水轮发电机压力钢管排水方式比较.pdf

G 交 流 DOh 1 0 3 9 6 9， j i s s n 1 0 0 9 - 9 4 9 2 2 0 1 4 0 4 0 4 8 水轮发电机压力钢管排水方式比较 文习波，庞争争 ( 雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都 6 1 0 0 5 1 ) 摘要：结合大中型水电站引水隧洞的不同特点，对混流式水轮发电机组压力钢管的排水方式进行了研究，并从运行操作的安全 性、 可行性和实用性等角度给出了合理的选择建议。 关键词：水轮发电机组；压力钢管 ；引水隧洞；排水 中图分类号 ：T K 7 3 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 99 4 9 2f 2 0 1 4)0 40 1 8 2 0 3 Co mp a r i s o n o f Di ffe r e n t Dr a i n a g e Pa t t e r n s o f Tu r b i n e Ge n e r a t o r Un i t s WEN Xi b o ，P ANG Z h e n g z h e n g ( Y a l o n g R i v e r Hy d r o p o w e r D e v e l o p me n t C o mp a n y ，C h e n g d u 6 1 0 0 5 1 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：B a s e d o n d i v e r s i o n t un n e l S d i f f e r e n t c h a r a c t e r i s t i c s f r o m l a r g e a n d me d i u ms i z e d h y d mp o we r s t a t i o n，t h i s p a p e r s t u d i e d t h e p e n s t o c k S d r a i n a g e p a t t e rn o f f r a n c i s t u r b i n e g e n e r a t o r u n i t s， a n d ma k e s o me r e a s o n a b l e s u g g e s t i o n s c o n s i d e rin g t h e f e a s i b i l i t y ， p r a c t i c a l i t y， a n d s e c u r i t y o f o p e r a t i o n ， Ke y wo r d s ：t u r b i n e g e n e r a t o r u n i t s ； p e n s t o c k； d i v e r s i o n t u n n e l ；d r a i n a g e p a t t e rn 0 概述 在国内大中型水轮发电机组的年度计划检修 项 目中，一般包含压力钢管 ( 引水隧洞) 、水轮发 电机组机械部位以及调速器液压系统等的检修工 作，其安全措施不仅需要关闭进水 口工作闸门、 落下尾水管检修闸门，还需排空压力钢管及尾水 管道内的全部积水。巨型混流式水轮发电机组的压 力钢管由于长度长、内径大、水头高，对蜗壳放空 阀、压力钢管放空阀等均存在较大的压力，一般超 过 1 0 MP a 。如何 安全地排 出压 力钢管 的内部 积 水，以及采用何种排水策略既能快速达到目的，又 能降低运行操作风险，需要进行不断的研究。 1 引水系统介绍 四川境内雅砻江中下游三座巨型水电站 ：锦 屏水电站、官地水电站、二滩水电站，虽然同为 混流式水轮发电机组 ，但引水隧洞系统不尽相 同。锦屏 级水电站采用一条引水隧洞带两机运 行，采用上游调压井及独立闸门隔开；官地水电 收稿 日期 ：2 0 1 3 1 23 0 站采用一机一压力钢管引水方式，并用蜗壳取水 供水冷却方式 ；二滩水电站采用一机一压力钢管引 水方式， 并用技术供水泵尾水取水冷却方式。有些 巨型水电站同时兼具多种引水系统，如四川向家坝 水 电站 ，# l # 4 机组采用一机一压力钢管 引水方 式，# 5 一 # 8 机组采用一机一引水隧洞方式。 2 压力钢管排水方式 2 1 通过导叶漏水排水 大型水 电站压力钢管管道长 、水头 高 ，引水 隧洞呈现 “ z ”字形状。水轮机活动导叶在高水头 的压力下 ，其立面间隙会增大 ，因此利用导叶漏 水来排水是一种常见的方法。特别是新投产的水 电站，由于水工专业对引水隧洞混凝土结构的特 殊需求 ，为防止钢管与洞体出现大的脱空等缺 陷，一般需要在引水隧洞的上平段、中段及下平 段分别进行保压，每次保压约6 小时。在这种要 求下，需要运行人员对压力钢管水位和排水速率 进行精确的控制。 文习 波 等：水轮发电 机压力钢管排水方式比较 绎 以官地水电站为例 ，通过调节进水 口工作闸 门充水 阀的开度 ，即可控制特殊情况下 的排水速 率。原因是导叶的漏水量会随着水头的降低而逐 渐减小 ，但变化量不大，可以将其看作一个定量 “ 不变 ，即 Q 。 为恒定值。 ( 1 )保压保水时段 ： Q = Q 。 ( 2 )匀速排水时段 ： ( Q 。 一 Q ) T= K( H e 一 ) 其 中：Q 为充水流量 ，Q 。 为导叶漏水流 量 ， 为时间 ， 。 为蜗壳尾部初压力折算水 头 ， ： 为蜗壳尾部末压力折算水头 ， 为压力 钢管内径，K为综合系数。从中可以看出：( 1 )在 保压阶段 ，只要控制充水流量与导叶漏水流量相等 即可；( 2 )在匀速排水阶段，由于单位时间内水头 变化是由人为确定的 ( 每小时下降4 米) ，因此只 需控制进水 口闸门的充水 阀开度就可以控制压力钢 管水位的下降。根据该机多次排水操作后的相关数 据 ，绘制一张充水阀开度与钢管内水位变化曲 线 ，便可成为该 台机组的压力钢管排水特性图。 此 排水 方式 利用 活 动导 叶间漏 水 与进 水 口 闸门的充水阀来控制水位 ，需要运行人员精确 地调整充水阀开度 ，有时甚至每次需要上下调 整 1 m m，一个小时调整一次，操作频繁，而且闸 门开度不易控制 。另外 ，此排水方式耗 时长 ，即 使不含分段保压时间，也超过2 4 小时。在排水过 程中，操作人员需要时刻监视蜗壳压力，准确判 断，及时调整 ，因此对运行操作人员要求高，具 有一定风险性。 2 2 通过技术供水系统排水 当水轮发电机组技术供水系统采用蜗壳取水 方式时 ，可以通过技术供水系统排出压力钢 管内 积水。此方式是在机组停机并落下进水口工作闸 门后 ，打开技术供水系统 的相关 阀门，压力钢管 内积水 经过蜗壳 、通过技术供水系统管道排 至下 游尾水。其典型的水流示意图见图 1 。 向家坝水电站压力钢管常规排水就是采用此 方式，该电站单台机组技术供水系统的设计额定 流量为2 3 0 8 m h ，压力钢管从开始排水到积水排 完 ，需要的时间约为至7 0h ( 1 F B4 F B) 、1 0 8 h ( 5 F B) 、 1 3 0 h ( 6 F B)、 1 7 5 h ( 7 F B )、2 0 0 h ( 8 F B ) 。此方式排水操作简单 ，风险小 ，但是时 图 1 采用技术供水管路排水 冗 管 间长 ，蜗壳内还会剩余较多的余水 ，延迟蜗壳排 水( 开启蜗壳 和尾水 盘型阀经检修集水井排水 ) 的时间。 2 3停机方式排水 停机排水是指机组 自系统解列后即保持在空 转状态 ，先手动启动机组高压油减载系统，再发 令快速落下机组 进水 口工作闸门 ，在机组停机过 程中将压力钢管内积水经过导叶排至下游。在发 快速闸门快关命令前 ，应先屏蔽相应事故控制流 程，防止由于快速闸门下降到事故位后启动快速停 机流程而过早关闭导叶。在发令陕速落进水 口工作 闸门后密切监视机组导叶开度和转速 ，在适当时机 ( 如转速接近 5 0 额定转速时)人为按下紧急停机 按钮或 C C S 上启动 自动停机流程，关闭导叶 ，并根 据情况在适 当时机手动帮助投入机组制动风闸。 此排水方式利用机组停机过程同时快速落下 机 组快 速 门 ，排 除压力 钢管 内部积水 ，速度 很 快 ，但是在动水落门过程中容易在快速门泵房等 处产生负压，危及设备安全。此外，按紧急停机 按钮的时机难掌握 ，对操作人员的要求高，操作 风险大。 2 4自动开机方式排水 机组正常停机后 ，人为操作落下机组上游快 速闸门并做好防动措施，联系监控专业检修人员 解除 自动开机条件中的快速闸门全关闭锁开机条 件 ，C C S 上发令开机至空转令 ，监视机组技术供 水系统、高压油泵、推力外循环油泵等设备，必 要时手动启动。 机组 到达空转态后 ，严密监视机组转速和蜗 壳压力，转速下降到5 0 左右时手动启动停机流 G 巯 程。也可以不发机组停机令，让机组转速自由下 降至2 0 时手动投入风闸。此种方式利用机组导 叶 “ 开一关”过程 中排除积水 ，速度较快 ，对操 作人员要求较高 ，有较大的风险。 2 5 手动开导叶排水 此种方式是在机组停机并落下进水口工作闸 门后，现地手动操作导叶，将其开至一定的开度 排除压力钢管内积水。手动开导叶分以下两种情 况 ，一种是让机组转动 ，一种是不让机组转动。 2 5 1 导叶较大开度排水 导叶开度较大时 ，机组会转动起来 ，因此在 操作导叶前应将技术供水系统、高压油泵 、推力 外循环油泵等先手动启动，将调速器控制方式切 至现地 ，手动开启导叶。机组转动起来后应密切 关注转速，随着压力钢管积水通过导叶逐步排 走 ，机组转速也会逐渐下降，当机组转速下降到 2 0 左右时投入制动风闸 。在操作过程 中，应控 制打开导叶的速度 ，控制机组转动的时间，防止 机组较长时间慢速运行 。此种排水方式操作 比较 简单 ，风 险也较小 。由于不 同机组 间 的特 性差 异 ，以及每次操作人员的经验 、判断不 同，需要 对机 组 的转 动特性 进行不 断摸索 ，进行经 验总 结，以寻求最优的导叶开度值和开启时间控制。 2 5 2 导叶小开度排水 这种方式是 防止机组转动的情况下小开度开 启导叶排水 ，因此需控制导 叶开度 ，即不能太小 导致无法排水 ，又不能太大引起机组转动。在操 作导叶之前 ，应手动投入制动风闸 ，再将调速器 控制方式切至现地手动，缓慢开启导叶至2 3 左右。导叶开度跟每台机组的特性及水头有一 定关 系 ，需在试验 中进一步确定 。此种方式要严 格控制导叶开度大小 ，防止开度过大导致损坏制 动风闸。 2 6开启蜗壳盘型阀排水 此方式是开启蜗壳盘型阀，将压力钢管内积 水通过蜗壳盘型阀排至下游尾水 。此排水方式需 人工手动打开蜗壳盘型阀，由于此时压力钢管充 满积水 ，水压大 ( 一般超过 l 0 个大气压) ，操作 蜗壳盘型阀有较大难度 ，同时在排水过程 中盘型 阀振动 、锈蚀及气蚀现象 ，存在损坏盘型阀密封 或阀杆断裂等风险。据有关资料显示 ，直接开启 蜗壳放空阀排水不适用高水头电站。 3 排水方式比较 ( 1 )通 过导 叶 间隙排水 ，操作 简单 ，风 险 小，但时间相对较长。某些电站新投机组需要进 行保压控制排水速率 ，或者例行的年度检修且对 时间要求较松时 ，应优先采用此种排水方式。 ( 2 )通过技术供水系统排水，操作简单，风 险小，但时间相对较长 ，此方式需要让压力钢管 道 内的全部积水经过机组滤水器排至尾水 ，对滤 水器要求较高，且没有必要 。在具体实施过程 中，可将滤水器停用 ，采用旁通管道实现。在例 行的年度检修且对时间要求较松时，可以采用此 种排水方式。 ( 3 )手动开导叶排水特别是导 叶小开度排水 时，依赖运行操作员的经验技术水平 ，要求运行 人员严格遵守操作流程步骤 ，排水过程 中应采取 预控措施防止机组带风闸转动 。手动开导叶小开 度排水速率快 ，风险较高 ，一般尽量少采用此方 式。 ( 4 )在停机过程 中排水和 自动开机排水 ，排 水快 ，但风险也高，在机组紧急抢修或工期要求 很紧时 ，可以采用此方式 。 ( 5 )通过开启蜗壳盘型阀排水 ，操作难度较 大，存在设备损坏的风险 ，此排水方式在高水头 电站一般较少采用。 ( 6 )若综合以上排水方式 ，如先利用导叶间 隙漏水或技术供水排水 ，降低水头后再开启蜗壳 放空阀，则是一种非常好的选择方式。 4结语 巨型混流式水轮发电机组 的压力钢管排水操 作是一项较复杂 、难度较大的操作 ，涉及诸多方 面，但如何确保排水时的安全是操作的关键。电 厂应对每种排水方式进行风险分析并制定相应的 操作方案 ，根据时间紧迫性 、风险程度等情况选 择合适的排水方式。 参考文献： 1 张银 云 湖南镇电站压力钢管停复役操作运行 分析 J 小水电，2 0 1 1( 4 ) ：1 3 7 1 3 9 2 吴洪飞 水轮发 电机组检修排水方式探讨 J 水电 站机 电技术 。2 0 1 2 ，3 5 ( 5 ) ：2 卜2 2 。3 0 第一作者简介：文习波，男， 学本科，工程师。研究领域： 1 9 8 3 年生，湖北仙桃人，大 水电站运行管理。 ( 编辑 ： 王智圣)