双岭水电站转轮体进水事故原因分析及其应对措施

宋恒文

(本溪多益资源开发有限公司，辽宁 本溪 117200)

双岭水电站转轮体进水事故原因分析及其应对措施

宋恒文

(本溪多益资源开发有限公司，辽宁 本溪 117200)

水电机组油系统进水属于较严重问题。双岭电站一号机组大修后出现了转轮体轮毂进水现象。本文结合该实例介绍了相关系统的工作原理，分析了事故发生的原因，阐述了所采取的应急措施及技术改造方案，供类似工程参考。

水电站；转轮体进水；应对措施

1 电站概况

双岭电站位于辽宁省本溪市桓仁县浑江干流上，上游为太平哨水电站，下游为金哨水电站。电站由大坝、输水系统、主副厂房、开关站等主要建筑物组成。水库正常蓄水位152.50m，水库设计洪水位(P=1%)159.92m，水库校核洪水位(P=0.2%)163.74m。电站额定转速107.10r/min，飞逸转速326r/min；受油器中心高程(即转轮轮毂中心高程 )130.25m，转轮轮毂高位油箱设计油位高程159.00m，发电机层高程(即调速器回油箱高程 )145.00m。电站装机容量50MW，设2台单机容量为25MW的灯泡贯流式(卧式)机组。多年平均发电量1.37亿kW·h。水库正常蓄水位152.50m时电站库容2050万m3。电站在辽宁省电网中担任调峰、填谷和紧急事故备用等任务。

2 异常现象

2016年1月，一号机运行过程中，工作人员在进行调速器集油箱巡回检查时，发现其内透平油有较为严重的含水乳化现象，水电机组在油系统进水工况下运行，会对相应系统造成不可逆的严重损伤。

事故发生后，运行人员按程序将此台机组退出系统运行，并随即对除转轮体以外可能造成油系统进水的所有设备及部位进行了认真检查，均未发现异常，后经分析并最终确认：进水部位为转轮桨叶密封处。

3 事故发生背景

事故发生前30天(2015年12月22 日)双岭电站历时80天完成了一号机组A级大修工作。试运行过程中及试运行后的各项检查指标均符合相应标准及规范要求，随后机组投入商业运行。大修期间，对一号机组调速器进行了改造，将原步进电机式调速器更换为数字/比例阀式调速器。在机组运行期间加强了调速器设备的巡回检查，其运行稳定可靠，尤其是在其无调节输出时，调速器主阀复中稳定效果显著，接力器在开关两方向均无漂移现象。

4 发生事故的相关系统运行原理

4.1 桨叶工作密封

桨叶工作密封为单向密封(见图1)，当转轮体轮毂内油压大于外部流道水压力时，密封在压差作用下张开，起到封水作用。反之，如外部压力大于其内部压力，流道内的压力水将沿转轮体与桨叶轴的接触面经过密封进入到转轮体轮毂内。

图1 桨叶叶片工作密封示意图

4.2 桨叶接力器

桨叶接力器主要由不动的活塞和活动的缸体两部分组成(见图2)，缸体在调速器开、关操作压力油作下，做左、右移动，驱动桨叶拐臂，带动桨叶完成开、关操作。缸体与固定部件间采用瓦面密封形式，并于密封铜瓦内设密封胶条，以防止压力油由此串入转轮体轮毂内。接力器缸体开、关腔上分别设有节流活塞，其作用是由接力器向转轮体轮毂内补充压力油，以保证轮毂内压力满足运行要求。

图2 桨叶接力器示意图

4.3 受油器

受油器装于发电机端轴处，来自调速器的压力油由受油器通过操作油管分配给桨叶接力器，以操作转轮桨叶转动；来自轮毂油箱的透平油亦通过受油器为转轮轮毂供油，保证转轮体内的油压力高于流道中的水压力，以防止流道内压力水通过桨叶单向密封进入转轮体(见图3)。图3中浅灰色部分为转动的机组端轴；深灰色部分为不动的受油器；轴与固定部件间采用轴瓦密封，黑色粗实线为轴瓦与轴的接触面，也是各腔压力油的串油部位。

图3 受油器原理示意图

机组设计中采取了用调速器压力油的串油为转轮轮毂补油的方案，以保证轮毂油压(见图3)。开腔压力油串油一部分由轴瓦直接进入轮毂供油腔，一部分由轴瓦串油至油路①；关腔压力油串油一部分串至油路①，另一部分串至油路②，还有一部分经由轴瓦④至“漏油腔”；油路①、②压力油经由连通油路③为转轮轮毂补油；轮毂供油腔压力油及油路①中部分压力油也会经由油路②及轴瓦④串至“漏油腔”(无压腔)，由其直接排至“漏油箱”。

5 事故排查及原因分析

5.1 上游库区水位过高

轮毂油箱油位为设计油位159.00m时，如上游库区水位过高，使得桨叶密封处流道水压力大于转轮体内部油压力时，则流道内的水将会由桨叶单向密封进入转轮轮毂内部。轮毂油箱至转轮中心线间的高差为28.75m(即159m-130.25m)，其用油为46号透平油，油密度在0.90～0.91g/cm3之间，为方便比较，按油最小密度将油位高差转换成水位高差为25.88m(28.75m×0.9)，其值为远大于上游最高水位至转轮中心线间的高差22.45m(即152.70m-130.25m)。且事故发生之前，电站水库水位均未达到最高运行水位，而设计中也已考虑了此类极端因素，因此，该因素引发事故的可能性被排除。

5.2 桨叶工作密封质量问题

机组大修前电站从原机组制造厂订购了机组桨叶密封，密封件的材质、制造工艺、尺寸均与原密封件相同，且制造单位随货提供了相关的试验检测报告。大修中，对转轮体放出的透平油进行了认真观测，发现油质合格，并无进水现象。之后，对四只桨叶中的一只进行拆卸抽查，发现其密封件无破损现象，外观状态完好如初，鉴于此，大修指挥部经研究决定，不再对其他三只桨叶进行拆卸检查，只对已拆卸的桨叶工作密封进行更换。事故发生后，在采取应急措施且未改变桨叶密封的情况下，未再发生进水事故。因此，桨叶工作密封质量问题引发事故的可能性被排除。

5.3 桨叶工作密封安装质量不合格

大修中，只对一只桨叶工作密封进行了更换，更换过程中严格执行了《水轮机安装作业指导书》相关要求，各项数据指标经检测均符合标准规定。事故发生后，在采取了其他应急措施但未改变桨叶密封的情况下，未再发生此类事故。因此，桨叶工作密封安装质量问题引发事故的可能性被排除。

5.4 受油器安装质量不合格

如受油器浮动瓦与机组端轴配合间隙过大，会使轮毂油箱供给的压力油串油量增加，造成一定的压力损失，使供给转轮体轮毂的压力油压力不足，进而造成流道压力水在差压作用下进入转轮体内。事故发生后，检修人员对受油器部位的摆度及其串油情况着重进行了监测，并与历史数据进行了存细对比分析，但并未发现异常。因此，此因素引发事故的可能性被排除。

5.5 调速器改造的影响

调速器改造确实对转轮体轮毂供油系统产生了重大影响。改造前，步进电机式调速器即使在微机程序无调节输出的情况下，控制调速器引导阀的步进电机也处于微动状态，以保证有控制输出时能够进行快速响应，使调速器主阀始终不能完全处于中位，因此，始终有少量压力油通过调速器主阀进入受油器及桨叶接力器。接力器内压力油通过位于其缸体上的节流塞为转轮轮毂补油，使轮毂压力高于轮毂油箱高差所产生的压力，进而使转轮轮毂压力油由操作油管上返至轮毂油箱，其油循环路径如下：调速器压油罐→调速器→受油器→桨叶接力器→接力器缸体节流塞→转轮体→操作油管及转轮体进油管→轮毂油箱→溢油管(溢油)→调速器集油箱→压油泵→调速器压油罐，如此循环往复。此外，如前所述，机组受油器设计中，采取了用调速器压力油的串油为转轮轮毂补油的方案。此两种方案保证了机组无论处于何种工况(机组开机/停机、调速器微机程序有无控制输出)下轮毂油箱透平油始终处于上涌状态，根本无须担心油箱内油量不足、油位无法保证的问题。基于此，系统设计中亦未考虑其他补油措施(如压油泵或其他方式)。

改造成微机数字/比例阀控制后，调速器控制压力油通断的主阀采用先进的自动复中技术，当调速器微机程序无控制输出时(即停机或机组运行而机组不进行负荷调整时)，比例阀(或数字阀)不动作，此时调速主阀自动复中，将主阀开/关两腔油路完全封住，无压力油通过调速器进入受油器及桨叶接力器；此工况下，受油器处不但无调速器压力油串油为轮毂补油，反之，还会有部分轮毂压力油串油至受油器“漏油腔”后，经管路排至漏油箱，进而造成轮毂油箱供油损失，使其油位降低。

调速器改造初期，检修人员并未意识到改造可能造成的上述不利影响，且并未对轮毂油箱油位加强监控。流道充水后发现油箱内油位已降得很多，以至在油箱内已观测不到油位(根据加油量已无法推算其油位降低程度)之后才对油箱进行了补油处理。如当时油位已降至155.20m以下，则流道水压将会大于转轮轮毂内油压，进而造成进水事故。因此，该因素具有引发进水事故的可能性。

5.6 转轮体内有气体淤积

机组大修回装完成后，流道充水前，须对转轮体进行充油，并从位于转轮体上的溢油孔检查其充油情况(油流满后会由溢油孔溢出)。检修人员严格按标准、规范及作业指导书要求进行了充油操作。

调速器油压管路及位于其内部的桨叶接力器须待转轮体轮毂充油后、流道充水前依靠调速器反复动作进行充油(同时排气)操作，接力器活塞在调速器油压作用下反复动作过程中，其内淤积的部分气体由压力管路排出，但部分气体会在压力作用下经由设于其缸体的节流塞进入转轮体轮毂内，并在其内部淤积形成气囊，无法及时排出。由于气囊具有可压缩性，流道内的压力水极有可能利用气囊的可压缩性由桨叶密封处进入转轮体内。因此，由转轮体内气体淤积引发转轮体进水事故完全有可能。

综上所述，造成转轮轮毂体进水事故的可能因素主要如下：一是调速器改造，引起轮毂油箱油位降位，进而造成此进水事故；二是机组大修后，转轮体内存在气体淤积，无法及时排出，由于空气气囊具有可压缩性，造成此进水事故；三是轮毂油箱未设计备用自动补油设备(或装置)，原设计充分利用了步进电机式调速器的特性，未预测也无法预测调速器技术革新所引发的问题，因此，设计中未考虑备用自动补油方案也是情有可原的；四是桨叶工作密封形式有待改进。

6 所采取的应急措施及技术改造方案

6.1 采取的针对性措施

措施1：发现轮毂油箱油位降低现象，经分析认定：此现象为调速改造所至，且并非为暂时性问题，应考虑永久性的轮毂油箱补油方案。补油措施：在轮毂油箱内设液位控制器，在发电机层调速器回油箱处设高压油泵，由调速器回油箱通过增设的油泵及供油管路为轮毂油箱补油，油泵通过机组PLC程序进行自动控制，以保证油箱内油位。

措施2：考虑到上述措施中可能出现的油泵损坏、液位控制器失灵、PLC设备断电等系列风险，均可造成严重后果。电站采取第二种轮毂油箱补油措施：调速器压力油油源管路(与压力油罐连通，工作压力为6.3MPa，不论何种工况，均处于有压状态)处增设一分支油管接引至受油器轮毂供油腔，且在受油器上增设压力表，以便掌握轮毂供油油压情况，可通过调节增设于支管上的流量调节阀，控制转轮轮毂供油压力。经反复调整发现，当压力为0.26MPa时，轮毂油箱内透平油上涌状态基本与调速器改造前的状态一致。采取此措施后，轮毂油箱实现了自动补油。经研究决定：措施2作为主补油措施，措施1则作为备用补油措施，处于热备用状态。

措施3：转轮轮毂进水事故发生后，电站进行了为期近1个月的滤油工作，最终使调速器系统油的油质达到使用标准要求，并在工作中加强了针对轮毂油箱油位及调速器回油箱内油质的巡回检查，之后再未出现过此类事故。

6.2 桨叶密封技术改造方案

6.2.1 桨叶密封改造方案

事故发生后，经分析认为：原机组桨叶密封效果过分依赖转轮轮毂油压，有待改进。电站借鉴下属金哨水电站立式轴流转浆机组桨叶密封形式(双向密封)，并与密封设备制造单位就双岭电站桨叶密封改造方案进行了充分的沟通与交流，最终确认双岭电站桨叶密封形式由单向密封改为双向密封的方案可行。2016年10月，电站实施此改造方案。至今，机组设备运行正常稳定。

6.2.2 改造的意义

双向密封的工作原理为：内侧密封的弧面向内，密封在轮毂油压的作用下张开，起到密封作用；外侧密封的弧面向外，密封在外部水压的作用下张开起到密封的作用。

双向密封即使在轮毂内部严重失压的特殊工况下，其外侧密封也可在外部水压作用下张开，起到良好的封水效果，将在很大程度上降低转轮轮毂进水事故发生的可能性。

7 结 语

双岭电站对轮毂油箱油位降低现象及转轮体轮毂进水问题的分析判断是准确的；针对调速器改造造成的转轮轮毂压力油补给方式的改变，所采取的接引压力油源及压油泵两种补油措施是合理可靠的；为了尽力避免转体进水事故发生，所进行的桨叶密封改造是成功的。双岭电站调速器改造所引发的系列问题值得在类似的改造活动中予以重点关注，其成功经验值得国内同类水电发电单位借鉴，以保证机组正常可靠运行，发挥最大效益。

Cause Analysis and Countermeasure of Water Ingress Accident of Runner Hub of Shuangling Hydropower Station

SONG Hengwen

(BenxiDoyiResourcesDevelopmentCo.,Ltd.,Benxi117200,China)

Hydroelectric sets oil system water ingress problem is a more serious problem. After the overhaul of Unit 1 of Shuangling Power Station, the phenomenon of wheel hub water ingress appeared. This article describes the working principle of the associated system in conjunction with this example and analyzes the causes of the accident. The emergency measures and technological transformation plan are described for reference of similar projects.

hydropower station; water ingress of runner hub; countermeasure

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.03.014

TV73

B

1673- 8241(2017)03- 0050- 05