老挝某电站技术供水泵运行异常的分析与处理

石振球，毛华匡，高 岗

(浙江富春江水电设备有限公司，浙江 杭州 311121)

1 概 述

某电站位于老挝阿速坡省，水源来自于Bolaven高原XN河上的1座蓄水大坝。蓄水后，水库中的水通过1条长引水隧道输送，获得约650 m的水头；水流通过水电站后，最终被排泄至XK河释放。该电站总装机容量为412.8 MW，配备了3台124 MW(1～3号机)的混流式机组和1台40.8 MW(4号机)的冲击式机组。

该电站技术供水系统采用开闭环双系统水泵单元供水设计。开环系统通过主备水泵从尾水管取水，经滤水器过滤后，通过板式热交换器给闭环系统冷却，最终换热后的开环冷却水排至尾水渠；主备泵的启停通过电动阀自动控制。闭环系统冷却水为清洁水源，通过主备水泵不断闭环循环，循环水经过板式热交换器，通过开环系统冷却水进行冷却，用于水轮发电机组各部件的最终冷却。开闭环系统换热原理如图1所示。

图1 开闭环系统换热原理图

2 故障经过

根据现场反馈，电站自2019年7月5日1号机满负荷运行时，发现开环系统主备2台技术供水泵无法按正常设定时间切换(设定值为每隔6 h对泵进行切换，但其中任意一台主水泵运行时间到达后，均无法正常切换至另一台备用水泵)，且连续运行超过2～4 h后2台水泵均会出现空载现象，导致闭环水无法冷却后水温上升而被迫停机。开环系统设备布置图如图2所示。

图2 开环系统设备布置图

3 现场检查

根据经验，水泵空载的常见几个原因如下：

问题发生后，现场立即对水泵控制系统进行检查，发现水泵控制系统并不存在任何问题。随后对开环系统设备及管路进行检查，现场发现，水泵前的阀门一直处于正常的常开状态；水泵及管路安装较为规范，进出口管路连接紧密；水泵及管路密封性能良好，不存在明显漏水现象，且水泵及管路刚安装不久，水泵空载前也能正常进行运转，故不存在泵流道腐蚀较大问题，流道也无明显堵塞及卡阻情况。

检查中还发现，开环总进水管(取水口处，泵前)最高点已安装浮球式排气阀。现场跟踪检查后发现，技术供水系统运行期间，该排气阀未能正常排气，后对空载水泵排水时发现，水泵前后积攒了大量气体。

现场发现水泵憋气后，通过对水泵3 d连续运行及排气观察得出以下规律：

一是开环主水泵运行时必须对备用水泵进行排气(备用水泵处会产生气体)，每隔1 h手动通过水泵后压力表表阀处进行排气；如不定时排气将会造成已运行的水泵内进入空气，导致已运行水泵空载运行，每隔1 h排气时长约1～2 min。

二是每隔6 h主水泵切换至备用水泵时，需提前5 min对备用水泵进行排气；如不提前排气将会导致水泵切换失败。

4 原因分析

4.1 开环技术供水管道存气来源分析

(1)取水口

常温下氧气和二氧化碳均能一定程度地溶解于水中，其溶解空气的最大体积含气率约为2%(即水中包含的溶解性气体约为20 L/m3)，这部分气体从坝区取水口流入输水管道时即存在于水流中。

(2)输水管道

电站水源来自蓄水大坝，蓄水后，水库中的水将被引水隧道输送；输水管道长，管网起伏大，输水过程中会使局部产生真空，致使管道会从排气阀或其他较高点处进行吸气，进而使输水管道中的气体含量增多。

(3)机组自然补气或强迫补气

为了消除或减轻水轮机流道中各种较强烈的水压脉动或振动以及为了消除或减轻水轮机气蚀，水轮发电机组设计时一般会考虑向流道中补入大气或压缩空气。由于本电站水头较高，水轮发电机组顶盖处设计了自然补气和压缩空气强迫补气的双补气组合(根据机组实际情况，自然补气系统一直在使用，强迫补气系统一般情况下无需进行使用)，当流道内真空达到一定程度时，补气系统会进行工作，从而为机组进行补气。

4.2 现有排气阀排气效果不佳原因分析

气液两相流中，不同的流量、压力、管路布置状况和管道几何形状都会造成不同的流型，为了便于讨论，且综合水轮发电机组中设计流速，以较为平坦的管道为例进行分析。根据两相介质分部的外形划分，常规的气液两相流型共分为如下8类，详见图3。

图3 常规气液两相流型图

输水管道充水排气过程非常复杂，一般来说刚开始充水时管道流态多为层状流、波状流或环状流，排气较为容易；后期则多呈段塞流或泡沫流状态，气体的排出就较为困难了。因为该项目技术供水开环段输水管道坡度不大，正常运行时管道中大多是一段水一段气的段塞流状态，浮球式排气阀的浮力仅几公斤重；而排完第一段气体，水就把浮球托起，第二段气体开始带压，气体对浮球的脱力足以将浮球一直处在关阀状态；故排气阀哪怕安装在最高处，也不再自动开启排气，从而在段塞流状态中失去排气功能。

4.3 泵前后气体积攒原因分析

管路气体带压后，因排气阀已无法正常排气，大量的气体随着水流继续前进。主泵刚开始工作时，能够正常运行，但是由于备用水泵后有常闭电动阀，部分气体开始积攒在暂未运行的备用水泵处且无法排出；随着时间的积累，备用水泵处积攒的气体越来越多，导致主备水泵切换无法正常进行。此时，若继续运行主水泵，备用水泵处积攒的气体超过限度，开始往主水泵处转移，进而让已经正常运行的主水泵也出现憋气空载现象。

5 处理及防范

为了从根本上解决技术供水开环水泵处排气问题，在兼顾了电站实际情况且尽可能保持变动最小的前提下，现场在主备水泵后压力表位置各新增电磁排气阀1套，并设定每小时排气1次，排气时长为2 min；每6 h切换水泵前5 min进行排气。其中，电磁排气阀为两位两通，工作介质为水和气，额定压力0.7 MPa，电压AC220 V，常闭型，得电接通，失电自复归。

电磁排气阀安装调试完成后，开环技术供水泵恢复正常，不再出现主备切换失败或者水泵空载的现象。

鉴于浮球式排气阀在技术供水开环系统中出现问题，现场将电站内其余使用了该类型排气阀的部位均逐一进行检查，并提前进行了必要的处理。

输水管道中的气体主要会造成管道及过流面腐蚀、水泵气蚀等问题，也会造成系统工作不稳定，严重时甚至会造成系统设备无法正常运行。

另外，水泵的气蚀过程虽然比较缓慢，但时间久了水泵就会出现气蚀严重的情况，运行效率降低，甚至会影响到正常工作。

技术供水泵的这次问题及时地提醒了设计人员，在后续排气阀选用时，需全面考虑到不同气液流型对排气方式的影响，应尽量选择切实可行的排气方式。

6 结 语

对于老挝某电站技术供水开环水泵主备切换失败及水泵空载运行的现象，通过现场检查后发现了直接原因，并将此问题予以解决。同时，在直接原因的基础上进行分析，进而得出根本原因及相关解决方案，为后续的系统设计提供了一定的参考意义。