三峡库区大型机组抬负荷原因分析及防范措施

三峡库区大型机组抬负荷原因分析及防范措施

满天星水库位于兴山县古福市满天星，2.50万元。本发货厂类型为zzjk508-lh-220，最大水箱为21.73m，最小码头为13.86m，最大室内负荷为19.9m，标准流量为32.23ms，标准负荷为5600kg，标准旋转速度为250r/min。2003年机组投入运行后在导叶关闭过程中甩负荷时常出现抬机现象,使机组振动并导致#5推力瓦位移造成烧瓦事故。鉴此,本文对该抬机现象进行了理论分析,并提出了防范措施。1轴流式水轮机的水推力抬机原因可能有两种:①机组甩负荷时,尾水管内出现反向水击。导叶快速关闭时,由于水流惯性,导致尾水管中的真空度增加,同时水流在下游水压力作用下减速停止并反向运动撞击转轮叶片,引起向上水力冲击,产生反水锤。②水轮机进入轴流泵工况产生向上轴向水推力。负吸出高程的轴流式水轮机,即使导叶关闭,切断上游来水,转轮室仍充满水,由于机组转动部分的惯性使转轮仍旋转,将水流向下推动,同时产生向上轴向水推力——水泵升力,当大于机组转动部分重量时就会造成抬机。而实际抬机现象往往是轴流泵工况与尾水管反水锤同时存在,仅是在不同水力条件下两者影响程度不同。根据水轮机力特性实验可知,转轮叶片水压力(升力)为:P=P2oc+P2u−−−−−−−√=P′1D21HΡ=Ρoc2+Ρu2=Ρ′1D12Η(1)其中Poc=k(π/4)D2112HmaxPu=P′1uD2112HP′1=P′21oc+P′21u−−−−−−−−−−√Ρ′1=Ρ′1oc2+Ρ′1u2式中,Poc为轴向力;Pu为水平力;D1为转轮直径,m;H为水头,m;k为水推力系数;P′1、P′1u、P′1oc分别为单位全水压力系数、水平分力系数、轴向力系数,kg·m3。轮机转轮叶片水力矩为:MS=CM(Q2/D1)=HD3113Q′21CM(2)式中,CM为水力矩系数;Q为流量,m3/s。轴流式水轮机在甩负荷过渡过程中,当转速上升至最大值时,轴向水推力为零。导叶继续关闭,水轮机进入制动(水泵)工况,轴向力为轴向反水推力。对立式水轮机,当反水推力大于转动惯量时,转动部分上抬;对轴流式水轮机,轴向水推力与叶片转角有关,当转轮叶片多、转角小时,水推力系数k大,由式(2)得轴向力大。因此,轴流转桨式水轮机在不同工况下的轴向水推力不同:①在定桨工况下,单位转速小时叶片水力矩为关闭方向,当单位转速增大时水力矩由关闭转为开启方向。同时在飞逸转速时,水力矩达最大。水力矩大小与方向的改变是因为在工况变化时叶片上升力的作用点发生了变化。②在导叶与桨叶协联工况下,流量变化对水力矩影响较小,而当单位转速变化时,叶片水力矩变化较大。满天星电站水轮机安装高程168.78m,最低尾水位174.00m,吸出高度-5.22m,为负吸出高度。每次甩负荷抬机均在导叶完全关闭后几秒才发生,抬起一定高度、维持一段时间后落下。究其原因是反水锤和水泵升力共同作用的结果,水泵升力占主导地位。2采取预防措施2.1降压机时真空破坏阀盘中出现降压药不足现象为消除甩负荷引起的抬机现象,一般采用安装真空破坏阀向转轮室补足充足空气。在水轮机顶盖上装几个真空破坏阀,当导叶迅速关闭时,真空破坏阀自动打开补气。尾水回流时,将受到封闭于转轮室内空气阻挡,不触及转轮从而消除抬机。满天星电站虽在设计时加装了真空破坏阀但仍发生抬机。其原因:①真空破坏阀调整不准确,动作不可靠,有的真空破坏阀尚未动作,导致甩负荷时补气量不足,以至回流碰及转轮。②受尾水水位影响,尾水位越高,水流减速越明显,缩短了水流向前运动的时间和距离,从而造成补气量不足。满天星电站位于三峡库区上游,当三峡蓄水达175m高程时,尾水位抬高1m,因此抬机现象严重。③密封不好。主轴密封、真空破坏阀密封不良,特别是尾水十字补气架气阀开启补充入转轮室的气体在尾水回流时易被排出,对水流毫无阻挡,从而形成反水锤。为防止上述现象产生,①常检查主轴、真空破坏阀的密封并更换有问题的密封装置,关闭十字补气架的气阀。②加大甩负荷时向转轮式的补气量。在确保机组正常运行时真空破坏阀阀盘处不漏水的条件下进一步降低真空破坏阀的弹簧力,从而增加补气量;再通过机组自动控制系统,在机组出现甩负荷时打开压缩空气阀门,将储气罐的压缩空气自动补进转轮室。③利用尾水管锥管的补气管补气。补气量最好控制在导叶全关闭的0.2s内完成,过早或过迟均影响效果。2.2分段关闭规律满天星电站调速器采用DKST-80-2.5型调速器,关机回路中有分段关闭阀,可实行分段关闭导叶。由于机组投产时,设计院未提供机组调保计算书,为提早发电,未精确设置分段关闭参数就开机试运行,导致机组抬机现象严重。为消除抬机现象,在现场对机组进行了甩100%负荷时过渡过程特性实验:导叶由100%关至空载27%时间为4.3s,导叶由100%关至全关时间为5s。可见,导叶关闭基本上按5s直线关闭规律,显然分段关闭参数设置不合理。若导叶采取优化两段折线关闭规律方式,限制轴向水推力大小即可完全避免抬机现象。第一段导叶关闭速度快,在蜗壳水压上升允许条件下迅速进入水泵工况区,以确保机组转速上升在规定值内。第二段导叶关闭慢(时长为第一段的5～6倍),同样可确保水轮机长时间处于水泵工况区,机组受制动转矩转速将一直下降,且轴向水推力小于机组转动部分重量,因而避免抬机现象发生。导叶两段关闭后,可降低机组转速上升值和蜗壳水压上升值,同时还可改善机组运行工况。通过现场调整调速器运行参数,将导叶由100%关至空载27%时间调为5s,导叶从100%关至全关时间为8s。优化参数实现了导叶两段折线关闭,彻底消除了抬机现象,确保了满天星电站机组安全稳定运行。2.3轴流泵工况下的抬机力对尾水反冲与轴流泵工况共同作用引起的抬机现象,用上述措施均不能防止,仅能减小尾水管反水锤造成的抬机力,而轴流泵工况下形成的抬机力依然存在。因此,在机组甩负荷后采用诸如水地阻制动之类的办法,使其尽快停止旋转,从而减小轴流泵工况运行形成的抬机力,