蓄能机组抽水调相工况启动失败分析

江志坚

惠州蓄能发电有限公司，广东省惠州 ， 516000

摘要：目前蓄能水电厂对运行值班人员的oncall应急能力要求逐渐提高，运行值班人员故障分析经验相对缺乏。当机组出现故障时，通过对机组的功率、转速、导轴承温度、压水情况、水轮机压力脉动及振动系统等多个维度的运行监控数据进行分析，找出有相同故障特征的数据，进一步缩小故障的范围，最终确定故障的设备。通过运行数据分析统计，可以协助运行人员快速精准定位故障范围和故障设备，因此大大的提高故障分析处理效率。

关键词：蓄能机组、抽水调相、SFC、BTB、机组出力、压力脉动、水环、18X频振动

1. CP工况开机故障现象

SFC拖动#4机组CP工况启动过程中，监控系统检测到机组CP工况开机流程SQ21（SFC将机组由辅助设备启动状态到CP工况并网状态）及SQ21 STEP15(合励磁开关)超时报警，机组因此转停机稳态，SFC拖动#4机组CP工况开机失败。现场使用BTB模式拖动#4机组CP工况开机试验，机组可成功开机至到达并网的转速（450r/min）。

CP工况SQ21超时报警逻辑：机组CP工况进入SQ21流程后，4分钟内机组转速未达到450r/min（90%额定转速），CP工况开机将转正常停机。

2. 故障分析

   1. 功率、转速、励磁电流分析

机组SQ21 STEP15(合励磁开关)超时报警，首先检查机组励磁系统信息。检查发现，当机组转速为故障前最高值（391r/min）时励磁电流为1050A，机组功率为-12.9MW。对比机组正常CP开机对应转速（391r/min）时的励磁电流值（约1050A）和机组有功功率值（约10MVW），发现故障时的励磁电流正常，机组有功功率比正常偏大约2.5MW。

再对比机组使用BTB模式下的机组有功出力，BTB模式下机组到达转速450r/min需要达到功率15.1MW，比正常CP开机至450r/min时功率偏大约5MW。正常情况下，SFC模式下机组的出力只需要10MW左右，而SFC模式下机组出力最大只能达到12.9MW，当机组转动遇到阻力超过12.9MW出力时，机组转速便无法继续增加。而BTB模式下，机组的出力能超过15MW，因此在SFC模式下无法将机组转速提高至并网转速，在BTB模式下却可以成功做到。

通过以上分析，#4机组在发生故障时，机组转动遇到额外的阻力，导致SFC模式下机组无法达到需要的出力，从而导致机组转速无法达到并网转速，机组开机超时。

1. 2. 各导轴承瓦温数据分析

通过对各导轴承瓦温进行分析，可以得到是否存在导轴承间隙过窄，导致与机组大轴间产生摩擦，引起机组转动阻力增大的可能。若各导轴承瓦温偏高，则瓦温偏高的导轴承可能存在间隙过窄的情况。查看故障发生时发电机上导轴承、推力轴承及下导轴承等轴承温度，与以往CP开机时轴承温度进行对比，并未发现温度异常情况。

1. 3. 机组CP工况过程中压水情况分析

2.3.1 CP工况过程中压水过程

即机组CP工况开机过程中，机组转轮室的水体将被高压气体压空，然后机组通过SFC或其他机组拖动，往抽水方向旋转，在CP开机及稳态下，高压气体将维持转轮室的水被压至固定水位以下，以保持机组在最小阻力状态下转动。若转轮室气压不足或水位控制传感器故障，水体将进入转轮室，转轮叶片将与水产生剐蹭，机组转动阻力增加。

2.3.2机组故障报警前压水情况分析

机组的尾水管肘段安装了3个水位信号传感器401SN、402SN、403SN，其主要作用是为机组调相启动和运行时提供尾水水位信号，并控制调相压气和补气。故障前机组CP工况开机进入压水状态后，自上而下的3个水位传感器相继动作，动作情况与正常情况下相对一致。通过分析机组压水气罐压力变化趋势（在正常范围内），可得知压水前气罐压力正常以及压水时在流程设定时间内的进气量正常。再看压水进气液压控制阀471VD开启时间（正常约13-15s），也侧面得知压水时进气时间正常。再与#1机组CP开机时的机组压水气罐压力变化趋势对比，也能反映出#4机压水状态正常。

通过以上分析，可以得机组故障时的压水情况与正常时相同，并不存在水体将进入转轮室导致转轮叶片与水产生剐蹭，机组转动阻力增加的可能。

2.4 机械刹车系统检查、盘车试验

发电机机械刹车系统在机组转动前退出，在机组停机过程中转速降至5%时投入使用，以减少机组的停机时间。机械刹车在机组转动时未完全退出，将会增加机组在转动时的阻力。

在机械刹车系统退出情况下，测量机组机械刹车钳与刹车盘之间间隙，测量值未2.1mm（标准值为2mm），结果正常；手动启动机组机械刹车系统，对机械刹车系统进行多次投退试验，试验结果正常。因此，初步判断机组故障原因与机械刹车系统无关。

高压注油系统在机组在机组转速低于90%时投入，在转速大于90%或转速为0时退出。如果机组在转动时高压注油系统未正常投入，或建立的油膜过低，则会导致机组推力瓦与机组间摩擦力过大，增加机组转动阻力。

手动启动机组高压注油系统，测量高压注油系统油膜，测量结果在0.05mm以上，高压注油系统正常。对机组进行人工盘车试验，盘车过程顺畅无卡阻。因此，初步判断机组故障原因与高压注油系统无关。

2.5 水轮机压力脉动分析

机组在CP工况运行时其转轮旋转在空气中，此时需要形成水环来冷却转轮和密封压缩空气，来自上下迷宫环的冷却水和蜗壳内的水经导叶端面间隙漏至转轮室，由于转轮旋转离心力的作用，这些水就会堆积在转轮和活动导叶之间形成水环，多余的水通过导叶端部的间隙排至蜗壳，再由蜗壳压力释放管排至尾水管，如此保证水环的厚度适中。

如果转轮室的水环压力无法及时排放到尾水管而积聚在转轮和导叶之间及蜗壳中，随着水环的越积越厚，这两个空间内的水压力就会越来越大。

因此蜗壳水压力及转轮和导叶之间水压力这两个数值，在一定程度上能够准够准确的反映出机组在CP工况下是否有水环积聚的情况。通过检查分析数据，发现故障时蜗壳压力为16.9bar，转轮和导叶之间压力1为12.54bar，转轮和导叶之间压力2为11.76bar，正常正常情况下上面三个压力数值分别为8.20bar、9.57bar、8.82bar，三个数值分别要增大了8.70bar、2.97bar、2.94bar。由此可见，故障发生时转轮室内的水环不能及时释放，存在积聚的情况，导致空间内的压力增大。

2.6振动系统分析

振动系统监控数据能够准确的反映出机组的设备状态是否正常，振动系统监控点分别在机组的上导、下导及顶盖等位置，对应位置的振动数据反映出机组对应位置可能存在异常情况。检查本次故障发生时的振动数据，发现CP开机时顶盖X向和Y向水平振动均出现18X频振动，CP启动及运行正常时，顶盖水平和垂直方向振动不会出现18X转频（150Hz）。18X频反映的是水轮机转轮过流频率，所以正常情况下CP工况下是不会出现18X频的，这种故障现象说明了水轮机转轮有水流过或者转轮与水环有剐蹭现象。

综合以上多个维度的数据分析，其中从机组出力、水轮机压力脉动、振动系统等几个监控数据均出力了异常，这几个故障都反映了水轮机转轮与压水水环之间有剐蹭现象。

根据分析结论，对机组蜗壳压力释放管路进行详细检查，发现蜗壳压力释放手动阀484VE阀瓣脱落堵塞排水管路，导致机组在CP工况开机过程中蜗壳内排水不畅，使得转轮与活动导叶之间水环厚度过大出现搅水现象，机组在CP工况启动过程中有功消耗增加，SFC因出力受限而无法在4min内拖动机组转速达到90%，引发了机组CP开机失败。

参考文献：

1. 张伟，褚福磊, 300MW 抽水蓄能机组振动状态监测分析诊断系统研究Ⅱ1．清华大学学报(自然科学版)，1998，(4)：108—112．

2. 袁寿其，方玉建，袁建平，等．我国已建抽水蓄能电站机组振动问题综述 水力发电学报，2015，34(11)：1-15．

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