紫坪铺电厂尾水管临时强迫补气的探索与运用

方 戊 强， 李 泽 江， 陈 世 程

(四川省紫坪铺开发有限责任公司，四川 成都 610091)

1 概 况

紫坪铺电厂位于四川省都江堰市，距成都用电负荷中心约60 km，可承担电力系统调峰、调频、事故备用等任务。电站设计安装4台单机容量为190 MW的混流式水轮发电机组，最高水头132.76 m，最低水头68.4 m，尾水管通过大轴补气阀进行补气。

2019年4月以前，四川电网与华中电网联网采用大网运行，系统容量大，省调很少要求电厂投入AGC(自动发电控制)运行，电厂可在负荷低时自主选择机组停机；2019年4月以后，四川电网采用小网运行，系统容量小，容易受到负荷波动影响，省调要求电厂投入AGC运行，以便随时调频。这段时间内，1号机组在特定工况下存在强烈振动、异响。

此后，1号机组相继出现下列问题：

(1)2019年5～7月，1号机组推力冷却器端盖进、排水管焊缝处多次开裂。

(2)2019年汛后1号机组B修，探伤发现：转轮上冠贯穿性裂纹自内圆止口开始，经9号叶片出水边焊缝R角，沿转轮上冠径向延伸，从上平面斜向下裂穿至下平面，上、下平面层裂纹最大跨度约30 mm,裂纹纵向最大跨度约80 mm、长度约300 mm。

1号机组在特定工况下的异常情况已严重影响设备的安全运行，对此，针对1号机组开展了长期的分析试验。

2 分析及试验

水轮发电机组振动的影响因素一般包括三类：电气因素，机械因素，水力因素[1]。

2.1 电气因素分析

检查机组报警信息，未发现转子保护报警，排除转子绕组短路原因；1号机组于2015年汛后进行A修，对比机组A修与装机时空气间隙数据，两者基本一致，排除因空气间隙不均匀造成磁拉力不平衡而产生振动的原因。

2.2 机械因素分析

分别在机组停机状态、机组正常运行状态、机组异常状态下对机组进行检查对比，发电层、风洞内、水车室均未发现异常现象；检查1号机组A修与装机时的数据，机组轴线均在标准范围内；在数据库内查找对比机组各部轴承温度及摆度，均基本一致；在机组正常运行状态下及异常情况下对比各部轴承温度及摆度，也无变化；在机组正常运行状态下及异常情况下对比各轴承、上机架、下机架、顶盖振动频谱图发现：机组运行异常状态下顶盖水平X向振动出现26倍频振动，而机组正常运行情况下并无26倍频振动。紫坪铺电厂共有活动导叶20个、转轮叶片11片，根据经验判断，此处出现的26倍频与水机设备无关；联系振摆检测系统与厂家共同分析：该高频振动应与水力因素有关。

2.3 水力因素分析

混流式水轮机在偏离最优运行工况时，将使转轮出口水流切向分速度增大，水流中出现的环量使尾水管中心产生低压并形成螺旋形涡带。尾水管涡带通常会引起机组部件振动、轴系摆动、尾水管内压力脉动，涡带的振动还可能导致机组的水力共振时转轮承受高应力而损坏。设置大轴补气装置可削弱涡带[2]。

对大轴补气装置进行检查：机组正常运行时补气阀正常动作；机组异常状态时大轴补气阀管路进口处没有气流，即大轴补气未起作用。采用的XBF气缓冲补气阀，真空度为-0.005 MPa(试验挂重74 kg)时，补气阀开启。将补气阀开启压力调至最小，在机组异常状态时仍未检测到补气阀动作。

2.4 补水、补气试验

通过分析试验可知：1号机组在特定工况下存在振动、异响时，补气阀不能开启及时进行补气，致使尾水管内的水流涡带引起机组振动、异响的现象。针对这种情况，尝试采用射流抑制方法来抑制尾水管涡带，分别采用向尾水管强迫补水、补气两种方式进行试验[3]。

紫坪铺电厂机组采用主轴中心孔补气，但在现场未找到预留的尾水管强迫补气管路，只好利用现场其它管路进行试验。机组在顶盖及尾水管内分别设有内、外顶盖测压管—尾水管进口真空测压管和尾水管底部测压管。其中，顶盖测压管测点均位于转轮上冠上方，尾水管进口真空测压管测点位置(图1)距尾水管锥管顶部1 540 mm。

机组异常运行状态时分别对这些管路进行强迫补水试验和补气试验，多次试验结果表明：自蜗壳测压管取压力约1.0 MPa水向流道内补水无效；使用0.50～0.80 MPa低压气，通过尾水管真空测压管进行强迫补气可有效消除机组异常现象。

强迫补气试验的成功表明：机组异常运行状态时，尾水管内形成的的螺旋形涡带，使尾水管内的低压区偏离大轴补气阀下方的补气管，造成补气阀无法开启补气，从而引起机组振动；在尾水管真空测压管测点处进行强迫补气，可破坏尾水管内涡带以消除机组的异常现象[4]。

由于负荷一直较重，机组无法停机检修，必须利用机组测压管路及空气围带供气系统，加以改造作为尾水管临时强迫补气系统，通过修改程序实现自动尾水管强迫补气，以解决机组特定工况下的异常问题。

3 数据收集

1号机组在特定水头和负荷下的振动数据是实现强迫补气自动控制的第一手资料，其中水头、振动区有功负荷范围、振动区导叶开度范围数据是自动逻辑控制的重要参数[5]。通过巡视记录及现场试验收集的1号机组在(95～104 m)水头范围内振动情况数据见表1：

从表1可以看出：水头95～104 m、尾水位746.1～746.6 m、有功负荷在165～195 MW区间内时，机组有明显的异常振动和异响。根据收集的数据，结合电厂实际情况，最终确定机组自动强迫补气条件为：机组有功负荷在165～195MW区间，且水头范围在95～105 m。

4 管路布置

从1号机组水轮机层上游侧空气围带管路到下游侧机坑尾水管真空压力测压管依次配管，并在管路上安装单向节流阀、流量计等阀门,在空气围带进气阀门后配管加装空气围带排气阀。在进行强迫补气时，关闭空气围带进气阀；检修时，打开空气围带进气阀，同时关闭空气围带排气阀及强迫补气进气阀。临时补气测压管路布置见图2：

图2 临时补气测压管路布置示意图

5 自动控制设计

根据确定的自动强迫补气条件，自动控制逻辑为：强迫补气自动/手动控制方式在自动状态，机组在发电态，水头在95～105 m之间，有功负荷在165～195 MW区间时，投入原空气围带电磁阀进行强迫补气。以上条件缺一不可，否则，停止补气。PLC实际逻辑为机组运行为0～165 MW时、运行水头小于95 m 、运行水头大于104 m、机组不在发电态和机组强迫补气自动/手动控制方式在手动状态时，均须退出强迫补气。

1号机组空气围带原开关量、模拟量和相应流程变化为：开关量DI35(端子号DI2-3空气围带有压) 、DI36(端子号DI2-4空气围带无压)变更为强迫补气管路有压/无压；模拟量AI9(端子号AI1-19/20空气围带压力)变更为强迫补气管路压力监视；下位机开机流程中取消关于空气围带投退的判断，流程不再确保开机时空气围带处于退出状态。

上位机增加强迫补气自动/手动控制方式，增设强迫补气投入/退出按钮，当控制方式在自动时，由PLC自动控制强迫补气投退，闭锁上位机投退强迫补气功能；当强迫补气自动/手动控制方式在手动时，闭锁下位机自动控制功能，运行人员通过上位机强迫补气投入/退出按钮操作强迫补气功能。手动闭锁远方操作功能，提供现地操作功能；自动方式PLC控制，同时，可以远方手动投退强迫补气功能。

1号机组临时强迫补气装置于2020年6月投入使用，达到补气条件时尾水管强迫补气自动投入，有效消除机组异常振动，目前，机组已平稳度过两个汛期，效果显著。

6 结 语

紫坪铺电厂投入AGC运行后，出现机组特定工况下的异常振动现象，极易造成机组紧固件的松动、焊缝开裂等情况，严重影响机组安全稳定运行。在机组不能停机检修情况下，尾水管临时强迫补气装置的应用，成功的解决了这个问题，达到了预期目的，保证了机组的安全运行。随着更多电厂投入AGC运行，类似情况会逐渐暴露，紫坪铺电厂的尾水管临时强迫补气系统思路及方案可供其他电厂借鉴参考，以保证设备安全运行。