎn)速上升值;第二段則采用節(jié)流方式，緩慢關(guān)閉導葉。

4 調(diào)節(jié)保證計算

由于導葉采取兩段關(guān)閉，改變了導葉關(guān)閉時間，所以調(diào)節(jié)保證計算必須滿足設計要求。石龍電站機組兩段關(guān)閉經(jīng)充分論證，將一段關(guān)閉的12 s，改為兩段關(guān)閉:第一段5.5 s，第二段34 s，拐點為全關(guān)量的35%;槳葉一段關(guān)閉，時間為60 s。

4.1 調(diào)節(jié)保證計算工況

用優(yōu)化后的關(guān)閉規(guī)律對3種工況進行保證計算，見表2。

表23 種工況參數(shù)

4.2 計算基本數(shù)據(jù)

設計引用流量:123.6 m3/s

最大水頭:37.9 m

最小水頭:31.4 m

額定水頭:31.9 m

水輪機型號:ZZ550-LH-380

額定轉(zhuǎn)速:200 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速:454 r/min

吸出高度:-9.3 m

發(fā)電機GD2:≥2200 t·m2

蝸殼中心高程:435.27 m

4.3 計算方法

該電站水力過渡過程的仿真計算，采用基于有壓管道的連續(xù)方程和運動方程的特征線法求解。以上、下游水位、模型綜合特性曲線為邊界條件，水輪機甩負荷前為初始條件進行迭代計算，最終求得管路每一節(jié)點的壓頭和流量隨時間的變化規(guī)律。

動態(tài)方程:

連續(xù)方程:

計算時將管路系統(tǒng)簡化，如圖1所示。簡化的管路數(shù)據(jù)見表3。

表3 簡化的管路數(shù)據(jù)

4.4 計算結(jié)果

通過上述計算，其結(jié)果見表4。

圖1 管路系統(tǒng)簡化圖

表4 各工況計算結(jié)果

從表4計算數(shù)據(jù)分析，因?qū)~關(guān)閉規(guī)律的優(yōu)化和真空破壞閥動作值的調(diào)整，石龍電站2號機組調(diào)節(jié)保證計算結(jié)果基本滿足了合同要求的調(diào)節(jié)保證值。

5 設備改造后試驗

2010年7月12日改造完成后，重新對2號機進行了甩負荷試驗，試驗數(shù)值見表5。

表5 改造后甩負荷試驗相關(guān)數(shù)據(jù)實測值

6 結(jié)束語

通過改造前后試驗數(shù)據(jù)對比可知，此次改造完全解決了2號機抬機量過大的問題，并為今后預防與解決類似問題積累了經(jīng)驗。