老撾某電站技術供水泵運行異常的分析與處理

石振球，毛華匡，高 崗

(浙江富春江水電設備有限公司，浙江 杭州 311121)

1 概 述

某電站位于老撾阿速坡省，水源來自于Bolaven高原XN河上的1座蓄水大壩。蓄水后，水庫中的水通過1條長引水隧道輸送，獲得約650 m的水頭；水流通過水電站后，最終被排泄至XK河釋放。該電站總裝機容量為412.8 MW，配備了3臺124 MW(1～3號機)的混流式機組和1臺40.8 MW(4號機)的沖擊式機組。

該電站技術供水系統采用開閉環雙系統水泵單元供水設計。開環系統通過主備水泵從尾水管取水，經濾水器過濾后，通過板式熱交換器給閉環系統冷卻，最終換熱后的開環冷卻水排至尾水渠；主備泵的啟停通過電動閥自動控制。閉環系統冷卻水為清潔水源，通過主備水泵不斷閉環循環，循環水經過板式熱交換器，通過開環系統冷卻水進行冷卻，用于水輪發電機組各部件的最終冷卻。開閉環系統換熱原理如圖1所示。

圖1 開閉環系統換熱原理圖

2 故障經過

根據現場反饋，電站自2019年7月5日1號機滿負荷運行時，發現開環系統主備2臺技術供水泵無法按正常設定時間切換(設定值為每隔6 h對泵進行切換，但其中任意一臺主水泵運行時間到達后，均無法正常切換至另一臺備用水泵)，且連續運行超過2～4 h后2臺水泵均會出現空載現象，導致閉環水無法冷卻后水溫上升而被迫停機。開環系統設備布置圖如圖2所示。

圖2 開環系統設備布置圖

3 現場檢查

根據經驗，水泵空載的常見幾個原因如下：

問題發生后，現場立即對水泵控制系統進行檢查，發現水泵控制系統并不存在任何問題。隨后對開環系統設備及管路進行檢查，現場發現，水泵前的閥門一直處于正常的常開狀態；水泵及管路安裝較為規范，進出口管路連接緊密；水泵及管路密封性能良好，不存在明顯漏水現象，且水泵及管路剛安裝不久，水泵空載前也能正常進行運轉，故不存在泵流道腐蝕較大問題，流道也無明顯堵塞及卡阻情況。

檢查中還發現，開環總進水管(取水口處，泵前)最高點已安裝浮球式排氣閥?，F場跟蹤檢查后發現，技術供水系統運行期間，該排氣閥未能正常排氣，后對空載水泵排水時發現，水泵前后積攢了大量氣體。

現場發現水泵憋氣后，通過對水泵3 d連續運行及排氣觀察得出以下規律：

一是開環主水泵運行時必須對備用水泵進行排氣(備用水泵處會產生氣體)，每隔1 h手動通過水泵后壓力表表閥處進行排氣；如不定時排氣將會造成已運行的水泵內進入空氣，導致已運行水泵空載運行，每隔1 h排氣時長約1～2 min。

二是每隔6 h主水泵切換至備用水泵時，需提前5 min對備用水泵進行排氣；如不提前排氣將會導致水泵切換失敗。

4 原因分析

4.1 開環技術供水管道存氣來源分析

(1)取水口

常溫下氧氣和二氧化碳均能一定程度地溶解于水中，其溶解空氣的最大體積含氣率約為2%(即水中包含的溶解性氣體約為20 L/m3)，這部分氣體從壩區取水口流入輸水管道時即存在于水流中。

(2)輸水管道

電站水源來自蓄水大壩，蓄水后，水庫中的水將被引水隧道輸送；輸水管道長，管網起伏大，輸水過程中會使局部產生真空，致使管道會從排氣閥或其他較高點處進行吸氣，進而使輸水管道中的氣體含量增多。

(3)機組自然補氣或強迫補氣

為了消除或減輕水輪機流道中各種較強烈的水壓脈動或振動以及為了消除或減輕水輪機氣蝕，水輪發電機組設計時一般會考慮向流道中補入大氣或壓縮空氣。由于本電站水頭較高，水輪發電機組頂蓋處設計了自然補氣和壓縮空氣強迫補氣的雙補氣組合(根據機組實際情況，自然補氣系統一直在使用，強迫補氣系統一般情況下無需進行使用)，當流道內真空達到一定程度時，補氣系統會進行工作，從而為機組進行補氣。

4.2 現有排氣閥排氣效果不佳原因分析

氣液兩相流中，不同的流量、壓力、管路布置狀況和管道幾何形狀都會造成不同的流型，為了便于討論，且綜合水輪發電機組中設計流速，以較為平坦的管道為例進行分析。根據兩相介質分部的外形劃分，常規的氣液兩相流型共分為如下8類，詳見圖3。

圖3 常規氣液兩相流型圖

輸水管道充水排氣過程非常復雜，一般來說剛開始充水時管道流態多為層狀流、波狀流或環狀流，排氣較為容易；后期則多呈段塞流或泡沫流狀態，氣體的排出就較為困難了。因為該項目技術供水開環段輸水管道坡度不大，正常運行時管道中大多是一段水一段氣的段塞流狀態，浮球式排氣閥的浮力僅幾公斤重；而排完第一段氣體，水就把浮球托起，第二段氣體開始帶壓，氣體對浮球的脫力足以將浮球一直處在關閥狀態；故排氣閥哪怕安裝在最高處，也不再自動開啟排氣，從而在段塞流狀態中失去排氣功能。

4.3 泵前后氣體積攢原因分析

管路氣體帶壓后，因排氣閥已無法正常排氣，大量的氣體隨著水流繼續前進。主泵剛開始工作時，能夠正常運行，但是由于備用水泵后有常閉電動閥，部分氣體開始積攢在暫未運行的備用水泵處且無法排出；隨著時間的積累，備用水泵處積攢的氣體越來越多，導致主備水泵切換無法正常進行。此時，若繼續運行主水泵，備用水泵處積攢的氣體超過限度，開始往主水泵處轉移，進而讓已經正常運行的主水泵也出現憋氣空載現象。

5 處理及防范

為了從根本上解決技術供水開環水泵處排氣問題，在兼顧了電站實際情況且盡可能保持變動最小的前提下，現場在主備水泵后壓力表位置各新增電磁排氣閥1套，并設定每小時排氣1次，排氣時長為2 min；每6 h切換水泵前5 min進行排氣。其中，電磁排氣閥為兩位兩通，工作介質為水和氣，額定壓力0.7 MPa，電壓AC220 V，常閉型，得電接通，失電自復歸。

電磁排氣閥安裝調試完成后，開環技術供水泵恢復正常，不再出現主備切換失敗或者水泵空載的現象。

鑒于浮球式排氣閥在技術供水開環系統中出現問題，現場將電站內其余使用了該類型排氣閥的部位均逐一進行檢查，并提前進行了必要的處理。

輸水管道中的氣體主要會造成管道及過流面腐蝕、水泵氣蝕等問題，也會造成系統工作不穩定，嚴重時甚至會造成系統設備無法正常運行。

另外，水泵的氣蝕過程雖然比較緩慢，但時間久了水泵就會出現氣蝕嚴重的情況，運行效率降低，甚至會影響到正常工作。

技術供水泵的這次問題及時地提醒了設計人員，在后續排氣閥選用時，需全面考慮到不同氣液流型對排氣方式的影響，應盡量選擇切實可行的排氣方式。

6 結 語

對于老撾某電站技術供水開環水泵主備切換失敗及水泵空載運行的現象，通過現場檢查后發現了直接原因，并將此問題予以解決。同時，在直接原因的基礎上進行分析，進而得出根本原因及相關解決方案，為后續的系統設計提供了一定的參考意義。