馬錦彪，孫 永

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司潘家口蓄能電廠，河北 唐山064309）

1 潘家口調(diào)相壓水系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 調(diào)相壓水系統(tǒng)的組成

潘家口電廠調(diào)相壓水系統(tǒng)由水機(jī)設(shè)備、尾水管水位測(cè)量系統(tǒng)（壓水浮子）、壓縮空氣供氣系統(tǒng)、壓氣及排氣閥門(mén)系統(tǒng)以及其控制系統(tǒng)、水環(huán)形成、排放及其控制系統(tǒng)等組成，其系統(tǒng)組成圖見(jiàn)圖1，管路示意圖見(jiàn)圖2。

圖1 調(diào)相壓水系統(tǒng)組成圖

1.2 潘家口電廠機(jī)組調(diào)相壓水控制介紹

潘家口電廠水泵水輪機(jī)及其輔助設(shè)備為蘇爾壽（現(xiàn)安德里茨）公司提供，水泵額定出力為67MW或90MW，水泵額定轉(zhuǎn)速為125/min或142.8r/min，轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑為5600mm，調(diào)相壓氣氣源采用中壓氣系統(tǒng)，額定氣壓為6.0MPa，各機(jī)組配置2個(gè)調(diào)相氣罐補(bǔ)氣，機(jī)組補(bǔ)氣罐通過(guò)2個(gè)公用氣罐補(bǔ)氣（設(shè)有單相閥），公用氣罐通過(guò)4臺(tái)中壓空壓機(jī)補(bǔ)氣，正常運(yùn)行時(shí)，為保證各個(gè)機(jī)組壓水氣源的充足，各機(jī)組間調(diào)相氣罐互相獨(dú)立。

圖2 管路示意圖

機(jī)組調(diào)相壓水及回水閥門(mén)包括調(diào)相壓氣進(jìn)氣閥（375）、調(diào)相壓水排氣閥（376），調(diào)相壓水過(guò)程中還須操作的閥門(mén)有迷宮噴水閥（373）、水環(huán)排水閥（374）；壓水浮子布置于尾水錐管室，分為壓水水位高（跳機(jī)接點(diǎn)），壓水水位正常接點(diǎn)（抽水開(kāi)機(jī)條件判斷接點(diǎn)），開(kāi)壓水進(jìn)氣閥接點(diǎn)（補(bǔ)氣接點(diǎn)，最初程序中無(wú)此點(diǎn)，機(jī)組調(diào)試期間發(fā)電調(diào)相時(shí)水位上升導(dǎo)致跳閘后新加接點(diǎn)），關(guān)壓水進(jìn)氣閥接點(diǎn)（停止補(bǔ)氣），壓水水位低（報(bào)警接點(diǎn)）組成。

當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出由停機(jī)轉(zhuǎn)抽水運(yùn)行令時(shí)，程序首先判斷調(diào)相氣罐壓力以及壓水水位正常后，流程同時(shí)打開(kāi)迷宮噴水閥（373）與水環(huán)排水閥（374），當(dāng)373打開(kāi)和374打開(kāi)后立即開(kāi)啟調(diào)相壓水進(jìn)氣閥（375）進(jìn)氣壓水，由于轉(zhuǎn)輪直徑較大，進(jìn)氣采用從頂蓋進(jìn)氣和尾水進(jìn)氣兩種方式進(jìn)入轉(zhuǎn)輪室，排氣則僅由頂蓋排出。其中壓水進(jìn)氣閥正常情況通過(guò)延時(shí)模塊實(shí)現(xiàn)關(guān)閉，時(shí)間整定為60s，為了防止壓水過(guò)度，當(dāng)壓水水位壓到關(guān)壓水進(jìn)氣閥接點(diǎn)時(shí)則關(guān)閉壓水進(jìn)氣閥（現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際壓氣時(shí)間一般在5～10s內(nèi)）。在壓氣同時(shí)通過(guò)變頻器拖動(dòng)機(jī)組在空氣中旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，程序發(fā)令關(guān)閉水環(huán)排水閥，同時(shí)打開(kāi)調(diào)相壓水排氣閥，并監(jiān)視水環(huán)壓力。由于我廠抽水含2種轉(zhuǎn)速，故水環(huán)處壓力定值同樣采取2套定值，當(dāng)進(jìn)行125r/min抽水時(shí)，采取第1組定值（0.4MPa），當(dāng)進(jìn)行142.8r/min抽水時(shí)，采取第2組定值（0.6MPa），當(dāng)水環(huán)壓力達(dá)到動(dòng)作值壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作后，即發(fā)出關(guān)閉壓水排氣閥和迷宮噴水閥信號(hào)，上述2個(gè)閥門(mén)關(guān)閉后立即打開(kāi)導(dǎo)葉，進(jìn)入抽水穩(wěn)態(tài)，整個(gè)壓水及排氣過(guò)程結(jié)束。

1.3 水環(huán)的作用、形成及特點(diǎn)

水環(huán)的作用是在調(diào)相壓水運(yùn)行過(guò)程中，在轉(zhuǎn)輪室與蝸殼間形成一層水密封，防止大量氣體進(jìn)入蝸殼。潘家口電廠水環(huán)形成方式是利用壓力差使壓力鋼管內(nèi)水通過(guò)導(dǎo)水葉的立面和端面間隙形成水環(huán)，但在實(shí)際運(yùn)行中，由于轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的離心力，將上下迷宮冷卻水供水同樣甩向了蝸殼座環(huán)處，造成了潘家口電廠水環(huán)過(guò)厚，水環(huán)過(guò)厚將導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)加大，迷宮溫度上升，因此必須采取一定的排水措施防止水環(huán)過(guò)厚。為確?？煽康臏p少水環(huán)厚度，潘家口電廠通過(guò)設(shè)置水環(huán)排水管路方式，使多余的水排向尾水管，由于以上特點(diǎn)造成了潘家口電廠水環(huán)排水管路直徑（DN400）遠(yuǎn)大于上下迷宮供水管直徑（DN150）。且電站也曾多次出現(xiàn)過(guò)由于導(dǎo)葉漏水量過(guò)大而導(dǎo)致抽水啟動(dòng)失敗的案例，但若是盲目加大水環(huán)排水管路管徑，又會(huì)造成水環(huán)過(guò)薄導(dǎo)致水環(huán)無(wú)法形成，大量氣體將直接進(jìn)入蝸殼，造成啟動(dòng)不成功。此問(wèn)題一直困擾潘家口電廠多年，故在此提醒類似低水頭抽蓄機(jī)組在設(shè)計(jì)時(shí)注意水環(huán)的形成方式與水環(huán)厚度的控制方式，以免出現(xiàn)類似問(wèn)題。

2 2號(hào)機(jī)組抽水導(dǎo)致3號(hào)主變跳閘過(guò)程簡(jiǎn)述

在2018年3月27日，潘家口電廠2號(hào)機(jī)組A修結(jié)束后在進(jìn)行抽水啟動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，2號(hào)機(jī)組經(jīng)3號(hào)機(jī)組背2號(hào)機(jī)組BTB抽水啟動(dòng)成功后，2號(hào)機(jī)組抽水運(yùn)行，3號(hào)機(jī)組在停機(jī)過(guò)程中，突然3號(hào)主變處發(fā)出巨響，且3號(hào)主變出口開(kāi)關(guān)2203開(kāi)關(guān)跳閘，監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)“3號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作”、“3號(hào)主變出口2203開(kāi)關(guān)跳閘”。跳閘后3號(hào)主變處存在大量積水（本日天氣晴，非雨水導(dǎo)致地面積水）。

3 跳閘問(wèn)題原因分析

事故發(fā)生后立即組織了人員對(duì)3號(hào)主變差動(dòng)保護(hù)回路進(jìn)行檢查和對(duì)保護(hù)裝置進(jìn)行校驗(yàn)，檢查與校驗(yàn)結(jié)果均正常，而后通過(guò)保護(hù)錄波及故障錄波看出了3號(hào)主變高壓側(cè)C相電壓瞬間降低且電流明顯增大。通過(guò)保護(hù)裝置調(diào)取波形C相電流二次有效值達(dá)到了68.416A，單相差流超過(guò)主變差動(dòng)保護(hù)啟動(dòng)定值（0.9A）從而導(dǎo)致差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作正確，故障持續(xù)時(shí)間為56ms。

對(duì)主變消防系統(tǒng)進(jìn)行了檢查，消防主機(jī)無(wú)主變噴淋啟動(dòng)記錄，且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)消防噴淋頭進(jìn)行檢查無(wú)噴淋動(dòng)作痕跡，確認(rèn)了現(xiàn)場(chǎng)積水非主變噴淋動(dòng)作后導(dǎo)致C相接地以及地面積水。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)水印進(jìn)一步觀察，發(fā)現(xiàn)噴水來(lái)自壩上，查看工業(yè)電視監(jiān)控歷史錄像發(fā)現(xiàn)為2號(hào)機(jī)組調(diào)壓管出口處噴水，而2號(hào)機(jī)組調(diào)壓管出口恰好布置于3號(hào)主變高壓側(cè)母線上方，故確定跳閘原因?yàn)檎{(diào)壓管噴水淋到母線上造成3號(hào)主變高壓側(cè)C相接地導(dǎo)致跳閘。

但2號(hào)機(jī)組運(yùn)行正常，除開(kāi)機(jī)時(shí)振動(dòng)較大外無(wú)其他異常跡象。需進(jìn)一步分析2號(hào)機(jī)調(diào)壓管為何會(huì)噴水，檢查2號(hào)機(jī)組進(jìn)水口快速門(mén)并未落下，故不可能因?yàn)榭焖匍T(mén)落下的原因?qū)е滤畯恼{(diào)壓管噴出。

對(duì)2號(hào)機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程中蝸殼、轉(zhuǎn)輪室壓力、水環(huán)壓力等曲線進(jìn)行調(diào)取查詢，發(fā)現(xiàn)蝸殼內(nèi)壓力在開(kāi)機(jī)過(guò)程中存在較大波動(dòng)，且水環(huán)壓力出現(xiàn)明顯異常，如圖3。

圖3 調(diào)壓井噴水時(shí)水環(huán)壓力曲線

2號(hào)機(jī)組水環(huán)壓力僅為0.27MPa左右不再變化，將此次開(kāi)機(jī)水環(huán)曲線與其他機(jī)組正常開(kāi)機(jī)時(shí)水環(huán)曲線進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)了明顯不同，正常開(kāi)機(jī)過(guò)程中水環(huán)壓力應(yīng)是持續(xù)上升的過(guò)程直到機(jī)組導(dǎo)葉打開(kāi)后再下降，如圖4。

圖4 水環(huán)壓力正常曲線

我廠142.8r/min水環(huán)壓力的定值為0.6MPa，通過(guò)曲線看出現(xiàn)場(chǎng)導(dǎo)葉打開(kāi)時(shí)實(shí)際水環(huán)壓力與定值相差太多，現(xiàn)場(chǎng)在水環(huán)壓力0.27MPa時(shí)即打開(kāi)了導(dǎo)葉，故分析原因可能為水環(huán)壓力控制單元出現(xiàn)問(wèn)題而導(dǎo)致未達(dá)到定值即打開(kāi)了導(dǎo)葉。對(duì)整個(gè)控制回路進(jìn)行排查后，并未發(fā)現(xiàn)異常情況，故對(duì)水環(huán)壓力開(kāi)關(guān)進(jìn)行了校驗(yàn)，結(jié)果如表1。

表1 壓力開(kāi)關(guān)校驗(yàn)記錄表

現(xiàn)場(chǎng)整定值與定值相差太多，對(duì)此回路進(jìn)一步梳理，如圖5。

水環(huán)壓力開(kāi)關(guān)用于調(diào)相壓水排氣閥關(guān)閉動(dòng)作信號(hào)。故進(jìn)一步對(duì)機(jī)組調(diào)相壓水排氣閥排氣時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并與3、4號(hào)機(jī)組做橫向?qū)Ρ?，與2號(hào)機(jī)組做縱向?qū)Ρ龋ㄒ?jiàn)表 2）。

圖5 水環(huán)壓力控制流程

表2 調(diào)相壓水排氣閥376排氣時(shí)間統(tǒng)計(jì)表

本次2號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪室排氣時(shí)間明顯過(guò)短，與正常情況相差達(dá)80s左右，因?yàn)榕艢鈺r(shí)間過(guò)短，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪室內(nèi)空氣并未完全排空，轉(zhuǎn)輪室仍存在大量空氣，水環(huán)壓力在并未達(dá)到正常開(kāi)導(dǎo)葉壓力的情況下，由于定值誤整定造成導(dǎo)葉提前打開(kāi)，故導(dǎo)致2號(hào)機(jī)組在抽水啟動(dòng)過(guò)程中導(dǎo)葉振動(dòng)過(guò)大，調(diào)相壓水排氣376與373迷宮噴水閥關(guān)閉后，流程將電調(diào)直接用于水泵運(yùn)行，并立即打開(kāi)導(dǎo)葉，如圖6。

圖6 壓水系統(tǒng)控制流程

故得出結(jié)論，調(diào)壓井噴水原因?yàn)闄C(jī)組轉(zhuǎn)輪室壓水用氣未完全排出，轉(zhuǎn)輪室殘留的氣體隨著抽水水流進(jìn)入壓力鋼管，殘留氣體形成氣泡在調(diào)壓管處聚集，當(dāng)“氣泡”壓力達(dá)到一定數(shù)值時(shí)產(chǎn)生爆裂在調(diào)壓管內(nèi)產(chǎn)生浪涌。同時(shí)因?yàn)楫?dāng)前潘家口水庫(kù)水位處于223.6m的較高水位，調(diào)壓管內(nèi)的水位與上水庫(kù)水位相同，距離調(diào)壓管排水口下沿僅有1.1m的距離，氣泡爆裂產(chǎn)生的浪涌造成調(diào)壓管噴水，導(dǎo)致處于調(diào)壓管正下方的3號(hào)主變高壓側(cè)C相引線接地故障，差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，導(dǎo)致3號(hào)主變出口2203開(kāi)關(guān)跳閘。其噴水過(guò)程簡(jiǎn)圖如圖7所示。

圖7 調(diào)壓口噴水示意圖

4 問(wèn)題處理與擴(kuò)展

在將水環(huán)壓力開(kāi)關(guān)定值進(jìn)行重新整定后，隨后進(jìn)行抽水啟動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果與推斷的原因相符。造成本次事故的根源主要原因?yàn)樵O(shè)備責(zé)任人工作經(jīng)驗(yàn)不足，責(zé)任心不強(qiáng)，對(duì)設(shè)備定值掌握不熟練，壓力開(kāi)關(guān)校驗(yàn)后驗(yàn)收把關(guān)不嚴(yán)，未注重檢修全過(guò)程管理導(dǎo)致壓力開(kāi)關(guān)整定值錯(cuò)誤。為防止此類事件再次發(fā)生，同時(shí)為了預(yù)防運(yùn)行過(guò)程中壓力開(kāi)關(guān)損壞或定值發(fā)生變化，故對(duì)調(diào)相壓水系統(tǒng)流程的設(shè)計(jì)進(jìn)行了完善。除判斷壓力開(kāi)關(guān)的動(dòng)作信號(hào)之外，額外增加一個(gè)模擬量的控制信號(hào)（水環(huán)壓力大于0.6MPa），具體控制方式是將水環(huán)壓力開(kāi)關(guān)動(dòng)作信號(hào)與水環(huán)壓力模擬信號(hào)（模擬信號(hào)兩路任選其一）串聯(lián)使用，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)同時(shí)滿足后程序方執(zhí)行下一步。

采取此種修改程序的方法雖從側(cè)面上解決了抽蓄機(jī)組在抽水啟動(dòng)過(guò)程中調(diào)壓管噴水的問(wèn)題，但其控制程序繁瑣故障率變高且并未從根源上將此缺陷消除，發(fā)生此次事故的根源在于調(diào)壓管與主變出口母線之間的布置方式存在隱患，但造成此隱患原因并非來(lái)自機(jī)組投運(yùn)后，而在于電站初期設(shè)計(jì)導(dǎo)致。故在此提醒新建此類的壩后式電站時(shí)注意機(jī)組的調(diào)壓管、母線、主變等設(shè)備的布置形式，此次事故雖人員責(zé)任較大，但若不采取母線布置于調(diào)壓管下端的方式，此次事故完全可避免。

雖其他壩后式電站不一定具有抽水啟動(dòng)工況，但調(diào)壓井噴水的情況還會(huì)發(fā)生在機(jī)組檢修完成后首次提進(jìn)水口閘門(mén)對(duì)流道進(jìn)行充水時(shí)，若充水閥打開(kāi)過(guò)大且壓力鋼管較長(zhǎng)，同樣會(huì)導(dǎo)致大量蝸殼、鋼管中的氣體在回到上游過(guò)程中導(dǎo)致調(diào)壓管噴水。大大加大了日常運(yùn)維人員的操作風(fēng)險(xiǎn)，并使操作時(shí)間大幅度增加。建議采用此種調(diào)壓方式的電廠結(jié)合自身實(shí)際對(duì)調(diào)壓管出口進(jìn)行合理改造，防止出現(xiàn)類似事故，降低運(yùn)維風(fēng)險(xiǎn)與工作人員難度與時(shí)間。我廠現(xiàn)擬對(duì)調(diào)壓井出口進(jìn)行改造，將出口通過(guò)軟管接至壩上，從根源上防止此類事故的再次發(fā)生。

5 結(jié)束語(yǔ)

抽水運(yùn)行是抽水蓄能機(jī)組一個(gè)重要的運(yùn)行工況，機(jī)組抽水啟動(dòng)、運(yùn)行穩(wěn)定性取決于水機(jī)設(shè)計(jì)和安裝、機(jī)組運(yùn)行水頭以及調(diào)相壓水以及回水的控制設(shè)計(jì)。其中調(diào)相壓水以及回水的控制系統(tǒng)涉及到監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)、水機(jī)閥門(mén)組動(dòng)作、反饋，輔助系統(tǒng)的運(yùn)行等等方面。本文從問(wèn)題出現(xiàn)到問(wèn)題解決進(jìn)行了詳細(xì)地分析研究，對(duì)可能存在的問(wèn)題逐一排查，最終找到發(fā)生問(wèn)題的原因并將問(wèn)題解決，確保機(jī)組抽水啟動(dòng)的安全，并對(duì)問(wèn)題發(fā)生的根源進(jìn)行了進(jìn)一步的擴(kuò)展。希望通過(guò)本文給存在相似問(wèn)題的水電廠提供一個(gè)解決問(wèn)題的方向，并提醒設(shè)計(jì)新建壩后式電站時(shí)注意調(diào)壓井與母線的布置方式。