关于抽水蓄能机组机械设备问题的研究与思考

邓 磊，周东岳，周 攀

（国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161）

关于抽水蓄能机组机械设备问题的研究与思考

邓 磊，周东岳，周 攀

（国网新源控股有限公司技术中心，北京市 100161）

本文对抽水蓄能机组在调试期间和生产期间出现的一些机械设备问题进行了研究和总结。同时提供了相应的解决方法，以避免出现类似问题，可供相关专业人员参考。

抽水蓄能；主轴密封；调相压气；调速器；进水阀；机械刹车

0 引言

国内抽水蓄能事业目前正处于快速发展阶段，前期已投产机组在调试期间和运行期间也暴露出了一些问题，对前期已经暴露的问题进行一定的反思和总结，有助于未来新投产机组设备和投产多年计划改造的机组设备吸收经验，避免重复发生类似问题。本文总结了部分机械设备问题、解决方法和对相应问题的思考。

1 机械设备问题思考

1.1 主轴密封水源

目前抽水蓄能电站工作密封的冷却水源来源有两种方式，且均有实际投运经验。第一种方式为：工作密封供水水源一路来自上游压力钢管减压供水，一路来自机组单元技术供水总管，互为备用；第二种方式为：采用主轴密封增压泵的方式，两路均来自机组技术供水，互为备用。

上游压力钢管减压供水的方式有两种，采用减压阀减压供水或采用减压环管减压供水。采用上游减压供水方式的好处有水源来自于上游，不需要增压泵即可工作，而且能保证稳定的压力，但工作前提是减压阀工作正常。据调研，已投运的高水头常规电站和抽水蓄能电站在主轴密封减压供水方面均出现过减压阀工作异常的情况，从检修处理角度而言，对处理高压管路上的阀门总是有安全上的担心；采用减压环管供水时，水需要保持在流动状态才能减压，对于抽水蓄能电站而言上游的水是花钱抽上去的，从经济上不划算；减压环管供水设置有安全阀时，由于主轴密封处的水压在暂态过程时波动较大（现场可观察到工作密封冷却水管表计大幅摆动），有可能引起安全阀长时间动作不能复归，有较大的噪声。

本文推荐采用的方式为：采用主轴密封增压泵的方式，一路来自机组技术供水，一路来自公用供水两路，两路互为备用。这样既可避免处理高压管路的担心，又能保证水源来自于两路。当然，在市场上能选择到长期工作安全可靠的减压阀时，可选用第一种供水方式。

1.2 调相压气系统

1.2.1 调相运行期间补气时跳机

在进行调相压气系统静态压水试验时，笔者曾经碰到一次异常：调相压水正常充气压水完成后，经过一段的稳定时间，当尾水位又上升到高位（补气位）时，补气阀打开充气压水；此时机组由于其他异常发出跳机令，调相压气系统接收到跳机令后发出充气压水结束令，关闭补气阀令发出，但补气阀没有关。此时尾水在低位和高位（补气位）之间，顶盖排气阀打开在排气，补气阀在补气，直到尾水升到过高水位，补气阀关闭，顶盖排气阀仍在排气直到结束。后对此现象专门进行试验，该现象重复发生，原因是控制逻辑不完善。

（1）关闭排气阀令和开启排气阀令脉冲时间相同，均为2s。

（2）水位在高位（补气位）以上，开补气阀指令开出，当接收到跳机令时若顶盖排气阀处于开启状态，补气阀也不会打开。但是控制器在接收到跳机令后，发出开启顶盖排气阀指令，顶盖排气阀正处于开启过程中，表征关闭位置的位置开关还处于闭合投入状态，因此补气阀打开，直到水位上升到过高水位时, 补气阀才关闭。

解决办法是完善调相压气逻辑：有跳机令时或正常充气压水结束令时，脉冲持续时间由1s变为5s；关闭补气阀、主压气阀时间（5s）比开启补气阀、主压气阀令时（2s）长；处于调相补气状态时，有跳机令或正常充气压水结束令时，水位到达高位（补气位）时，也发出关主压气阀令和补气阀令，此时不管顶盖排气阀的状态。

建议新建电站和已投产电站均进行调相运行期间补气期间的跳机试验，以验证补气阀、主气阀是否关闭，验证逻辑是否正确，以保证设备安全。

1.2.2 压气过量

现场调试发现调相压气时有时候容易出现压气过量的问题，造成抽水调相转抽水工况时排气时间过长。压气过量有两种可能因素，一种因素为主压气阀的压气开启时间过长，主压气阀打开后的关闭，有用时间控制实现的，有用尾水管水位浮子开关控制实现的，本文推荐两种方式联合控制；另外一种因素是调相压气管路没有设置节流孔板，设置节流孔板有助于减少压气量，本文建议设置节流孔板。

1.2.3 压气管路振动松动

调相压气管路是高压管路，如果管路的连接螺栓松动会造成高压气漏气，可能会造成异常事故，现场分系统调试时曾经出现过螺栓松动造成漏气的异常现象。安装期间应保证管路连接螺栓扭矩达到设计值，避免依靠安装人员力量大小来保证螺栓紧固，建议供货厂家提供扭矩扳手，提供扭矩值，现场安装时应留下记录；且提供管路固定底座以固定管路，防止管路振动引起松动；调试期间人员观察时远离连接法兰，以保证安全。

1.2.4 水环排水阀管路封堵

有的电站设计有水环排水阀，有的电站水环排水阀为试验性质预留，不一定使用。当现场调试确定不需要水环排水阀时，应进行管路封堵，在机组检修时应进入水泵水轮机内侧封堵，以防止长期运行期间管路堵头出现裂纹。

1.2.5 尾水管水位浮子管路及自动化元件

尾水管水位浮子通常位于尾水管进人附近，在蜗壳层，应注意水位浮子自动化元件的固定与防潮，防止自动化元件寿命变短；水位浮子管路有部分固定在混凝土内，应注意浇筑混凝土时管路安装满足设计要求，防止预埋管路倾斜。

1.2.6 蜗壳平压阀的启闭

应注意蜗壳与尾水管平压管路的压力等级，避免出现平压管路阀门压力等级不匹配；调相压水期间蜗壳平压阀的启闭应在蜗壳压力和尾水管压力基本平压时完成，即在进水阀旁通阀和进水阀工作密封隔离上游高压水期间完成平压阀的启闭，防止高压下启闭蜗壳平压阀引起管路水击破坏。

1.3 调速器

1.3.1 导叶电气开度限制曲线

现在很多电站的导叶电气开限在并网后设置为100%,不能有效避免机组出现异常或者调速器出现异常后活动导叶开启过大导致机组过负荷的现象，调速器宜设计随水头变化的导叶电气开度限制曲线。电气开度限制曲线可在水泵水轮机模型试验得出的曲线基础上增加3%～5%的裕量。在新制定的《可逆式水泵水轮机调节系统技术条件》标准中增加了导叶电气开度限制曲线宜随水头变化的要求。

1.3.2 导叶关闭规律及其实现

在满足调节保证的计算要求下，由机械液压装置实现导叶关闭规律，较佳的方式有水轮机方向和水泵方向均一段直线关闭；或者水轮机方向两段关闭，水泵方向一段关闭且关闭速率和水轮机方向第二段关闭速率相同；较难的方式有水轮机和水泵方向均两段关闭的，且关闭速率和拐点各不相同。

近年来有文章描述有的电站调速器改造时导叶分段关闭规律由电气方式实现，即：当导叶关闭规律设计为两段关闭规律时，依靠电气方式实现拐点和第二段关闭速度的改变。本文反对通过电气方式实现导叶分段关闭规律，应由机械液压装置实现导叶分段关闭规律。原因如下：当调速器电气柜由于某种特殊原因（如调速器电气控制柜电源全部消失时、导叶给定控制信号接线端子松动接触不良时等电气原因）不起控制作用时，拐点和第二段关闭速度不能实现，导叶可能以第一段关闭速度直线关闭到零，此时导叶分段关闭规律将不能满足调节保证的要求，造成的后果是未知的，有可能机组的蜗壳压力上升或者尾水管压力下降或者机组转速上升可能超出设计要求，有引起压力钢管爆管、水淹厂房的风险。当导叶分段关闭规律由机械液压装置实现时可以避免此种电气风险。

1.3.3 调速器故障录波功能

调速器宜具有故障录波功能，录波功能可自动触发或者手动触发。目前有的电站发生故障时，不能快速准确定位故障性质和位置，有时甚至难以找到原因。本文认为开发带有故障录波功能的调速器是一种发展趋势，有助于快速定位解决调速器引起的故障，减轻现场运维人员工作负担，减少检修故障处理时间。在新制定的《可逆式水泵水轮机调节系统技术条件》标准中增加了调速器宜配置故障录波功能的要求。

1.3.4 异步导叶的控制

正常情况下不应设置异步导叶。当为解决空载转速不稳定配置有异步导叶时，从调速器控制的角度出发，应设计有防止异步导叶过开的电气措施或者机械液压措施。较佳的办法是两种方式都进行设计，以保证安全。天荒坪抽水蓄能电站防止异步导叶过开的措施有电气措施和机械液压措施，具有典型代表意义。

1.4 进水阀

1.4.1 旁通管路

旁通管路的设计有两种目的，正常用于进水阀前后平压，也可用于测量导叶漏水量。有电站设计的旁通管路主要用于测量导叶漏水量，旁通管路的直径未达到进水阀门公称直径的10%。当现场开启旁通阀进行旁通管路试验时，如果导叶漏水量大，旁通管中流速将非常大，有时高达每秒几十米；且旁通管路为高压管路，如果有螺栓安装不紧或者管路接头密封不严时将造成安全隐患。建议设计有旁通管路时，应根据进水阀相关标准要求，旁通管路直径应达到进水阀门公称直径的10%，以保证安全。供货厂家应提供设计扭矩和扭矩扳手，有助于现场安装和保证设备安全。

1.4.2 接力器

有的电站设计为接力器全部伸出（全开）时进水阀全关，且未设置液压锁定，不合理。从安全的角度建议接力器行程为零时进水阀全关。规程规范中对进水阀接力器的状态暂无明确规定。但现场曾发生过油压装置失压的现象，为避免油压装置失压后进水阀阀体移动破坏工作密封，建议接力器行程为零时进水阀全关。

接力器的开机腔和关机腔宜设计快速接头，便于测量压力。动水关球阀试验时宜测量进水阀接力器开关机腔压力，以整体评估分析。

接力器安装前，应测量接力器的长度是否满足设计要求，以防止安装后进水阀阀体过开或者欠开。

1.4.3 工作密封

应防止工作密封与进水阀阀体的非正常刮擦造成工作密封的损坏。应从逻辑控制（增加时间控制，具体时间根据现场试验确定）、液压系统设计、传感器元件的冗余配置等方面着手考虑。当设计有液压管路闭锁进水阀开启状态下投入工作密封时，应保证液压管路的连接接口或者压力表计的连接接口安全可靠，防止液压管路接口脱落造成油压失压引起工作密封误投入。

应重视工作密封盘根结构的调研和设计，防止盘根磨损固定部件接触面。

1.4.4 进水阀与尾闸的闭锁

应进行进水阀与尾闸的联闭锁试验，避免尾闸关闭的情况下进水阀开启。进水阀设计有旁通管路时，应避免出现尾闸故障落下，进水阀阀体关闭而旁通阀仍然保持开启的异常，现场调试时应对此进行模拟试验确认。

1.5 机械刹车

多个抽水蓄能电站在调试或者运行期间出现过高速加闸或者带闸开机的事故，为防止自动条件下的高速加闸或者带闸开启。建议：

（1）在监控流程开始的时候，只要开机，不管机械刹车的状态，都发出机械刹车退出的指令。

（2）在监控流程判断机组状态的时候把机械刹车的状态纳入判断条件。

（3）通过机械刹车位置开关判断机械刹车投入的条件为“并”的关系，只要有一个刹车位置开关投入，机械刹车状态为投入；判断机械刹车退出的条件为“或”的关系，只有所有的刹车位置开关都退出，机械刹车状态为退出。

（4）除将机械刹车位置开关作为判断机械投入的条件外，宜考虑增加机械刹车投入管路的压力作为判断机械刹车是否投入的条件。

（5）应保证调速器送出或者单独测速装置送出的投退机械刹车转速开关信号的正确性，宜将测速装置故障自诊断信号作为条件串入转速开关信号回路。

（6）若测速装置无故障自诊断信号，判断机械刹车投入的条件可将几个反向的转速开关信号串联进入回路，如＞10%转速和＜25%转速,＜5%转速串联。这样即使测速装置没有故障自诊断信号输出，也可以通过转速信号的相互反向来避免机械刹车误投，＞10%转速起到了测速装置故障自诊断信号的作用。

2 结束语

本文对抽水蓄能机组在调试期间和运行期间部分机械设备出现的一些问题进行了总结，并提供了解决相应问题的思路，以避免出现类似问题，保证设备运维安全和促进技术进步。

邓 磊（1977—），男，高级工程师，硕士研究生，主要研究方向：抽水蓄能电站调试和科研。E-mail:jjs321@163.com

周东岳（1987—），男，工程师，硕士研究生，主要研究方向：抽水蓄能电站调试和科研。E-mail:313681469@qq.com

周 攀（1983—），男，工程师，硕士研究生，主要研究方向：抽水蓄能电站调试和科研。E-mail:zp1983101@163.com

Research & Thinking on Mechanical Equipment Problems of Pumped Storage Units

DENG Lei,ZHOU Dongyue,ZHOU Pan
（State Grid Xinyuan Company Ltd. Technology Center,Beijing 100161,China）

This Paper have researched and summarized some mechanical problems of pumped storage unit which occured on commissioning period or operation period. To avoid similar problems this paper also provided the corresponding solutions as reference to the related professional people.

pumped storage; main shaft seal; conense system,governor; inlet valve; mechanical brake