覃大清，馮伊平，鄭 凱，喬 木，強 杰，張 法，王環(huán)東

（1.哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江省哈爾濱市 150040；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；3.白山發(fā)電廠，吉林省吉林市 132011；4.安徽響水澗抽水蓄能有限公司，安徽省蕪湖市 241000；5.國網(wǎng)新源控股有限公司回龍分公司，河南省南陽市 473002）

白山抽水蓄能電站6號機組甩100%負荷試驗事故分析

覃大清1，馮伊平2，鄭 凱2，喬 木3，強 杰4，張 法5，王環(huán)東2

（1.哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江省哈爾濱市 150040；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761；3.白山發(fā)電廠，吉林省吉林市 132011；4.安徽響水澗抽水蓄能有限公司，安徽省蕪湖市 241000；5.國網(wǎng)新源控股有限公司回龍分公司，河南省南陽市 473002）

白山抽水蓄能電站6號機組B級檢修后進行甩100%負荷試驗時，發(fā)生水車室管路破裂、轉(zhuǎn)輪和導葉等過流部件設備損壞的事故。主要原因是導葉摩擦裝置在機組導葉剪斷銷剪斷后發(fā)生滑動，限位塊保護功能失效導致導葉與轉(zhuǎn)輪相撞擊。對本次甩負荷試驗事故起因及經(jīng)過進行分析，可以讓我們深刻了解導葉保護裝置對電站安全運行的影響，校驗機組導葉接力器的操作容量與導葉保護裝置，能在任何工況下安全可靠的操作導水機構(gòu)，在今后的相關(guān)機構(gòu)設計、工藝操作及電站運維中，引以為鑒，避免此類事故的發(fā)生。

導葉；限位塊；剪斷銷；焊縫高度

0 引言

抽水蓄能電站機組發(fā)電工況甩負荷是一個較為復雜的工況，是對水輪機導葉保護裝置等各機械部件的重要考驗，一旦水輪機部件因為設計計算、安裝質(zhì)量、運行維護等不到位，將會發(fā)生導葉、轉(zhuǎn)輪等設備損壞事故，嚴重時還可能發(fā)生水淹廠房重大事件。因此，確保導葉保護裝置安全可靠對機組在甩負荷等特殊工況下的安全運行具有重要意義。

1 工程概述

白山抽水蓄能電站于2002年8月正式動工，2006年7月機組投產(chǎn)。電站裝有2臺150MW立軸混流可逆式機組，上游輸水系統(tǒng)為一管雙機布置，下游尾水系統(tǒng)為一管一機布置。發(fā)電機出口電壓13.8kV，220kV側(cè)采用兩機一線的電氣主接線方式，通過220kV開關(guān)站接入東北電網(wǎng)。電站6號水輪發(fā)電機組于2005年12月20日投產(chǎn)運行，機組額定水頭105.8m，額定轉(zhuǎn)速200r/min。水泵水輪機共有20個固定導葉和20個活動導葉，轉(zhuǎn)輪共7個葉片。

水電站甩負荷試驗的目的是通過試驗考驗機組在選定的調(diào)速器調(diào)節(jié)參數(shù)下調(diào)節(jié)過程的速動性和穩(wěn)定性，考查調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)調(diào)節(jié)質(zhì)量。根據(jù)甩負荷時所測得的機組轉(zhuǎn)速上升率、蝸殼水壓上升率和尾水管真空值來驗證調(diào)節(jié)保證計算的正確性。檢驗水輪機導葉接力器關(guān)閉規(guī)律的正確性及確定接力器不動時間，檢驗機組勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程的減磁性能及滅磁性能，檢驗過速保護的靈敏度等。

2015年12月10日，白山電站6號機組在B級檢修后先后進行25%、50%、75%、100%甩負荷試驗，在甩75%額定負荷時，轉(zhuǎn)速上升率28.46%，水壓上升率13.14%，與往次試驗數(shù)據(jù)對比無異常，各部件檢查正常，在甩100%負荷時，轉(zhuǎn)速上升率39.6%，水壓上升率21.8%，試驗操作人員發(fā)現(xiàn)在試驗過程中水車室大量竄水、機組振動明顯增大，運行操作人員立即手動投入緊急停機電磁閥，手動關(guān)閉蝶閥，經(jīng)緊急停機后檢查，發(fā)現(xiàn)6號機組水車室排水管、上止漏環(huán)冷卻水管及頂蓋均壓管破裂，檢測人員開蝸殼及尾水管進行進一步檢查，發(fā)現(xiàn)活動導葉、轉(zhuǎn)輪存在不同程度的損壞，蝸殼、尾水道未見異常，蝶閥密封良好。

2 事故現(xiàn)場設備情況分析

通過現(xiàn)場檢查水車室內(nèi)導葉臂轉(zhuǎn)動情況及導葉損傷情況，發(fā)現(xiàn)共有16只活動導葉出現(xiàn)不同程度的損傷，固定導葉直觀檢查未見明顯損傷；共有7個葉片的發(fā)電工況進水邊全部存在不同程度斷裂、變形，斷裂最大深度約100mm；與頂蓋相連的4根Φ219的頂蓋均壓管、5根Φ60的止漏環(huán)冷卻水管路破裂；20個剪斷銷全部斷裂，其中16個可以從斷口進行配對。18只主副拐臂明顯錯位，11號、12號主副拐臂未發(fā)生明顯錯位，剪斷銷孔上下較為平齊，但此處剪斷銷亦完全斷裂；導葉全開、全關(guān)限位塊各20個，16個全關(guān)限位塊從焊縫斷裂，3個全開限位塊焊縫有裂紋且變形，其余完好。

3 相關(guān)計算及工廠試驗結(jié)果

對機組導葉接力器操作容量及導葉保護裝置進行計算，校驗機組導葉接力器的操作容量與導葉保護裝置，能在任何工況下安全可靠的操作導水機構(gòu)。

對導葉水力矩進行計算（包括非全關(guān)位置真機水力矩計算、全關(guān)點的水力矩計算、最大水頭下導葉水力矩計算），最大水力矩位于全關(guān)位置，其方向為關(guān)閉導葉，經(jīng)計算得最大水力矩值為34.8kN·m，導葉水力矩曲線如圖1所示。

圖1 導葉水力矩曲線Fig.1 Guide vane water torque curve

對導葉摩擦力矩進行計算，最大摩擦力矩位于全關(guān)位置，其方向為導葉運動的反方向，經(jīng)計算得最大摩擦力矩值為37.7kN·m，機組單個導葉摩擦力矩曲線如圖2所示。

圖2 機組單個導葉摩擦力矩曲線Fig.2 Sets a single guide blade friction torque curve

對導葉阻力矩進行計算，最大阻力矩位于全關(guān)位置，其方向為關(guān)閉導葉，經(jīng)計算得最大阻力矩值為72.4kN·m，機組單個阻力矩曲線如圖3所示。

對接力器操作容量進行計算，接力器為最小油壓時開啟導葉最小余量為133%，接力器為最小油壓時關(guān)閉導葉最小余量為192%，在最低油壓時接力器操作導葉力矩的最小余量應大于25%，接力操作容量有足夠的安全余量，確保在任何工況下可靠的操作導葉開關(guān)，接力器操作容量曲線如圖4所示。

圖3 機組單個阻力矩曲線Fig.3 Sets a single drag torque curve

圖4 接力器操作容量曲線Fig.4 Relay operation capacity curve

對導葉保護裝置力矩進行計算，在全關(guān)位置，接力器最大操作油壓時傳遞給單個導葉的最大操作力矩值242kN·m，導葉保護裝置力矩為276.74kN·m，單個導葉保護裝置力矩與接力器最大操作力矩比值大于規(guī)定的1.1，最終剪斷銷直徑理論計算結(jié)果為40.58mm；對導葉限位塊作用力與焊縫強度進行計算，全關(guān)位置，在最大水力矩與導葉軸頸摩擦力矩作用下，經(jīng)計算得限位塊作用力為60kN，當剪斷銷與摩擦襯均失效的工況下，限位塊的最大可能作用力為60kN，限位塊焊縫設置為20mm環(huán)狀的角焊縫，經(jīng)計算其承載力為97.5kN，遠遠大于限位塊最大可能作用力，如按圖紙要求焊接，焊縫有足夠的強度使限位塊達到保護導葉的目的。

導葉摩擦保護裝置的作用是當剪斷銷斷裂后防止導葉在水力的作用下發(fā)生自由擺動。白山抽水蓄能機組導葉摩擦保護裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。導葉摩擦襯力矩試驗結(jié)果表明，當連接板把合螺栓按設計預緊力矩3000N·m預緊時，導葉摩擦襯的摩擦力矩滿足設計值70000N·m，并有一定的安全余量，導葉摩擦保護裝置的設計是合理可靠的。

根據(jù)上述計算的結(jié)果和導葉摩擦襯力矩試驗的結(jié)果，可知導葉保護裝置力矩、摩擦襯力矩、剪斷銷力矩、摩擦襯螺栓預緊力矩、剪斷銷直徑、限位塊焊縫的強度設計符合設計標準，有足夠的安全余量，可以確保機組安全可靠運行。

4 事故原因分析

白山抽水蓄能機組導葉摩擦保護裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示。導葉保護裝置由剪斷銷、摩擦限位裝置與導葉限位塊兩部分裝置組成，其功能為：當兩個或多個導葉在關(guān)閉過程中被異物卡住時，導葉及傳動零件應力達到約為2/3材料屈服極限而未破壞時，剪斷銷斷裂，保證其他導葉繼續(xù)關(guān)閉，剪斷銷的作用是當傳動機構(gòu)超過設載荷時自動斷裂，起到保護導葉與傳動機構(gòu)的目的；每個導葉均設有摩擦限位裝置，以防止導葉在保護裝置動作后反復擺動，如果在任何一對導葉之間有障礙物，該裝置不會妨礙控制環(huán)向開或關(guān)方向運動；每個導葉設有導葉限位塊，在最不利的工作條件下根據(jù)可能施加到導葉限位塊上的最大水力矩和沖擊力而設計的，限位塊設在頂蓋和拐臂之間用以限制導葉運動角度，在保護裝置動作的情況下防止松動的導葉對相鄰的導葉或轉(zhuǎn)輪運動的干擾。

圖5 白山抽水蓄能機組導葉摩擦保護裝置結(jié)構(gòu)Fig.5 Baishan pumped storage units guide blade friction protection structure

在機組運行過程中，剪斷銷剪斷本屬于可控的一個事件，其本身不會導致事故的發(fā)生。在本次事故中，由于某種原因?qū)е滤ω摵蓵r產(chǎn)生過大的水力矩，而摩擦襯預緊螺栓夾緊力矩未達到設計值，導致剪斷銷剪斷截面應力超過材料疲勞極限，剪斷銷在長期的交變應力作用下，產(chǎn)生疲勞破壞，在本次甩負荷過程中，在較大的振動與沖擊下，突然發(fā)生斷裂，這是導致剪斷銷剪斷的直接原因。

摩擦裝置的摩擦力矩設計值為70 000N·m，此數(shù)值是基于機組在穩(wěn)態(tài)工況條件運行的設計計算，在甩負荷工況時，導葉與轉(zhuǎn)輪處水流流態(tài)復雜，此時產(chǎn)生的水力矩可能遠大于穩(wěn)態(tài)工況下的最大計算水力矩，當某一個或多個導葉的剪斷銷發(fā)生剪斷后，過大水力矩又克服了這些導葉摩擦裝置的摩擦力矩，使得摩擦裝置產(chǎn)生滑動，摩擦裝置滑動后又導致導葉關(guān)閉的不同步，引發(fā)水力不平衡，使得部分導葉的水力矩繼續(xù)增大。部分導葉摩擦裝置滑動后，水力矩推動導葉快速旋轉(zhuǎn)，導葉臂撞擊全關(guān)限位塊，而后因為限位塊脫落的原因引發(fā)了導葉間相互碰撞。過大的不平衡水力矩和導葉間的碰撞，在使得所有導葉剪斷銷均被剪斷后，摩擦裝置相繼滑動。水力矩推動導葉快速關(guān)閉，使得導葉臂撞擊限位塊。

表1為焊縫高度與最大載荷對應表，根據(jù)限位塊作用力及焊縫計算結(jié)果可知，限位塊最大可能作用力為60kN，焊縫最大承載力為97.5kN，遠遠大于限位塊最大可能作用力，限位塊焊縫強度足可以滿足機組安全可靠運行，圖紙要求限位塊與頂蓋之的結(jié)合焊縫為環(huán)狀20mm角焊縫，但現(xiàn)場觀察環(huán)狀焊縫約為10mm角焊縫，其承載力約為49kN，遠小于限位塊最大可能作用力60kN，當此力作用于限位塊上時，必然導致焊縫破壞，這致使導葉限位塊被導葉臂撞擊脫落，導葉臂自由旋轉(zhuǎn)，導葉失控后與轉(zhuǎn)輪撞擊。導葉和轉(zhuǎn)輪葉片受損，導葉臂翻轉(zhuǎn)撞擊頂蓋上相關(guān)管路，導致水車室跑水。

表1 焊縫高度與最大載荷對應表Tab.1 Weld height and maximum load corresponding

5 結(jié)束語

本次事故分析總結(jié)表明：導葉摩擦裝置在機組導葉剪斷銷剪斷后發(fā)生滑動是導致此次事故的直接原因，當摩擦裝置無法承受甩負荷時的瞬時水力矩而發(fā)生滑動時，導葉全關(guān)位置限位塊未按圖紙要求進行焊接，限位塊保護功能失效導致導葉與轉(zhuǎn)輪相撞擊是本次事故的主要原因，也是事故擴大的重要原因。據(jù)此，提出以下建議：

（1）水泵水輪機結(jié)構(gòu)型式應采用安全可靠的導葉保護裝置。在任何情況下，導葉與轉(zhuǎn)輪均不會發(fā)生碰撞。

（2）在設計時應對包括甩負荷在內(nèi)各種工況下的動態(tài)水力矩進行分析計算，合理估算暫態(tài)工況的最大水力矩，以確定剪斷銷的剪斷值、摩擦襯的動作值和限位塊的焊接尺寸，確保導葉保護裝置具有足夠的安全裕度。

（3）限位塊應優(yōu)先考慮與固定部件采用一體化設計和工廠焊接；同時還應將摩擦襯力矩試驗納入出廠驗收試驗項目等。

（4）正常運行下，水電站機組甩負荷時有發(fā)生。作為啟動驗收重要一部分，機組甩負荷試驗有著它不可替代的地位，它關(guān)乎電站的安全穩(wěn)定運行。只有機組各部分穩(wěn)定可靠運行，才能保證機組廠房在甩負荷下的安全。

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Baishan Pumped Storage Power Plant Unit 6 100% Load Rejection Test Accident Analysis

QIN Daqing1，F(xiàn)ENG Yiping2，ZHENG Kai2，QIAO Mu3，QIANG Jie4，ZHANG Fa5，WANG Huandong2
（1.Harbin Electric Machinery Co.，Ltd，Harbin 150040，China；2.State Grid XinYuan Company Ltd，Beijing 100761，China；3.Baishan Power Plant，Jilin 132011，China ；4.Anhui Xiang Shui Jian Pumped Storage Power Station，Wuhu 241000，China；5.State Grid XinYuan Company Ltd.Hui Long Branch，Nanyang 473002）

A accident was occurred on the unit 6 of Baishan pumped storage power station.during the 100% load rejection test after a B class maintenance.The equipments of flow components，such as runner and guide vane，had been damaged.The water pipes on the head cover had been cut by guide vane arms and caused the leakage.The main reason is the sliding vane friction device in turbine guide vane cut off after the limit block protection function resulted from the failure of the guide vane and runner impact.The cause of the accident after the load rejection test and analysis，we can make a deep understanding of influence of guide vane protection device for safe operation of the power station，the guide vane servomotor check unit operation capacity and guide vane protection device，can be in any condition safe and reliable operation of the hydraulic mechanism，a design，in the relevant institutions in the process operation and power plant operation and maintenance，to avoid such accidents.

guide vane；limit block；shear pin；weld height

TV734.1 文獻標識碼：A 學科代碼：570.30 DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2016.06.002

2016-5-23

覃大清（1965—），男，教授級高工，全國水輪機標準化委員會秘書長，哈爾濱電機廠副總工程師，主要研究方向：（水泵）水輪機研發(fā)。E-mail：qindq@hec-china.com

馮伊平（1963 —），男，高級工程師，主要研究方向：水電站（含蓄能）生產(chǎn)管理。E-mail：yiping-feng@sgxy.sgcc.com.cn

鄭 凱（1981—），男，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站水力機械設備技術(shù)管理。E-mail：kai-zheng@sgxy.sgcc.com.cn

喬 木（1981—），男，工程師，主要研究方向：水電站運維檢修管理。E-mail：mu-qiao@sgxy.sgcc.com.cn

強 杰（1985—），男，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站水機專業(yè)管理。E-mail：jie-qiang@sgxy.sgcc.com.cn

張 法（1980—），男，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站運維檢修管理。E-mail：fa-zhang@sgxy.sgcc.com.cn

王環(huán)東（1974—），男，工程師，主要研究方向：水電站運維檢修管理。E-mail：huandong-wang@sgxy.sgcc.com.cn