1 概 述

        水電站機組主軸密封分為檢修密封和工作密封，通常所說的主軸密封是指工作密封。主軸密封是轉(zhuǎn)動部件與固定部件之間的密封供水裝置，當機組運行時，能有效地阻擋水流從主軸與頂蓋之間的間隙外溢，防止水輪機導軸承及頂蓋被淹，保證機組的正常穩(wěn)定運行 。

 

        作為水輪機的一道重要保護裝置，主軸密封一旦出現(xiàn)問題，就有水淹廠房的危險。為保證水電站的安全穩(wěn)定運行，目前大部分水電站均采用主軸密封供水中斷信號作為機組事故停機判據(jù)之一。但是，近年來，不少水電站在水輪發(fā)電機組正常運行時，保護系統(tǒng)會因自身故障(主軸密封供水中斷信號觸發(fā))而引起動作，從而造成保護誤動導致機組事故停機，給水電站帶來不必要的經(jīng)濟損失。

 

        越南某水電站 1 號和 2 號機組在 30 d 的試運行期間，多次發(fā)生因主軸密封供水中斷引發(fā)機組停機的事故。對此，本文利用便攜式超聲波流量計現(xiàn)場實測的主軸密封供水流量，通過與原主軸密封供水管路上安裝的電磁流量計測量數(shù)據(jù)進行對比分析，找出了主軸密封供水中斷事故發(fā)生的原因，并提出了解決辦法和優(yōu)化建議。研究成果對水電站機組主軸密封供水系統(tǒng)及機組事故停機邏輯設計具有指導意義。

 

2 主軸密封供水系統(tǒng)及停機情況介紹

2． 1 水電站主要參數(shù)

        越南某水電站裝機容量為 156 MW，水頭變化范圍為 95． 5 ～125． 0 m，額定水頭為 106 m，共裝設 2 臺78 MW 的混流式水輪發(fā)電機組。水輪機額定出力為79． 92 MW，額定流量為 81． 07 m 3 /s，額定轉(zhuǎn)速為 250r/min，轉(zhuǎn)輪公稱直徑( D 1 )為 3． 15 m。該水電站機組主軸密封采用自調(diào)節(jié)恒壓式端面密封，潤滑水注入 2個密封件表面之間的環(huán)形空腔內(nèi)，并形成一個分離旋轉(zhuǎn)滑環(huán)和密封環(huán)的水膜。密封環(huán)由彈簧緊壓在滑環(huán)上，從而保證主軸密封具有較長的使用壽命，并阻止河道水流進入。

 

2． 2 主軸密封供水系統(tǒng)簡介

        根據(jù)合同要求，水電站的技術(shù)供水系統(tǒng)采用水泵供水方式，水源取自尾水且經(jīng)水泵加壓、全自動濾水器過濾以后供給機組技術(shù)供水用戶。主軸密封設有 2 路供水。

        (1) 主用水源取自機組技術(shù)供水總管，經(jīng)水力旋流器過濾后供給;

        (2) 備用水源取自上游調(diào)壓井內(nèi)減壓后的消防水管，主軸密封供水豎直管路上(水流方向從下往上)安裝有插入式電磁流量計及流量開關(guān)。

        (3) 水電站的主軸密封供水系統(tǒng)詳見圖 1。

2． 3 主軸密封供水中斷停機條件

        主機廠提供的主軸密封供水設計流量為 10． 2 m 3 /h，設計停機流量為 3． 6 m 3 /h?，F(xiàn)場實測的主軸密封供水流量約為 15 m 3 /h，主機廠技術(shù)人員現(xiàn)場實際整定的停機流量為 6 m 3 /h，即當主軸密封供水管路的插入式電磁流量計流量低于6 m 3 /h 的情況下，機組會延時15 s 后實施事故停機。

 

2． 4 機組試運行期的事故停機

        1 號機組在 30 d 試運行期間共發(fā)生 4 次事故停機，其中第 3 次和第 4 次是由于主軸密封供水“中斷”引起的事故停機。

        2 號機組在 30 d 試運行期的前 20 d 內(nèi)，總共發(fā)生4 次事故停機，均為主軸密封供水“中斷”而導致的機組事故停機。由于 2 號機組停機次數(shù)過多，經(jīng)過研究決定在試運行的后 10 d，將主軸密封供水由主用技術(shù)供水總管取水改為備用從消防供水管取水，這樣在之后的試運行期間，機組就再也沒有發(fā)生過事故停機。2 臺機組在30 d 試運行期間因主軸密封引起的事故停機記錄情況詳見表 1;2 號機組第 1 ～ 4 次停機時插入式電磁流量計所測得的主軸密封供水流量曲線詳見圖 2 ～5。

        從圖 2 ～5 可以看出，在機組停機前，主軸密封供水管路上電磁流量計的測量曲線中，均有很明顯的 U形或 V 形軌跡。根據(jù)經(jīng)驗判斷，如果是機械故障(如水泵壞掉或者管路堵塞、濾水器堵塞等)，不太可能多次出現(xiàn)流量“突降突升”的現(xiàn)象，而電氣信號故障則是有可能出現(xiàn)這種波形的。

 

3 主軸密封供水流量現(xiàn)場實測情況

        針對 2 臺機組在 30 d 試運行期間多次出現(xiàn)主軸密封供水中斷所引起的事故跳機情況，成立了專門的項目組來開展試驗分析，以便盡快查找并確認機組事故停機的原因。項目組的專業(yè)設計人員單獨采購了一套便攜外貼式超聲波流量計，以對主軸密封供水流量進行現(xiàn)地實測，并將實測結(jié)果與插入式電磁流量計的測量結(jié)果進行對比分析。

 

        試驗所采用的設備為臨時安裝的外貼式超聲波流量計及無紙數(shù)據(jù)記錄儀。超聲波流量計型號為 JH 外貼式，測試管徑為 10 ～6 000 mm。

        (1) 首先對處于停機狀態(tài)的 1 號機組進行試驗，將超聲波流量計探頭安裝到 1 號機組主軸密封供水電磁流量計附近。設備安裝完畢后，只啟動 1 號機組的技術(shù)供水系統(tǒng)(主軸密封供水也由水泵供水供給)。

 

        在試驗過程中，通過調(diào)整主軸密封進水閥門的開度，使其實際流量接近設計流量。待 2 套流量計的測量結(jié)果穩(wěn)定大約 2 h 以后，電磁流量計的顯示窗口流量突變?yōu)?0 m 3 /h，而超聲波流量計的流量則一直維持在 9 m 3 /h，此時，用手去觸摸主軸密封供水管管壁，能感覺到有明顯的水流。30 s 之后，將供水閥門開度調(diào)整到了最大，超聲波流量計測試的流量則立刻上升至15 m 3 /h，而電磁流量計則依然顯示為 0 。

 

        (2) 為了更真實地測量機組在實際運行過程中的主軸密封處的流量，將超聲波流量計探頭安裝到處于運行狀態(tài)的 2 號機組主軸密封供水管上，并將主軸密封供水水源由消防供水更改到水泵供水方式。在機組運行了 3 d 后，對電磁流量計與超聲波流量計的流量歷史曲線(詳見圖 6 及圖 7)進行了對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在某一個時間點，電磁流量計測試的流量突然下降至 5m 3 /h，在持續(xù)了大約 2 s 以后，又上升至設計流量點，但超聲波流量計測試的流量曲線則一直比較平穩(wěn)。由于電磁流量計所發(fā)出的低流量信號(低于 6 m 3 /h)僅持續(xù)了 2 s 左右，并沒有達到機組事故停機條件中所規(guī)定的 15 s 延時時間，因此，機組也并未發(fā)生事故停機。

        通過對上述測試結(jié)果進行對比分析，可以做出初步判斷:插入式電磁流量計發(fā)出了主軸密封供水“中斷”的假信號。

 

4 停機原因分析及處理措施

4． 1 停機原因分析

        對機組在 30 d 試運行期間的停機原因展開了分析研究。

        (1) 通過查看計算機監(jiān)控系統(tǒng)的記錄，發(fā)現(xiàn)在 1號及 2 號機組的 6 次主軸密封供水中斷事故停機的時間點處，其他技術(shù)供水用戶(如上導軸承、空氣冷卻器以及下導軸承等)的流量開關(guān)均處于正常狀態(tài)，亦即在主軸密封流量“中斷”的瞬間，其他支管上均是存在流量的。

        (2) 從上述的現(xiàn)場試驗結(jié)果來看，當電磁流量計的測試流量顯示為 0 的時候，主軸密封供水管中實際上也是有水流存在的。因此，可以推斷 1 號機組及 2號機組在商業(yè)試運行期間出現(xiàn)的 6 次主軸密封供水“中斷”停機，應該均是由電磁流量計誤報所導致機組停機的。

        (3) 國內(nèi)也有不少水電站出現(xiàn)過因主軸密封流量計的誤報而導致機組誤跳的類似案例。

 

4． 2 電磁流量計誤報原因初步分析

        電磁流量計是根據(jù)法拉第電磁感應定律制造的，是用來測量管內(nèi)導電介質(zhì)體積流量的感應式儀表，應用比較廣泛，但若選型、安裝和使用不當，將會導致誤差增大、示值不穩(wěn)定等問題。針對有可能引起電磁流量計誤報的原因展開了分析。

        (1) 流量計現(xiàn)場安裝位置。電磁流量計安裝時，為了改善渦流與流場畸變的影響，對流量計安裝的前、后直管段長度有一定的要求，否則就會影響到測量的精度。雖然該水電站現(xiàn)場主軸密封電磁流量計前后管路的距離均較短，不能滿足相關(guān)的要求，但是這也只能會影響測量的精度 ，而不會出現(xiàn)“水管內(nèi)部有水流，但流量突變?yōu)?0 的情況”。

        (2) 氣泡問題。該水電站主軸密封供水管為豎直安裝方式，而且水流方向為自下而上，能保證管道介質(zhì)滿管，減小測量誤差，無氣泡 。此外，主軸密封供排水管路位于 90． 50 m 高程，而技術(shù)供水的取水管及供水總管則位于 94． 50 m 高程，因此，即使水泵取水時從下游吸入了空氣，管內(nèi)的氣泡也應該聚集在管路的最高處，而不會大量進入位于底層的主軸密封的供水管路處。

        (3) 探頭被污物堵塞。該水電站技術(shù)供水系統(tǒng)的水源取自尾水天然河道，雖然水源經(jīng)過全自動濾水器和水力旋流器 2 級過濾，但水管路中仍然可能存在細小的泥沙雜質(zhì)，而這些雜質(zhì)有可能會附著在插入式電磁流量計的探頭周圍，從而造成探頭堵塞。假如探頭被泥沙堵塞，則流量計的顯示結(jié)果應該一直為 0，而不應該出現(xiàn)流量“突降突升”的現(xiàn)象。

        (4) 電磁干擾。電磁流量計的安裝地點應遠離一切磁源。然而，水電站內(nèi)的水輪發(fā)電機、變壓器等機電設備都具有強電磁輻射性，這些電磁輻射都有可能會對電磁流量計的測量結(jié)果產(chǎn)生干擾。

        (5) 管路震動。安裝電磁流量計的管道或地面不應有強烈的震動。然而，水電站一般均存在震動現(xiàn)象，這些震動也有可能對測量結(jié)果產(chǎn)生干擾。

        (6) 其他原因。其他比如電磁流量計產(chǎn)品質(zhì)量問題等，也有可能會引起測量結(jié)果誤差。

 

        綜上所述，可能引起電磁流量計誤報的原因主要包括電磁干擾、管路震動、產(chǎn)品質(zhì)量問題等。其中的電磁干擾、震動等都屬于水電站的固有屬性，且是無法避免的。

 

4． 3 處理措施

        在明確了主軸密封供水“中斷”事故停機的原因以后，通過研究，對主軸密封供水系統(tǒng)制定并實施了以下改造方案。

        (1) 更改流量計類型。目前比較常用的流量計類型包括電磁式、超聲波式、熱導式及擋板式流量計等。電磁流量計的測量精度會受到電磁干擾及震動的影響;外貼式超聲波式流量計的探頭需要使用耦合劑緊密貼合在管壁上，而耦合劑在使用一段時間后容易揮發(fā);熱導式流量計的探頭也容易因污垢而影響到其測量結(jié)果;擋板式流量開關(guān)屬于純機械式流量開關(guān)，測量結(jié)果不會受到電磁干擾及震動的影響。因此，經(jīng)過綜合分析比較，最終確定在主軸密封供水管上增設管道式擋板流量開關(guān)作為主軸密封供水中斷的判定條件，而原插入式電磁流量計的測量結(jié)果，僅被用于其流量的顯示。

        (2) 更改機組保護程序中主軸密封供水中斷事故停機的判斷條件，即當擋板式流量開關(guān)發(fā)出流量過低的信號以及壓力開關(guān)發(fā)出壓力過低的信號時，機組保護系統(tǒng)才能認定主軸密封供水中斷，經(jīng)延時 15 s 后可啟動事故停機流程。

 

5 結(jié)論與討論

5． 1 結(jié) 論

        針對越南某水電站在試運行期間發(fā)生的多起發(fā)電機組主軸密封供水“中斷”事故停機問題，對兩種不同類型流量計的測量結(jié)果進行了對比分析，在此基礎上，結(jié)合國內(nèi)其他一些水電站的實際運行經(jīng)驗，確定了機組事故停機的原因，即這是由電磁流量計所發(fā)出的主軸密封供水“中斷”的假信號。為此，對流量計及機組保護程序中的主軸密封供水中斷邏輯的判斷條件進行了更改和補充。運行實踐證明，改造的效果較好，提高了水輪發(fā)電機組整體運行的穩(wěn)定性。

 

5． 2 討 論

        (1) 電磁流量計在水電站的適用性。電磁流量計是一種對使用環(huán)境要求很高的自動化儀表，而水電站則具有電磁干擾較強、設備及管路均有震動、底層環(huán)境較為潮濕等特點，總之，其環(huán)境較為惡劣。因此，在選擇用于水電站的流量計類型時，特別是在選擇用于關(guān)鍵部位，比如主軸密封供水管路上的流量計時，一定要考慮到水電站環(huán)境對流量計測量結(jié)果的影響因素。

        (2) 主軸密封供水中斷邏輯判斷。目前，大部分水電站均只采用主軸密封供水流量中斷作為保護判據(jù)。鑒于主軸密封供水的主備用水源切換需要一定的時間，所以主軸密封供水中斷保護主要是防止保護誤動。綜合上述分析，建議對其保護邏輯采用主軸密封供水流量過低以及壓力過低這 2 個信號作為判定依據(jù)，延時時間則仍然依據(jù)廠家的設計規(guī)定。