紫坪鋪電廠尾水管臨時(shí)強(qiáng)迫補(bǔ)氣的探索與運(yùn)用

方 戊 強(qiáng)， 李 澤 江， 陳 世 程

(四川省紫坪鋪開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，四川 成都 610091)

1 概 況

紫坪鋪電廠位于四川省都江堰市，距成都用電負(fù)荷中心約60 km，可承擔(dān)電力系統(tǒng)調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用等任務(wù)。電站設(shè)計(jì)安裝4臺(tái)單機(jī)容量為190 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，最高水頭132.76 m，最低水頭68.4 m，尾水管通過(guò)大軸補(bǔ)氣閥進(jìn)行補(bǔ)氣。

2019年4月以前，四川電網(wǎng)與華中電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)采用大網(wǎng)運(yùn)行，系統(tǒng)容量大，省調(diào)很少要求電廠投入AGC(自動(dòng)發(fā)電控制)運(yùn)行，電廠可在負(fù)荷低時(shí)自主選擇機(jī)組停機(jī)；2019年4月以后，四川電網(wǎng)采用小網(wǎng)運(yùn)行，系統(tǒng)容量小，容易受到負(fù)荷波動(dòng)影響，省調(diào)要求電廠投入AGC運(yùn)行，以便隨時(shí)調(diào)頻。這段時(shí)間內(nèi)，1號(hào)機(jī)組在特定工況下存在強(qiáng)烈振動(dòng)、異響。

此后，1號(hào)機(jī)組相繼出現(xiàn)下列問(wèn)題：

(1)2019年5～7月，1號(hào)機(jī)組推力冷卻器端蓋進(jìn)、排水管焊縫處多次開(kāi)裂。

(2)2019年汛后1號(hào)機(jī)組B修，探傷發(fā)現(xiàn)：轉(zhuǎn)輪上冠貫穿性裂紋自內(nèi)圓止口開(kāi)始，經(jīng)9號(hào)葉片出水邊焊縫R角，沿轉(zhuǎn)輪上冠徑向延伸，從上平面斜向下裂穿至下平面，上、下平面層裂紋最大跨度約30 mm,裂紋縱向最大跨度約80 mm、長(zhǎng)度約300 mm。

1號(hào)機(jī)組在特定工況下的異常情況已嚴(yán)重影響設(shè)備的安全運(yùn)行，對(duì)此，針對(duì)1號(hào)機(jī)組開(kāi)展了長(zhǎng)期的分析試驗(yàn)。

2 分析及試驗(yàn)

水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的影響因素一般包括三類(lèi)：電氣因素，機(jī)械因素，水力因素[1]。

2.1 電氣因素分析

檢查機(jī)組報(bào)警信息，未發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子保護(hù)報(bào)警，排除轉(zhuǎn)子繞組短路原因；1號(hào)機(jī)組于2015年汛后進(jìn)行A修，對(duì)比機(jī)組A修與裝機(jī)時(shí)空氣間隙數(shù)據(jù)，兩者基本一致，排除因空氣間隙不均勻造成磁拉力不平衡而產(chǎn)生振動(dòng)的原因。

2.2 機(jī)械因素分析

分別在機(jī)組停機(jī)狀態(tài)、機(jī)組正常運(yùn)行狀態(tài)、機(jī)組異常狀態(tài)下對(duì)機(jī)組進(jìn)行檢查對(duì)比，發(fā)電層、風(fēng)洞內(nèi)、水車(chē)室均未發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象；檢查1號(hào)機(jī)組A修與裝機(jī)時(shí)的數(shù)據(jù)，機(jī)組軸線均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)；在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)查找對(duì)比機(jī)組各部軸承溫度及擺度，均基本一致；在機(jī)組正常運(yùn)行狀態(tài)下及異常情況下對(duì)比各部軸承溫度及擺度，也無(wú)變化；在機(jī)組正常運(yùn)行狀態(tài)下及異常情況下對(duì)比各軸承、上機(jī)架、下機(jī)架、頂蓋振動(dòng)頻譜圖發(fā)現(xiàn)：機(jī)組運(yùn)行異常狀態(tài)下頂蓋水平X向振動(dòng)出現(xiàn)26倍頻振動(dòng)，而機(jī)組正常運(yùn)行情況下并無(wú)26倍頻振動(dòng)。紫坪鋪電廠共有活動(dòng)導(dǎo)葉20個(gè)、轉(zhuǎn)輪葉片11片，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，此處出現(xiàn)的26倍頻與水機(jī)設(shè)備無(wú)關(guān)；聯(lián)系振擺檢測(cè)系統(tǒng)與廠家共同分析：該高頻振動(dòng)應(yīng)與水力因素有關(guān)。

2.3 水力因素分析

混流式水輪機(jī)在偏離最優(yōu)運(yùn)行工況時(shí)，將使轉(zhuǎn)輪出口水流切向分速度增大，水流中出現(xiàn)的環(huán)量使尾水管中心產(chǎn)生低壓并形成螺旋形渦帶。尾水管渦帶通常會(huì)引起機(jī)組部件振動(dòng)、軸系擺動(dòng)、尾水管內(nèi)壓力脈動(dòng)，渦帶的振動(dòng)還可能導(dǎo)致機(jī)組的水力共振時(shí)轉(zhuǎn)輪承受高應(yīng)力而損壞。設(shè)置大軸補(bǔ)氣裝置可削弱渦帶[2]。

對(duì)大軸補(bǔ)氣裝置進(jìn)行檢查：機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)補(bǔ)氣閥正常動(dòng)作；機(jī)組異常狀態(tài)時(shí)大軸補(bǔ)氣閥管路進(jìn)口處沒(méi)有氣流，即大軸補(bǔ)氣未起作用。采用的XBF氣緩沖補(bǔ)氣閥，真空度為-0.005 MPa(試驗(yàn)掛重74 kg)時(shí)，補(bǔ)氣閥開(kāi)啟。將補(bǔ)氣閥開(kāi)啟壓力調(diào)至最小，在機(jī)組異常狀態(tài)時(shí)仍未檢測(cè)到補(bǔ)氣閥動(dòng)作。

2.4 補(bǔ)水、補(bǔ)氣試驗(yàn)

通過(guò)分析試驗(yàn)可知：1號(hào)機(jī)組在特定工況下存在振動(dòng)、異響時(shí)，補(bǔ)氣閥不能開(kāi)啟及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)氣，致使尾水管內(nèi)的水流渦帶引起機(jī)組振動(dòng)、異響的現(xiàn)象。針對(duì)這種情況，嘗試采用射流抑制方法來(lái)抑制尾水管渦帶，分別采用向尾水管強(qiáng)迫補(bǔ)水、補(bǔ)氣兩種方式進(jìn)行試驗(yàn)[3]。

紫坪鋪電廠機(jī)組采用主軸中心孔補(bǔ)氣，但在現(xiàn)場(chǎng)未找到預(yù)留的尾水管強(qiáng)迫補(bǔ)氣管路，只好利用現(xiàn)場(chǎng)其它管路進(jìn)行試驗(yàn)。機(jī)組在頂蓋及尾水管內(nèi)分別設(shè)有內(nèi)、外頂蓋測(cè)壓管—尾水管進(jìn)口真空測(cè)壓管和尾水管底部測(cè)壓管。其中，頂蓋測(cè)壓管測(cè)點(diǎn)均位于轉(zhuǎn)輪上冠上方，尾水管進(jìn)口真空測(cè)壓管測(cè)點(diǎn)位置(圖1)距尾水管錐管頂部1 540 mm。

機(jī)組異常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)分別對(duì)這些管路進(jìn)行強(qiáng)迫補(bǔ)水試驗(yàn)和補(bǔ)氣試驗(yàn)，多次試驗(yàn)結(jié)果表明：自蝸殼測(cè)壓管取壓力約1.0 MPa水向流道內(nèi)補(bǔ)水無(wú)效；使用0.50～0.80 MPa低壓氣，通過(guò)尾水管真空測(cè)壓管進(jìn)行強(qiáng)迫補(bǔ)氣可有效消除機(jī)組異?，F(xiàn)象。

強(qiáng)迫補(bǔ)氣試驗(yàn)的成功表明：機(jī)組異常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，尾水管內(nèi)形成的的螺旋形渦帶，使尾水管內(nèi)的低壓區(qū)偏離大軸補(bǔ)氣閥下方的補(bǔ)氣管，造成補(bǔ)氣閥無(wú)法開(kāi)啟補(bǔ)氣，從而引起機(jī)組振動(dòng)；在尾水管真空測(cè)壓管測(cè)點(diǎn)處進(jìn)行強(qiáng)迫補(bǔ)氣，可破壞尾水管內(nèi)渦帶以消除機(jī)組的異常現(xiàn)象[4]。

由于負(fù)荷一直較重，機(jī)組無(wú)法停機(jī)檢修，必須利用機(jī)組測(cè)壓管路及空氣圍帶供氣系統(tǒng)，加以改造作為尾水管臨時(shí)強(qiáng)迫補(bǔ)氣系統(tǒng)，通過(guò)修改程序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)尾水管強(qiáng)迫補(bǔ)氣，以解決機(jī)組特定工況下的異常問(wèn)題。

3 數(shù)據(jù)收集

1號(hào)機(jī)組在特定水頭和負(fù)荷下的振動(dòng)數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)強(qiáng)迫補(bǔ)氣自動(dòng)控制的第一手資料，其中水頭、振動(dòng)區(qū)有功負(fù)荷范圍、振動(dòng)區(qū)導(dǎo)葉開(kāi)度范圍數(shù)據(jù)是自動(dòng)邏輯控制的重要參數(shù)[5]。通過(guò)巡視記錄及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)收集的1號(hào)機(jī)組在(95～104 m)水頭范圍內(nèi)振動(dòng)情況數(shù)據(jù)見(jiàn)表1：

從表1可以看出：水頭95～104 m、尾水位746.1～746.6 m、有功負(fù)荷在165～195 MW區(qū)間內(nèi)時(shí)，機(jī)組有明顯的異常振動(dòng)和異響。根據(jù)收集的數(shù)據(jù)，結(jié)合電廠實(shí)際情況，最終確定機(jī)組自動(dòng)強(qiáng)迫補(bǔ)氣條件為：機(jī)組有功負(fù)荷在165～195MW區(qū)間，且水頭范圍在95～105 m。

4 管路布置

從1號(hào)機(jī)組水輪機(jī)層上游側(cè)空氣圍帶管路到下游側(cè)機(jī)坑尾水管真空壓力測(cè)壓管依次配管，并在管路上安裝單向節(jié)流閥、流量計(jì)等閥門(mén),在空氣圍帶進(jìn)氣閥門(mén)后配管加裝空氣圍帶排氣閥。在進(jìn)行強(qiáng)迫補(bǔ)氣時(shí)，關(guān)閉空氣圍帶進(jìn)氣閥；檢修時(shí)，打開(kāi)空氣圍帶進(jìn)氣閥，同時(shí)關(guān)閉空氣圍帶排氣閥及強(qiáng)迫補(bǔ)氣進(jìn)氣閥。臨時(shí)補(bǔ)氣測(cè)壓管路布置見(jiàn)圖2：

圖2 臨時(shí)補(bǔ)氣測(cè)壓管路布置示意圖

5 自動(dòng)控制設(shè)計(jì)

根據(jù)確定的自動(dòng)強(qiáng)迫補(bǔ)氣條件，自動(dòng)控制邏輯為：強(qiáng)迫補(bǔ)氣自動(dòng)/手動(dòng)控制方式在自動(dòng)狀態(tài)，機(jī)組在發(fā)電態(tài)，水頭在95～105 m之間，有功負(fù)荷在165～195 MW區(qū)間時(shí)，投入原空氣圍帶電磁閥進(jìn)行強(qiáng)迫補(bǔ)氣。以上條件缺一不可，否則，停止補(bǔ)氣。PLC實(shí)際邏輯為機(jī)組運(yùn)行為0～165 MW時(shí)、運(yùn)行水頭小于95 m 、運(yùn)行水頭大于104 m、機(jī)組不在發(fā)電態(tài)和機(jī)組強(qiáng)迫補(bǔ)氣自動(dòng)/手動(dòng)控制方式在手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，均須退出強(qiáng)迫補(bǔ)氣。

1號(hào)機(jī)組空氣圍帶原開(kāi)關(guān)量、模擬量和相應(yīng)流程變化為：開(kāi)關(guān)量DI35(端子號(hào)DI2-3空氣圍帶有壓) 、DI36(端子號(hào)DI2-4空氣圍帶無(wú)壓)變更為強(qiáng)迫補(bǔ)氣管路有壓/無(wú)壓；模擬量AI9(端子號(hào)AI1-19/20空氣圍帶壓力)變更為強(qiáng)迫補(bǔ)氣管路壓力監(jiān)視；下位機(jī)開(kāi)機(jī)流程中取消關(guān)于空氣圍帶投退的判斷，流程不再確保開(kāi)機(jī)時(shí)空氣圍帶處于退出狀態(tài)。

上位機(jī)增加強(qiáng)迫補(bǔ)氣自動(dòng)/手動(dòng)控制方式，增設(shè)強(qiáng)迫補(bǔ)氣投入/退出按鈕，當(dāng)控制方式在自動(dòng)時(shí)，由PLC自動(dòng)控制強(qiáng)迫補(bǔ)氣投退，閉鎖上位機(jī)投退強(qiáng)迫補(bǔ)氣功能；當(dāng)強(qiáng)迫補(bǔ)氣自動(dòng)/手動(dòng)控制方式在手動(dòng)時(shí)，閉鎖下位機(jī)自動(dòng)控制功能，運(yùn)行人員通過(guò)上位機(jī)強(qiáng)迫補(bǔ)氣投入/退出按鈕操作強(qiáng)迫補(bǔ)氣功能。手動(dòng)閉鎖遠(yuǎn)方操作功能，提供現(xiàn)地操作功能；自動(dòng)方式PLC控制，同時(shí)，可以遠(yuǎn)方手動(dòng)投退強(qiáng)迫補(bǔ)氣功能。

1號(hào)機(jī)組臨時(shí)強(qiáng)迫補(bǔ)氣裝置于2020年6月投入使用，達(dá)到補(bǔ)氣條件時(shí)尾水管強(qiáng)迫補(bǔ)氣自動(dòng)投入，有效消除機(jī)組異常振動(dòng)，目前，機(jī)組已平穩(wěn)度過(guò)兩個(gè)汛期，效果顯著。

6 結(jié) 語(yǔ)

紫坪鋪電廠投入AGC運(yùn)行后，出現(xiàn)機(jī)組特定工況下的異常振動(dòng)現(xiàn)象，極易造成機(jī)組緊固件的松動(dòng)、焊縫開(kāi)裂等情況，嚴(yán)重影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。在機(jī)組不能停機(jī)檢修情況下，尾水管臨時(shí)強(qiáng)迫補(bǔ)氣裝置的應(yīng)用，成功的解決了這個(gè)問(wèn)題，達(dá)到了預(yù)期目的，保證了機(jī)組的安全運(yùn)行。隨著更多電廠投入AGC運(yùn)行，類(lèi)似情況會(huì)逐漸暴露，紫坪鋪電廠的尾水管臨時(shí)強(qiáng)迫補(bǔ)氣系統(tǒng)思路及方案可供其他電廠借鑒參考，以保證設(shè)備安全運(yùn)行。