軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組水電站安全性研究

軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組水電站安全性研究

1安全可靠性的次要位置近年來(lái)，我國(guó)水景工業(yè)蓬勃發(fā)展。在經(jīng)濟(jì)效益最大化的驅(qū)動(dòng)下，人們經(jīng)常將水電站的安全可靠性分類(lèi)為重點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外已建和在建的水電站中,軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組的水電站占了很大一部分,由于該型機(jī)組應(yīng)用水頭低的先決條件決定了機(jī)組的外形及其流道尺寸很大,因此,軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組水電站的安全性一直是水電行業(yè)研究的課題。2水輪發(fā)電機(jī)組防飛逸的措施水輪發(fā)電機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)突然甩去部分負(fù)荷或全部負(fù)荷,發(fā)電機(jī)輸出功率為零,此時(shí),若調(diào)速系統(tǒng)工作正常,當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到某一轉(zhuǎn)速,會(huì)自動(dòng)回復(fù)到額定轉(zhuǎn)速;當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組在最高水頭下運(yùn)行而突然甩負(fù)荷,若水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)故障或其他原因使導(dǎo)水機(jī)構(gòu)不能正常關(guān)閉,導(dǎo)葉開(kāi)度最大、水輪機(jī)轉(zhuǎn)速迅速升高,并達(dá)到某一穩(wěn)定的最大值,該轉(zhuǎn)速即為飛逸轉(zhuǎn)速。當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組在飛逸轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,會(huì)對(duì)水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的各轉(zhuǎn)動(dòng)部件及其連接件造成破壞,從而發(fā)生重大事故?！洞笾行退啺l(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》(SL321-2005)規(guī)定“水輪發(fā)電機(jī)和與其直接或間接連接的輔機(jī),在飛逸轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)5min不應(yīng)產(chǎn)生有害變形和損壞”?！哆M(jìn)口水輪發(fā)電機(jī)(發(fā)電/電動(dòng)機(jī))設(shè)備技術(shù)規(guī)范》(DL/T730-2000)要求“水輪發(fā)電機(jī)(發(fā)電/電動(dòng)機(jī))和與其直接或間接連接的輔機(jī)應(yīng)能在飛逸轉(zhuǎn)速下安全運(yùn)行,其時(shí)間為5min”。水輪發(fā)電機(jī)組防飛逸的保護(hù)措施通常有:機(jī)組進(jìn)水口設(shè)置快速閘門(mén)、事故閘門(mén);調(diào)速系統(tǒng)設(shè)置事故配壓閥、純機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置(當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速升高至某一預(yù)先設(shè)定值而導(dǎo)葉不能關(guān)閉時(shí),直接把壓力油引入導(dǎo)葉接力器的關(guān)閉腔,使導(dǎo)葉迅速關(guān)閉);設(shè)置水輪機(jī)進(jìn)水閥或圓筒閥(大型、巨型混流式機(jī)組),因蝸殼進(jìn)口尺寸較大,不能設(shè)置進(jìn)水閥,因此在活動(dòng)導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉之間設(shè)置圓筒閥。圓筒閥具備動(dòng)水關(guān)閉的功能,具有一定的防機(jī)組飛逸的能力,但其主要作用是用于機(jī)組關(guān)機(jī)時(shí)減少水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量,有效消除水輪機(jī)停機(jī)后導(dǎo)水機(jī)構(gòu)間隙空蝕和磨損。圓筒閥的控制方式目前多采用電液同步方式,動(dòng)作時(shí)對(duì)同步性的要求高,因此動(dòng)水關(guān)閉時(shí)一般都要求圓筒閥與快速閘門(mén)配合使用,防止圓筒閥動(dòng)水關(guān)閉時(shí)發(fā)卡、擴(kuò)大事故等。軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)組由于其水頭較低,整體外形尺寸相對(duì)混流式機(jī)組更大,設(shè)置進(jìn)水閥或圓筒閥技術(shù)上是很困難的,經(jīng)濟(jì)上是很不合算的。因此,只能夠利用其他保護(hù)方式來(lái)防止軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)組飛逸。主要措施有設(shè)置事故油壓裝置,以此增加冗余的油源,當(dāng)一路油源故障時(shí),可依靠事故備用油源動(dòng)作接力器,關(guān)閉導(dǎo)葉。但如果發(fā)生操作油管爆裂、接力器故障、導(dǎo)葉剪斷銷(xiāo)剪斷數(shù)量較多、人為誤操作等情況時(shí),事故油壓裝置也不能防止飛逸事故的發(fā)生。比如葛洲壩水電廠機(jī)組投產(chǎn)以來(lái),由于來(lái)水中的雜物較多,經(jīng)常出現(xiàn)個(gè)別導(dǎo)葉剪斷銷(xiāo)被剪斷的現(xiàn)象,曾發(fā)生過(guò)一臺(tái)機(jī)13個(gè)導(dǎo)葉剪斷銷(xiāo)被剪斷,導(dǎo)葉失控不能正常關(guān)機(jī),機(jī)組出現(xiàn)約15～20r/min反轉(zhuǎn),被迫將上游進(jìn)口工作閘門(mén)關(guān)閉,機(jī)組方停止轉(zhuǎn)動(dòng)的事故;又如銅街子水電站曾在調(diào)速器調(diào)試過(guò)程中,由于調(diào)試人員操作失誤,將調(diào)速器滿載開(kāi)度值輸入為空載開(kāi)度值,造成剛開(kāi)機(jī),機(jī)組轉(zhuǎn)速迅速上升,機(jī)組及廠房震動(dòng)劇烈,此時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出指令,立即同時(shí)關(guān)閉該機(jī)組的3扇事故閘門(mén),避免了事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。因此,對(duì)于軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)組的電站,當(dāng)發(fā)生飛逸事故,機(jī)組又不能正常關(guān)機(jī)時(shí),依靠更快地關(guān)閉進(jìn)水口事故閘門(mén)來(lái)切斷水流,防止事故擴(kuò)大,是一個(gè)較為穩(wěn)妥的方案。3事故門(mén)的布置方案由于大、中型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)進(jìn)水口尺寸較大,多設(shè)有中墩,而各孔均需設(shè)置事故閘門(mén),因此每臺(tái)機(jī)組的事故閘門(mén)數(shù)量較多。事故閘門(mén)的布置方式主要有多門(mén)一機(jī)布置方案和一門(mén)一機(jī)布置方案。多門(mén)一機(jī)布置方案:即由一臺(tái)門(mén)機(jī)負(fù)責(zé)多扇事故閘門(mén)的啟閉,當(dāng)需要關(guān)閉(或開(kāi)啟)事故閘門(mén)時(shí),需由專(zhuān)職駕駛?cè)藛T將壩頂門(mén)機(jī)駛到相應(yīng)事故門(mén)槽上方,將鎖定在門(mén)槽中的事故門(mén)葉緩慢放下(或?qū)⒃陂T(mén)槽中的事故門(mén)葉緩慢提起)。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),壩頂門(mén)機(jī)每次放下一扇門(mén)葉大約需要30～45min,以桐子林水電站為例,每臺(tái)機(jī)組進(jìn)水口均設(shè)有3扇事故閘門(mén),加上門(mén)機(jī)吊鉤上行時(shí)間,完成一臺(tái)機(jī)組全部事故閘門(mén)關(guān)閉的時(shí)間大約為3h。若發(fā)生事故時(shí),門(mén)機(jī)駕駛?cè)藛T恰巧不在現(xiàn)場(chǎng),操作時(shí)間是不可估計(jì)的。一門(mén)一機(jī)布置方案:每孔事故閘門(mén)正上方設(shè)置一臺(tái)固定式卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)或液壓?jiǎn)㈤]機(jī),平時(shí)事故門(mén)葉懸掛于門(mén)槽中上部,當(dāng)發(fā)生事故需要關(guān)閉事故閘門(mén)時(shí),除了由關(guān)機(jī)程序與事故閘門(mén)聯(lián)動(dòng)外,還可由運(yùn)行人員在中控室內(nèi)直接操作啟閉機(jī),進(jìn)行關(guān)閉事故閘門(mén)的操作。采用一門(mén)一機(jī)布置方案,每臺(tái)機(jī)組進(jìn)水口的多扇事故閘門(mén)的關(guān)閉過(guò)程幾乎是完全同步的。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),采用固定式卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)操作事故閘門(mén),完成一臺(tái)機(jī)組全部事故閘門(mén)關(guān)閉的時(shí)間大約為15～20min,而采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作事故閘門(mén),該時(shí)間將會(huì)更短。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)所用的液壓缸體及液壓連桿最大加工總長(zhǎng)度受加工技術(shù)所限,不能過(guò)長(zhǎng),而近年來(lái)國(guó)內(nèi)已建或在建的大、中型軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組水電站的進(jìn)水口事故閘門(mén)孔口高度均較高,因此在大、中型軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組水電站進(jìn)水口事故閘門(mén)大多采用固定式卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)進(jìn)行操作。因此事故閘門(mén)布置形式無(wú)論采用固定式卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)操作事故閘門(mén)的一門(mén)一機(jī)布置方案還是多門(mén)一機(jī)布置方案,均不能滿足在5min內(nèi)關(guān)閉事故閘門(mén)的要求,不能作為防止機(jī)組飛逸的措施。在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi),考慮到軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組水電站的事故閘門(mén)不能作為防止機(jī)組飛逸的措施,且采用多門(mén)一機(jī)布置方案在投資方面明顯優(yōu)于一門(mén)一機(jī)布置方案等因素,國(guó)內(nèi)大、中型軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組水電站的事故閘門(mén)布置形式多采用的是多門(mén)一機(jī)布置形式,見(jiàn)表1。根據(jù)各電站機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn),所需事故閘門(mén)數(shù)量各不相同。采用每孔事故閘門(mén)各配備一臺(tái)固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)后,由于每孔事故門(mén)均需設(shè)置啟閉機(jī),且攔污柵、檢修閘門(mén)等仍需要壩頂門(mén)機(jī)起吊,僅僅是壩頂門(mén)機(jī)的起吊容量略有減小,因此機(jī)電方面的投資會(huì)有所增加。且由于啟閉機(jī)的布置位置,可能會(huì)帶來(lái)土建上的投資變化,因此該方案的總投資會(huì)比多孔事故閘門(mén)配備一臺(tái)壩頂門(mén)機(jī)的方案略高。在“5.12”汶川大地震及俄羅斯薩揚(yáng)-舒申斯克水電站發(fā)生重大事故后,國(guó)家對(duì)涉及國(guó)民安全的相關(guān)問(wèn)題更加重視,將水電站的安全可靠運(yùn)行放在了首位。在對(duì)軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組水電站調(diào)研和回訪時(shí),部分采用多門(mén)一機(jī)布置事故閘門(mén)的水電站的運(yùn)行單位提到,雖然至今電站運(yùn)行是安全可靠的,但事故閘門(mén)采用該布置形式是存在一定的安全事故隱患的,并且正在考慮進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改造,以確保電站的安全運(yùn)行。4門(mén)機(jī)關(guān)