减少水轮机停机后顶盖水位异常上升率

吴雨霏，赖泽湖

（国家能源集团江西电力有限公司万安水力发电厂，江西 万安 343800）

0 引言

万安水力发电厂的发电机组采用的是轴流转桨式水轮机，对该类水轮机来说，因其顶盖安装高程低（大轴密封安装高程66 m，常常低于开机时的尾水水位67.7 m），在机组停机后易发生顶盖返水现象。而无论任何原因造成顶盖水位过高都可能导致顶盖、水导轴承淹没事故，极端情况下还会引起水淹厂房事故，故控制机组顶盖水位异常上升，历来是运行工作的重点。

1 电厂简介

万安水电厂装有5台轴流转桨式水轮发电机组，总装机容量533 MW。其中，2号机组装机容量为105 MW，配备ZZ440-LH-850型水轮机，设计流量554.75 m3/s，额定水头23 m。

2 关于2号机顶盖水位异常上升情况的调查

对2018年1月至2019年5月2号机停机后顶盖水位异常上升情况进行调查，并以停机后顶盖水位超过顶盖排水泵自动启泵水位（0.8 m）后依然持续上升为异常划分标准，统计出2号机共停机113次，停机后顶盖水位异常上升发生13次，占比11.5 %。并且，该现象易连续发生，如图1所示，2019年3月连续的三次停机，后两次都发生了顶盖水位异常上升。

图1 2号机2019年3月顶盖水位曲线局部图

对2号机停机后顶盖水位异常上升速度及故障处理可用时间进行调查，以自动启泵水位0.8 m至水导轴承淹没水位之间的1.4 m高度差为计算值，发现异常发生时，顶盖水位上升速度快，留给运行值班人员反应及处置的时间非常有限。统计结果：顶盖水位异常上升最大速度为0.30 m/min、最小速度为0.07 m/min、平均上升速度0.18 m/min，相对对应的故障处理可用时间最少为4.6 min、最大20 min、平均8 min（故障处理可用时间＝1.4 m/水位异常上升速度）。

调查情况汇总：2号机在停机后易发生顶盖水位异常上升现象，发生概率为11.5%，且易连续发生，一旦异常发生则顶盖水位上升速度快，留给运行值班人员反应及处理的时间非常有限。

图2 典型停机时顶盖水位异常上升曲线图

3 对2号机停机后顶盖水位异常上升的原因分析

通过现状调查，结合实际运行经验，对2号机停机后引起顶盖水位异常上升的原因进行分析，发现主要原因有3个：尾水水位低、大轴密封水水压不足、新安装大轴密封块缺少磨合。

3.1 尾水水位低

大轴密封安装高程正好接近尾水水位66.5 m，停机前如密封水压刚好满足密封要求，停机后随着尾水水位继续下降，水压下降造成通过密封块通流孔的密封水漏水量加大，传导作用下，密封水水压下降到低于密封所需值，密封块受到向上的托举水压不足，密封块发生沉降，密封块与转环之间的密封间隙会突然扩大，即失去了止漏的作用。

3.2 大轴密封水水压不足

（1）大轴密封水水压不足时，密封块受到的密封水上升压力不足，容易发生密封块沉降，或者密封块沉降后无法将其托举回位，进而导致大轴密封间隙扩大，失去止漏作用，造成顶盖水位异常上升。

（2）机组停机时，受转轮室水压变化，大轴密封水水压会产生一个向下的波动，停机完成后会恢复。

（3）在新更换大轴密封块后，因其密封效果好，为避免出现密封块烧损，要求运行时大轴密封水按额定值下限0.02 MPa调整。这时，大轴密封水水压在正常运行时刚好够用。但在停机时，受尾水水压波动影响，或大轴密封块发生轻微卡阻，就可能会因大轴密封水水压稍小于大轴密封块复位所需水压，造成密封块失效。

3.3 新安装大轴密封块缺少磨合

大轴密封块与密封座凹槽之间间隙较小，新更换的大轴密封块因存在磨合问题，停机时，转动环在机组轴向推力作用下，将密封块下压2～3 mm，密封块被卡在密封块座上，转动环回位后，密封块不能随之顶起，导致密封间隙扩大，加剧顶盖漏水。只有经过一段时间运行磨合后，密封块形状趋于圆滑，才不易发生沉降卡阻。

3.4 三要因之间的相互影响

需要说明的是，这三个要因并不是完全独立起作用的，有时候它们是相互影响，综合起作用的，单个要因并不一定会导致大轴密封失效而引发顶盖水位异常上升，但两个或三个要因同时出现时，则导致大轴密封失效而引发顶盖水位异常上升的概率大增。

4 三步停机法

因三个要因都是在停机后造成主轴密封块沉降后不能自行浮起，从而致使大轴密封失效，所以其主要对策就是找到减少停机过程中主轴密封块下压量，以及保持大轴密封有效水压的停机操作方法。

分析1：机组停机过程中的大轴密封块的下压量（幅度和速度），是由停机时的流量变化引发机组轴向水推力突变产生的，所以只要能减缓停机时的机组流量变化速度，就可以有效减小停机时密封块下压量（幅度和速度）。如采用分步缓减负荷，将减负荷时间延长一倍，大负荷区（＞35 MW）快减，小负荷区（＜35 MW）慢减，效果十分明显。

分析2：停机时，受转轮室水压和尾水水压变化波动，大轴密封水水压会产生一个波动，采用上述的分步缓减负荷，就可以有效减缓停机减负荷时段转轮室水压突变和尾水水位变化，减小大轴密封水水压的向下波动幅值，从而保持大轴密封有效。

分析3：常规停机时，从机组减负荷至空载再到导叶全关后至转轮室水压稳定的全过程中，机组大轴密封运行状况都处于一个连续的动态过程，容易产生不利条件叠加的情况，致使密封块沉降，甚至密封失效。如果将这个连续动态过程打断，如在减负荷后先空载一定时间，再发停机令停机，则可有效减少密封失效的概率。

根据以上分析，制定出保持大轴密封有效性的“三步停机”操作法：①缓慢减负荷到零；②让机组空转2 min；③发停机令。可有效减小停机时的大轴密封水水压下降波动，同时还可减缓机组导叶关闭速度，减轻机组轴向水推力，能显著起到改善机组停机时的大轴密封效果。

5 减少2号机停机后顶盖水位异常上升率的运行方面的方法对策

（1）加强停机前的预判：停机前检查尾水水位是否低于66.5 m、是否大轴密封水水压不足，是否新安装大轴密封块。

（2）预判机组停机大轴密封有失效的可能时，采用“三步停机法”停机。

（3）做好停机后顶盖水位异常上升的应急处置预想。

（4）加强对大轴密封水的运行监视及巡视检查，加强监屏工作，避免人为疏漏放任大轴密封水水压不足。

（5）当大轴密封水主、备用水源发生变化时，及时进行倒换，避免断水。

（6）当大轴密封水滤水器出现淤堵，及时要求检修人员进行清理，及时消除淤堵。

（7）编制《停机后顶盖水位异常上升应急处置预案》并投入使用。

（8）班组定期开展相关的应急演练，使人员熟悉操作流程。

6 对策实施效果

实施了相应的“减少2号机停机后顶盖水位异常上升”对策措施以后，运行值班人员在日常停机操作过程中，积极采取停机前预判、提前启动顶盖泵、机组三步停机、预备冲气、预备投围带等有效防范措施，并在日常中加强了对大轴密封水的监视和调整工作。经验证，在2019年8月至12月效果验证期内，2号机共停机61次，发生顶盖水位异常上升3次，发生率由原11.5%降至4.9%，有效减少了2号机停机后顶盖水位异常上升率。