金沙水电站水轮机顶盖液位过高故障分析及处理

赵冉　李星志

摘要：为解决金沙水电站1号机组在启动调试阶段出现的水轮机顶盖液位过高故障，利用排除法和真机试验法进行了全面分析。通过检查动作信号及逻辑、检查顶盖排水系统、分解检查主轴密封，综合分析了导致顶盖液位过高的根本原因。通过清理主轴密封、优化控制流程、更换滤水器滤芯、检查真空破坏阀动作灵活性及可靠性、排查自动化元件，在机组安装、调试及运行过程中采取了相应的防范措施。通过机组启动试运行试验验证，证明以上分析和处理是正确的，避免了其他机组发生此类故障，确保了机组安全、稳定运行。研究成果可为水电站水轮机顶盖液位异常故障的分析和处理提供借鉴。

关键词：水轮机; 顶盖液位过高; 故障分析及处理; 金沙水电站

中图法分类号：TV734.2 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.013

文章编号：1006 - 0081（2022）07 - 0078 - 04

0 引 言

金沙水電站位于四川省攀枝花市西区金沙江干流中游末端的攀枝花河段上，电站装机容量560 MW，安装4台140 MW的轴流转桨式水轮发电机组，转轮直径10 650 mm，为目前国内在建项目中转轮直径最大机组，设计年平均发电量21.77亿kW·h。水轮机为通用电气水电设备（中国）有限公司制造，型号为ZZ（JS）-LH-1065，额定水头为16.8 m，额定流量为938 m3/s，额定转速为57.7 r/min。发电机型号为SF140-104/16950，制造厂家为浙江富春江水电设备有限公司。水轮机顶盖为水轮机导水机构的主要组成部件，顶盖排水系统的正常与否直接影响着机组的安全、稳定运行。金沙水电站机组顶盖排水系统设置3台WQ20-35-3（WQ20-22-3）型潜水排污泵，其中1台工作，2台备用，功率为7.5 kW，额定扬程22 m，额定流量22 m3/s，设有高水位备用泵自动投入和报警装置，顶盖排水控制系统能根据顶盖水位的变化自动启停，并以I/O点的方式从水轮机仪表盘和/或水轮机端子箱接入电站计算机监控系统。该监控系统从顶盖排水控制系统采集顶盖内水位报警信号、排水泵运行/故障信号。顶盖水位正常与否与主轴密封设计、安装质量、各部件密封效果及水质存在较大关系。本文从金沙水电站安装、调试过程中发生的真实案例展开分析，并采取了一系列防范措施，从本质上消除导致顶盖液位过高的诱发因素，避免了由此可能引发的运行风险和安全事故。

1 故障现象

在水头较高的混流式水轮机中，主轴密封通常与机组转轮的其他止漏部件配合，是水轮机一道重要保护装置[1]。主轴密封主要是检修密封和工作密封，检修密封为空气围带，工作密封主要由密封环、浮动环、抗磨环、水箱、导向杆、弹簧及水箱盖组成，通过主用水源或备用水源水压与弹簧共同作用于浮动环，使浮动环保持在抗磨环平面上，并使其之间形成水膜，起到润滑和密封作用，主轴密封结构见图1[1]。主用水取自清洁水源，水压为0.3 MPa，主轴密封备用水源取自技术供水系统，水压为0.15～0.35 MPa。主轴工作密封控制系统以I/O点的方式从水轮机仪表盘和/或水轮机端子箱接入电站计算机监控系统。电站计算机监控系统从主轴工作密封控制系统采集主轴密封水示流信号及进口压力信号、调节密封水过滤器压降信号、工作密封加压泵运行/故障信号;根据开/停机流程要求，开启/关闭主轴密封水电磁阀;可根据密封水压是否满足主轴密封运行要求，对主轴密封供水加压泵进行远方启/停控制。通过以上控制保证主轴密封水正常运行，同时参与机组开、停机控制流程。2020年12月15日，根据机组启动大纲要求并经调度批准后，1号机组上位机开机并将机组负荷带100 MW并网发电，机组运行5 min后，3台顶盖排水泵连续启动，上位机报水轮机顶盖液位过高动作、水导油槽液位过高报警动作发电机水机保护启动、1号机组机械过速保护动作，监控系统启动机组事故停机流程停机。

2 原因分析

通过检查分析，水轮机顶盖排水系统动作及信号正常、保护回路及动作逻辑正常、顶盖排水系统设备工作情况正常，通过对主轴密封进行分解检查，主轴密封抗磨环与浮动环动作可靠，排除了“浮动环动作行程不够”造成主轴密封漏水增大的原因[2]。通过分析和论证，导向杆处存在少量杂物，但这不足以导致浮动环发卡引起主轴密封漏水，机械过速装置安装位置正确，不存在因机械过速装置安装错误导致保护误动作的情况[3]。

综上所述，排除了因顶盖排水系统故障导致的水位上升及水机保护误动作的可能，结合实际情况综合分析判断，确定导致顶盖液位异常升高的具体原因如下：① 机组开机前，因顶转子导致密封环、浮动环随水轮机主轴抬起。转子落下动作过程中，因组合密封方向安装错误，导致浮动环与组合密封摩擦力增大，密封环、浮动环未回落到初始位置，密封环与抗磨环摩擦副间隙增大。② 当机组增加负荷时，水轮机转轮因水推力向下位移，再次增大密封环与抗磨环摩擦副间隙，而水压从水箱与浮动环之间从下往上挤压组合密封，组合密封受从下往上水水压影响凹槽被挤压收缩，造成间隙，使流道里的水迅速进入水车室。③ 3台顶盖排水泵依次启动，仍不能保证排水到正常水位，水位迅速上涨，淹没水导油槽上盖板，导致水导油槽进水，水导油槽液位过高报警动作。④ 水位继续上涨，淹没机械过速装置电气接点，导致动作接点短路，接通机械过速保护回路，启动监控系统事故停机流程，造成机组事故停机，水轮机顶盖及主轴结构示意见图2。

经调查分析，在安装过程中，施工人员未认真研究图纸并领悟设计意图，误以为主轴密封组合密封凹糟水平向外可以达到封水效果。与设计人员交流后得知，此设计意图为在机组正常运行时往上的水压会使得水填充凹槽向下的密封，从而使密封膨胀达到更好的密封效果。

3 现场检查及处理情况

3.1 检查动作信号

停机后采取安全措施，现场核对监控系统报警信息、动作信号与现场设备实际动作情况，水轮机顶盖2，3号泵运行动作、水轮机顶盖液位过高动作、水导油槽液位过高报警动作均与实际情况相符，且检查发现，顶盖液位过高只发送报警信号，未参与监控系统停机流程。水导油槽油位显示140 mm，高于正常工作油位35 mm（根据设计要求水导油槽油位报警值为130 mm，正常工作油位为105 mm），由此判断液位上涨导致油槽进水，水导油槽油位显示异常上升。

3.2 检查保护回路及动作逻辑

经检查发现，过速保护回路及动作逻辑正常，切向过速检测器（离心摆）未动作，查看监控系统相关记录，显示机组转速电气一级过速保护值未达到115%nr，为回路接点短路，实际转速也未达到机械过速保护动作值155%nr。

3.3 检查顶盖排水系统工作情况

停机后投入检修密封及发电机组制动器，检查顶盖液位为1 625 mm，已超过顶盖报警值1 597 mm，手动启动排水泵进行排水，分别对3台顶盖排水泵工作情况及顶盖液位计进行检查，对3台排水泵进行手动启动试验，排水泵启动正常，运行参数满足运行及设计要求，顶盖液位计开关量和模拟量输出正常，顶盖排水泵控制系统各信号及动作逻辑正常，排水管道无异常。

3.4 分解检查主轴密封

拆除主轴密封环形水管与供水管连接法兰、12根供水软管、12套弹簧压紧机构、6套导向杆装置;拆除水箱盖与水箱连接螺栓，吊起水箱盖、浮动环和摩擦环，对水箱盖与浮动环间隙、弹簧压缩量、导向杆灵活性、摩擦环表面和抗磨环磨损情况及光洁度、密封条磨损情况、水箱内泥沙沉积情况进行检查。上述部件均未发现异常现象，检查主轴密封橡胶组合密封，发现密封条装配方向错误，图纸设计密封槽向下，实际安装为密封槽开口水平向外。另外，主轴密封抗磨环与浮动环、导向杆处存在少量杂物。清洗主轴密封各部件，更换密封条，并按照设计图纸要求重新安装。主轴密封回装完成后，进行转子顶起、测量回落过程中浮动环轴向位移和主轴密封通水后浮动环上升值，用百分表测量浮动环随转子顶起、落下过程中，轴向位移均为3 mm（上、下位移），主轴密封通水后浮动环抬升量为0.06 mm，均满足设计要求。清理水箱内部少量淤泥，清除主轴密封抗磨环与浮动环、导向杆处少量杂物，确保各部件安装正确，动作灵活。现场检查如图3所示。

3.5 优化控制流程

鉴于顶盖液位过高是事故停机流程启动源之一，对监控系统停机流程进行优化，将顶盖液位过高报警信号接入监控系统停机流程，确保顶盖液位过高时机组安全停机，保证设备和人身安全，以防事故扩大甚至造成水淹厂房事故的发生。

3.6 更换滤水器滤芯

根据现场实际情况，经与设计人员沟通，对过滤元器件做相应改进[4]，将原过滤精度为0.15 mm的滤芯更换为0.20 mm，解决了在前期试运行过程中滤水器频繁堵塞的情况，也保证了机组运行对主轴密封水流量及压力要求，避免了因主轴密封润滑水水压或流量不满足运行要求造成的主轴密封抗磨环或浮動环磨损，机组在正常运行过程中抗磨环的使用寿命也得到了保证，从本质上解决了因抗磨环和浮动环磨损造成的漏水问题，避免了因漏水量过大导致顶盖液位过高的风险。

3.7 检查真空破坏阀

为防止机组在运行过程中导叶关闭时造成转轮室真空而产生抬机现象，设计阶段在内顶盖均匀布置了8个真空破坏阀，对所有真空破坏阀进行全面检查，包括弹簧、轴套、密封件、导向销及其他附件的磨损情况，并检查其动作行程是否到位、导向销是否偏移、弹簧是否磨损以及是否密封等[5]。

3.8 检查自动化元件

定期检查顶盖液位计模拟量和开关量信号是否正常，并确保其开出信号可靠、真实，在顶盖液位异常时能发出正确信号，从而控制排水泵正常启、停，同时运行值班人员应及时发现异常情况并采取有效措施，以防顶盖液位过高造成事故扩大。

4 结 语

在金沙水电站1号机组调试过程中，主轴密封安装错误会造成漏水。针对主轴密封漏水量过大造成保护回路短路，导致保护动作甚至机组事故停机的情况，通过现场检查、原因分析，最终查明了此次故障发生的根本原因，并采取了处理措施。机组重新开机试验并试运行，证明以上的分析和处理是正确的。应足够重视设备关键部位的安装，尤其是水轮机主轴密封及顶盖排水系统等关键部位。安装中的微小问题都可能会造成顶盖液位过高，如因主轴密封结构损坏、真空破坏阀故障、自动化元件故障或因排水系统故障导致漏水量过大，得不到及时有效处理，可能会导致机组事故停机或事故扩大，甚至存在水淹厂房的风险。因此，本次故障的正确处理及防范措施对今后处理同类型电站顶盖液位异常提供了宝贵的故障分析和处理经验，具有一定借鉴意义。

参考文献：

[1] 翟建平，廖焕华.水轮机主轴密封漏水的故障分析及处理[J].润滑与密封，2011，36（12）：104-106，116.

[2] 李佳楠，蒋巍巍，魏世全，等.枕头坝一级水电站满负荷工况下主轴密封漏水问题分析与处理[J].水电与新能源，2021，35（5）：58-60.

[3] 李军. 阿海水电站主轴密封故障分析与处理[J]. 云南水力发电， 2018， 34（3）：27-30.

[4] 邓建华.沙坡头水电厂水轮机主轴密封故障处理[J].水电站机电技术，2009，32（6）：35-37.

[5] 刘定伟， 赵彬， 蔡银辉，等. 深溪沟电站水轮发电机组真空破坏阀优化改造[J]. 人民长江，2015，46（24）：97-100.

（编辑：唐湘茜）

Analysis and treatment of excessively high fluid level of turbine roof cover

ZHAO Ran， LI Xingzhi

（Sichuan Energy Panzhihua Hydropower Development Co.， Ltd.， Panzhihua 617000， China）

Abstract： In order to solve fault accident of excessively high fluid level of turbine roof cover of Jinsha Hydropower Station's No. 1 unit in startup stage， exclusion method and real machine tests were used to conduct a comprehensive analysis and study， including check the action signal and logic， check the roof drainage system， check main shaft seal， and the root causes are comprehensively analyzed. By checking and cleaning the spindle seal， optimizing the control process， replacing the water filter element， checking the action flexibility and reliability of the vacuum damage valve， and checking the automatic elements， relevant preventive measures are taken in the unit installation， commissioning and operation. The unit startup test showed that the above analysis and treatment are correct， which avoids the similar faults for other units， ensures the safe and stable operation of the unit.The analysis results can provide reference for the analysis and treatment of abnormal hydraulic level of turbine.

Key words： turbine; excessively high fluid level of turbine roof cover; fault analysis; Jinsha Hydropower Station