豆樂飛，趙業(yè)文，胡婷婷

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133）

0 引言

水電站調(diào)速系統(tǒng)的壓力油罐是保證機(jī)組正常運(yùn)行的重要儲(chǔ)能裝置。罐內(nèi)大量的壓縮空氣保證了調(diào)速系統(tǒng)工作壓力的穩(wěn)定。當(dāng)氣量減少時(shí)，供氣系統(tǒng)會(huì)對(duì)壓力油罐進(jìn)行補(bǔ)氣操作，若此時(shí)供氣系統(tǒng)壓力低于壓力油罐正常工作壓力，可能會(huì)出現(xiàn)壓力油罐向供氣系統(tǒng)反向供氣現(xiàn)象，進(jìn)而造成壓力油罐、回油箱油位異常，威脅到機(jī)組的正常運(yùn)行。通過對(duì)供氣干管加裝壓力監(jiān)控、補(bǔ)氣裝置加裝單向閥、自動(dòng)補(bǔ)氣裝置的開啟增加閉鎖條件等措施，可以有效避免這一現(xiàn)象發(fā)生。

1 調(diào)速系統(tǒng)壓油裝置及其供氣系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 調(diào)速系統(tǒng)壓油裝置簡(jiǎn)介

水電站調(diào)速系統(tǒng)是保證機(jī)組正常運(yùn)行的核心系統(tǒng)，機(jī)組的開度控制、頻率控制和功率控制等都需要通過調(diào)速系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。如圖1 所示，某電站右岸Alstom 機(jī)型調(diào)速系統(tǒng)主要由壓油裝置、主配壓閥、事故配壓閥、接力器、分段關(guān)閉裝置、過速裝置、冷卻器、各過濾器和各控制閥組等組成。其中壓油裝置是調(diào)速系統(tǒng)重要的動(dòng)力供應(yīng)裝置，由3～4 臺(tái)160 kW 的三螺桿油泵、油泵出口閥組（負(fù)責(zé)油泵的加載、卸載和超壓保護(hù)）、1 個(gè)22 m3的回油箱、1 個(gè)16 m3的油罐、1 個(gè)16 m3的氣罐和補(bǔ)氣裝置等組成。系統(tǒng)的正常工作壓力范圍6.1 MPa～6.3 MPa。主供油管管徑200 mm。

圖1 調(diào)速系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)布置圖

1.2 壓油裝置供氣系統(tǒng)簡(jiǎn)介

如圖2 所示， 某電站右岸壓油裝置供氣系統(tǒng)由3 臺(tái)型號(hào)為H280-WL、壓力等級(jí)為10 MPa、排氣量為3.4 m3/min 的活塞式空壓機(jī)、2 個(gè)額定工作壓力為10 MPa 的4m3屋內(nèi)立式儲(chǔ)氣罐、兩路出口減壓閥管路等組成。兩個(gè)儲(chǔ)氣罐的正常工作壓力范圍為8.6 MPa～9.0 MPa。儲(chǔ)氣罐出口有兩路減壓閥管路，“一主一備”并聯(lián)布置。減壓閥將儲(chǔ)氣罐的壓力降至6.8 MPa～7.3MPa，減壓后的壓縮空氣由油壓裝置供氣干管供給機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)壓力油罐使用。

圖2 壓油裝置供氣系統(tǒng)圖

2 壓力油罐油氣比控制原理

壓力油罐是調(diào)速系統(tǒng)重要的儲(chǔ)能裝置。罐內(nèi)蓄積的壓力油保證了調(diào)速系統(tǒng)的介質(zhì)供應(yīng)，蓄積的壓縮空氣保證了調(diào)速系統(tǒng)工作壓力的穩(wěn)定。正常情況下，罐內(nèi)應(yīng)保持合適的油氣比，以保證油量和氣量的平衡。油量和氣量之間為此消彼長(zhǎng)的關(guān)系，當(dāng)氣量偏少時(shí)，油泵會(huì)向壓力油罐注入更多的油量以維持系統(tǒng)壓力的穩(wěn)定，壓力油罐油位就會(huì)偏高；反之，壓力油罐油位就會(huì)偏低。以某電站右岸Alstom 機(jī)型21F 調(diào)速系統(tǒng)為例，油氣比的控制主要體現(xiàn)在補(bǔ)氣裝置對(duì)壓力油罐油位的控制上，當(dāng)壓力油罐的油位高于2 620 mm 時(shí)，補(bǔ)氣裝置開始補(bǔ)氣，當(dāng)自動(dòng)補(bǔ)氣計(jì)時(shí)器達(dá)到5 min 時(shí)，補(bǔ)氣停止。

3 調(diào)速系統(tǒng)反向供氣案例分析

3.1 調(diào)速系統(tǒng)反向供氣案例過程概述

如圖3 所示，以某電站右岸Alstom 機(jī)型21F 調(diào)速系統(tǒng)的一次反向供氣故障為例進(jìn)行過程分析。正常情況下，供氣系統(tǒng)減壓閥出口壓力（即壓油裝置供氣干管壓力）為6.8 MPa～7.3 MPa，調(diào)速系統(tǒng)的正常工作壓力為6.1 MPa～6.3 MPa，供氣干管壓力高于調(diào)速系統(tǒng)的正常工作壓力。當(dāng)補(bǔ)氣閥開啟時(shí)，壓油裝置供氣系統(tǒng)可以正常給調(diào)速系統(tǒng)供氣。

圖3 調(diào)速系統(tǒng)反向供氣故障波形圖

從圖3 可以看出，從2022-1-13 20:13 開始至次日凌晨7:58，壓油裝置供氣1 號(hào)、2 號(hào)儲(chǔ)氣罐壓力一直處于正常范圍內(nèi)（8.6 MPa～9.0 MPa），但壓油裝置供氣干管的壓力在緩慢的下降，在圖中標(biāo)記位置已經(jīng)降至5.4 MPa（正常范圍6.8 MPa～7.3 MPa）。此時(shí)的供氣干管壓力已經(jīng)低于調(diào)速系統(tǒng)正常工作壓力（6.1 MPa～6.3 MPa）。

此時(shí)，恰逢21F 調(diào)速系統(tǒng)壓力油罐的油位高于2 620 mm（正常情況下，隨著壓力油罐氣量的損耗，油位會(huì)緩慢升高），補(bǔ)氣裝置啟動(dòng)。由于供氣干管壓力只有5.4 MPa，21F 調(diào)速系統(tǒng)壓力油罐開始向供氣干管反向供氣。由于油罐氣量損失，為了維持21F調(diào)速系統(tǒng)壓力處于正常工作范圍內(nèi)，油泵向壓力油罐供油的頻次開始增加。回油箱平均油位下降，壓力油罐平均油位上升，回油箱油位出現(xiàn)低報(bào)警、壓力油罐油位出現(xiàn)高報(bào)警。維護(hù)人員切換至另一路減壓閥后，供氣干管壓力恢復(fù)正常。壓油裝置供氣恢復(fù)正常，21F 調(diào)速系統(tǒng)壓力油罐、回油箱逐漸回歸正常油位。

在隨后的故障排查中發(fā)現(xiàn)供氣干管壓力下降的原因?yàn)闇p壓閥沒有正常工作，壓油裝置供氣1 號(hào)、2號(hào)儲(chǔ)氣罐的氣源不能通過減壓閥給供氣干管供氣。隨著干管氣量的損耗，干管壓力緩慢下降。

3.2 調(diào)速系統(tǒng)反向供氣案例分析

從3.1 的故障過程記錄可以看出，壓油裝置減壓閥出口壓力（即供氣干管壓力）低于調(diào)速系統(tǒng)正常工作壓力時(shí)，調(diào)速系統(tǒng)存在反向供氣風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)反向供氣發(fā)生時(shí)，壓力油罐會(huì)損失大量的壓縮空氣，油罐油位可能會(huì)出現(xiàn)高報(bào)警，回油箱油位可能會(huì)出現(xiàn)低報(bào)警。

壓油裝置供氣干管壓力的下降程度直接決定了壓力油罐和回油箱油位出現(xiàn)異常的嚴(yán)重度。具體可分為以下兩種情況：

（1）回油箱油位低報(bào)警。這種情況下，現(xiàn)場(chǎng)人員通過手動(dòng)關(guān)閉壓力油罐補(bǔ)氣裝置，可以避免情況的進(jìn)一步惡化。

（2）回油箱油位過低報(bào)警。這種情況下回油箱油位低于油泵進(jìn)口高程，可能會(huì)造成所有油泵全停。調(diào)速系統(tǒng)也就失去了持續(xù)的動(dòng)力來源，系統(tǒng)的壓力會(huì)緩慢下降，最終可能造成低油壓停機(jī)。這種情況維護(hù)人員應(yīng)首先手動(dòng)關(guān)閉壓力油罐補(bǔ)氣裝置，盡快采取措施恢復(fù)油泵的運(yùn)行，可暫時(shí)避免機(jī)組的非計(jì)劃停運(yùn)。然后，再排查造成壓油裝置供氣干管壓力下降的原因，并進(jìn)行處理。

所以，壓油裝置供氣干管的壓力是否正常對(duì)調(diào)速系統(tǒng)來說至關(guān)重要。

3.3 調(diào)速系統(tǒng)反向供氣風(fēng)險(xiǎn)的主要應(yīng)對(duì)措施

（1）壓油裝置供氣干管壓力信號(hào)接入監(jiān)控

對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)存在反向供氣風(fēng)險(xiǎn)來說，壓油裝置供氣干管的壓力信號(hào)接入監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)較為有效的解決辦法。運(yùn)行人員可以實(shí)現(xiàn)對(duì)供氣干管壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)供氣干管壓力出現(xiàn)異常時(shí)，運(yùn)行人員可以第一時(shí)間接收到報(bào)警信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)人員就能夠有充足的時(shí)間來采取措施避免情況的進(jìn)一步惡化。

（2）機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)壓力油罐補(bǔ)氣管路加裝單向閥

通過對(duì)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)壓力油罐補(bǔ)氣管路加裝單向閥，可以在物理硬件上避免調(diào)速系統(tǒng)反向供氣風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。壓縮空氣只能從供氣干管流向壓力油罐，而不能反向流動(dòng)。加裝單向閥的優(yōu)點(diǎn)在于從機(jī)械方面在根本上解決問題。缺點(diǎn)在于增加了調(diào)速系統(tǒng)的漏點(diǎn)。

（3）自動(dòng)補(bǔ)氣裝置的開啟增加閉鎖條件

當(dāng)壓油裝置供氣干管的壓力出現(xiàn)報(bào)警時(shí)，機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的自動(dòng)補(bǔ)氣裝置應(yīng)禁止開啟。從軟件程序控制上避免了該風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。優(yōu)點(diǎn)在于易實(shí)現(xiàn)、成本低。缺點(diǎn)在于系統(tǒng)控制程序不開源的情況下難以實(shí)現(xiàn)。

3.4 可能造成調(diào)速系統(tǒng)反向供氣風(fēng)險(xiǎn)的其他情況及應(yīng)對(duì)措施

（1）手動(dòng)補(bǔ)氣速度過快

在檢修狀態(tài)下，經(jīng)常需要對(duì)壓力油罐進(jìn)行手動(dòng)補(bǔ)氣。當(dāng)手動(dòng)補(bǔ)氣閥門開度過大，補(bǔ)氣速度過快時(shí)，供氣干管的壓力有可能低于調(diào)速系統(tǒng)的正常工作壓力。此時(shí)，若其他機(jī)組進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)氣操作，有可能造成其他機(jī)組的反向供氣。所以，手動(dòng)補(bǔ)氣時(shí)，應(yīng)監(jiān)視供氣干管的壓力，補(bǔ)氣的速度應(yīng)低于空壓機(jī)供氣的速度，維持供氣干管的壓力在正常范圍內(nèi)。

（2）壓油裝置供氣系統(tǒng)出現(xiàn)異常

壓油裝置供氣系統(tǒng)減壓閥出現(xiàn)異常、空壓機(jī)不能正常啟動(dòng)、供氣管路出現(xiàn)大量泄漏等原因，都有可能導(dǎo)致供氣干管壓力出現(xiàn)異常。

適當(dāng)?shù)脑黾訅河脱b置供氣系統(tǒng)的備份和冗余，例如采用兩路減壓閥管路、兩個(gè)壓油裝置供氣儲(chǔ)氣罐、多臺(tái)空壓機(jī)互為備用等冗余設(shè)計(jì)可以有效應(yīng)對(duì)壓油裝置供氣系統(tǒng)出現(xiàn)的各種異常情況，避免供氣干管壓力的異常下降。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)水電站調(diào)速系統(tǒng)存在反向供氣風(fēng)險(xiǎn)的分析，提出了壓油裝置供氣干管壓力的異常降低是造成該風(fēng)險(xiǎn)的根本原因。通過對(duì)供氣干管加裝壓力監(jiān)控、補(bǔ)氣裝置加裝單向閥、自動(dòng)補(bǔ)氣裝置的開啟增加閉鎖條件等優(yōu)化措施，可以有效避免這一現(xiàn)象發(fā)生?？偨Y(jié)了可能造成該風(fēng)險(xiǎn)的其他情況及應(yīng)對(duì)措施。這些措施若付諸實(shí)施，必將提高水電站調(diào)速系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性。對(duì)類似水電站機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)、壓油裝置供氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)安裝、優(yōu)化改進(jìn)，也具有一定的參考價(jià)值。