惠州抽水蓄能電站球閥動水關閉試驗研究

林愷，蔣寅軍

(1．惠州蓄能水電廠，廣東惠州 516100;2．武漢大學，湖北武漢 430072)

進水閥門能否在緊急情況下實現(xiàn)動水關閉，是水輪發(fā)電機組或水泵能否正?？煽窟\行的關鍵?！洞笾行退啓C進水閥門基本技術條件》中規(guī)定:“機組在任何工況下，進水閥門應能動水關閉”。機組運行過程中，緊急狀態(tài)下關球閥既是對球閥工作情況的考驗，也是對機組引水系統(tǒng)及相關設備(球閥、伸縮節(jié)、壓力鋼管、混凝土球閥支墩等)承載能力的考驗。動水關球閥瞬間，由于“水擊”的作用，上游水道的水流壓力會產生急劇變化，壓力鋼管動應力可能達到靜水壓力的幾倍甚至數(shù)10倍，球閥基礎板將承受球閥慣性力與接力器動作而產生的豎向和水平向作用力，進而引起支墩結構的一系列動力響應，甚至有可能引起廠房結構產生不利振動。由于抽水蓄能電站運行的特殊性以及“水擊”作用的隨機性，“水擊”作用下球閥、伸縮節(jié)、壓力鋼管、球閥支墩等結構的抗振設計沒有現(xiàn)行規(guī)范，一般都根據經驗通過提高安全系數(shù)的方式進行處理，既不經濟也不科學。因此有必要在動水關閉球閥的過程中，測量上述各類構件的動力特性 (頻率等)和動力響應 (加速度、動位移、動應力等)，以此評估它們的抗振性能和安全性，可以為電站的安全運行提供管理依據。

本次試驗對象為惠州抽水蓄能電站B廠5號機組球閥。電站水輪機工況設計最大水頭553.67 m，額定出力306.12 MW;水泵工況最大揚程 566.12 m，最大入力 330 MW，額定轉速500 r/min，其引水支管采用600 MPa高強鋼板內襯。球閥支墩二期澆筑鋼筋混凝土結構，混凝土設計強度為C25。

1 試驗情況

1.1 測點布置

圖1，2表明，試驗布置在球閥和球閥支墩上應變測點18個，加速度測點5個，位移測點13個，其中球閥支墩應變測點1布置在二期混凝土底部，測點2，3布置在支墩一、二期混凝土施工縫上下側。

圖1 球閥測點示意圖

圖2 球閥支墩測點示意圖

1.2 試驗工況

試驗時球閥處于全開位置，水輪機導葉開度保持不變，發(fā)電工況并帶指定負荷 (空載、50%負荷、100%負荷)時操作球閥關閉按鈕，實現(xiàn)動水關閉球閥。當球閥開度指示燈確認球閥已全關時，立即將導葉關閉使機組進入調相運行或停機。

2 試驗結果與分析

2.1 動應力

圖3為典型動應力時程曲線。

各種工況下引水管道各構件與球閥混凝土支墩的動應力最大值如表1和表2所示。

動應力實測結果表明:

圖3 100%負荷關球閥工況典型動應力時程曲線

表1 上下游鋼管、球閥動應力最大值 MPa

表2 球閥支墩動應力最大值 MPa

(1)鋼管動應力時程曲線反映了鋼管動應力隨球閥關閉過程的變化情況。球閥關閉時，出現(xiàn)一個明顯的沖擊波如圖3，表明在關球閥的過程中，壓力鋼管受到水擊作用，球閥全部關閉后，動應力迅速減小。各工況各測點時程曲線上沖擊波持續(xù)時間約35～60s，而球閥動水關閉所經歷時間約30s，表明球閥關閉之后，水擊作用還會持續(xù)一定時間。各測點環(huán)向動應力與軸向動應力相位差180°，表明水擊作用使鋼管變形呈現(xiàn)一張一弛的特點。

(2)負荷越大時動水關球閥，對應壓力鋼管的動應力越大，100%負荷關球閥工況是最不利工況 (動位移與加速度試驗結果有相同結論)。如表1該工況下，鋼管的環(huán)向動應力最大值為46.51 MPa;軸向動應力最大值為27.66 MPa。疊加根據水道充水試驗結果推算出設計水位 (▽762.00 m)下壓力管道的軸向靜應力63.68 MPa、環(huán)向靜應力143.42 MPa，得到壓力鋼管承受的實際最大軸向應力91.34 MPa，最大環(huán)向應力189.93 MPa，均小于鋼管材料的允許應力 (610 MPa)，滿足強度要求。

(3)球閥上、下游壓力鋼管的動應力分布規(guī)律完全不同。如100%負荷關球閥工況，球閥上游壓力鋼管軸向動應力約為其環(huán)向動應力的1倍;而球閥下游端壓力鋼管則是環(huán)向動應力遠遠大于軸向動應力。根據管道管壁環(huán)向應力還可得到管壁承受的沖擊壓力 (表3)，表明球閥下游端壓力鋼管承受的環(huán)向水擊壓力遠大于球閥上游端壓力鋼管。

表3 100%負荷關球閥時水擊對管壁的壓力MPa

(4)伸縮節(jié)后的軸向動應力比伸縮節(jié)前的軸向動應力大，而二者環(huán)向動應力接近。表明伸縮節(jié)可以顯著調節(jié)伸縮節(jié)前后壓力鋼管軸向動應力，而對改變鋼管的環(huán)向動應力作用不顯著。

(5)球閥本體動應力水平很低，而且遠遠小于其它部位。表明其設計滿足安全性要求，日常運行維護應當重點關注球閥運行的靈活性與可靠性。

(6)球閥混凝土支墩最大動應力也發(fā)生在100%負荷關球閥工況。將水道充水試驗獲得的混凝土支墩對應部位最大靜應力與實測動應力結果疊加，得到球閥混凝土支墩底部承受的最大拉應力值為0.925 MPa、分縫處最大拉應力為0.597 MPa，上述應力值小于支墩混凝土軸心抗拉強度 (1.27 MPa)。也小于取最不利疲勞強度修正系數(shù)γp=0.74時對應的軸心抗拉疲勞強度設計值fft=0.74×1.27=0.940 MPa?；炷林Ф諠M足強度要求。

(7)位于球閥混凝土支墩施工縫的兩側的測點2，3動應力量值非常接近，表明動應力對施工縫影響不大。利用推算的水擊沖擊力對球閥支墩產生的推力，推算得到100%負荷關球閥時施工縫所承受的水平剪應力約為0.052 MPa，表明動水關球閥時產生的水平推力，對施工縫剪切作用也很小。

(8)動水關球閥過程屬于瞬態(tài)的過渡過程，而機組正常運行是穩(wěn)態(tài)過程，50%負荷和100%負荷2種穩(wěn)態(tài)運行工況下的動應力值測試結果表明，機組穩(wěn)態(tài)運行時，各測點的動應力變化很小，環(huán)向和軸向動應力也比較接近，壓力鋼管承受的最大環(huán)向動應力為1.71 MPa，最大軸向動應力為1.32 MPa，遠遠小于瞬態(tài)過程的動應力。表明機組在正常運行工況下，引水管道的應力滿足設計要求。

3.2 動位移

機組在運行過程中，動位移是評價引水系統(tǒng)各構件抗振性能重要指標。不同運行工況下各測點的動位移最大值如表4所示。

表4 機組引水系統(tǒng)各構件動位移最大值 mm

動位移實測結果表明:

(1)建筑物設備和基礎結構動位移允許值為〔u〕=0.406 mm。試驗測得機組正常運行時，壓力鋼管最大水平向動位移0.128 mm;最大軸向動位移0.098 mm;最大垂直動位移0.084 mm，球閥和混凝土支墩的動位移小于0.016 mm，均在允許范圍內。而在瞬態(tài)過渡過程中，壓力鋼管動位移均大于允許值。球閥混凝土支墩除在100%負荷關球閥工況下垂直動位移 (0.728 mm)大于允許值，其它工況動位移均小于允許值。

(2)球閥上游壓力鋼管的軸向動位移遠大于垂直和水平方向動位移，球閥與伸縮節(jié)之間壓力鋼管軸向和水平向動位移遠大于垂直方向動位移，經過伸縮節(jié)后壓力鋼管3個方向的動位移接近，表明伸縮節(jié)對關球閥產生的水擊作用有明顯的緩沖作用。

(3)各構件垂直方向的動位移一般要明顯小于其它2個方向上的動位移。說明水擊作用對垂直方向的作用較小，這與引水系統(tǒng)垂直方向的約束較強有關。水平方向動位移較大可能對伸縮節(jié)的長期安全運行不利。

(4)球閥前壓力鋼管的軸向與水平向動位移(特別是水平向動位移)小于球閥后壓力鋼管的相應動位移，表明球閥上游水擊作用被緩沖，而球閥后的壓力鋼管情況則不同。

(5)設計要求球閥基礎與混凝土支墩之間應該允許相對滑動，以此消除可能通過球閥傳遞到混凝土支墩上的巨大推力以及機組運行對支墩產生的交變荷載的影響。50%負荷與100%負荷關球閥工況下，球閥與混凝土支墩的相對位移分別為0.4 mm與0.9 mm，表明球閥與混凝土之間存在明顯的相對滑移。而且混凝土支墩垂直方向動位移大于水平方向的動位移，表明球閥與混凝土支墩之間的滑移減弱了水擊對混凝土支墩的水平沖擊作用，混凝土支墩垂直振動主要是由于引水系統(tǒng)的垂直振動引起的。

2.3 加速度

各工況各加速度測點實測結果如表5所示。

表5 上下游鋼管、球閥加速度最大值g

加速度實測結果表明:

(1)負荷越大時關球閥，結構的加速度響應越大。關球閥時引水系統(tǒng)最大加速度為1.675 g，出現(xiàn)在100%負荷工況，球閥前端引水鋼管。而且球閥前端引水鋼管的加速度值在任何工況下都是最大，伸縮節(jié)后端的加速度明顯小于其前端的加速度值，表明關球閥瞬間，進水口壓力鋼管首先受到沖擊，通過球閥和伸縮節(jié)的作用，慣性作用逐漸減小，伸縮節(jié)具有明顯的緩沖作用。

(2)在動水關球閥各種工況，球閥兩端加速度值比較接近，說明球閥整體基本上是剛體振動?？梢愿鶕铀俣葘崪y結果近似推算球閥承受的慣性力。如100%負荷關球閥時，取球閥體質量m=64 000 kg，加速度a=12.2 m/s2(球閥體上下游端加速度平均值)，可得F=ma=781 kN(其中189 kN傳遞到混凝土支墩)。

3 結論與建議

(1)負荷越大時動水關球閥，對應壓力鋼管的動力響應越大，100%負荷關球閥工況是最不利工況。

(2)動應力、動位移、加速度的試驗結果表明，伸縮節(jié)前后的動力響應明顯不同，說明伸縮節(jié)系統(tǒng)對動力響應有一定調節(jié)作用。從試驗數(shù)據分析，伸縮節(jié)系統(tǒng)對蝸殼與機組起到了較好的保護作用。

(3)試驗結果表明，由于引水系統(tǒng)水平方向約束較弱，管道系統(tǒng)水平方向動位移較大，對伸縮節(jié)和球閥啟閉操作系統(tǒng)安全運行不利，在后期運行過程中管理單位應注意加強監(jiān)測和觀察。

(4)球閥與混凝土支墩之間的相對移動是保護混凝土支墩的措施之一，在后期的運行過程中，管理單位應該長期保持球閥滑板的潤滑，避免球閥與混凝土支墩間摩擦過大，致使支墩混凝土產生較大的拉應力。

(5)甩負荷工況是電站運行不利工況，建議在有條件的情況下，進行相關試驗，并結合有限元計算分析評價甩負荷工況對電站運行的影響。

〔1〕GB/T 14478－1993大中型水輪機進水閥門基本技術條件〔S〕．北京:中國標準出版社，1994．

〔2〕GB/T 18482－2001可逆式抽水蓄能機組起動試驗規(guī)程〔S〕．北京:中國標準出版社，2002．

〔3〕DL/T 709－1999壓力鋼管安全檢測技術規(guī)程〔S〕．北京:中國電力出版社，2000．

〔4〕GB/T 50344－2004建筑結構檢測技術標準〔S〕．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004．

〔5〕GB 50152－1992混凝土結構試驗方法標準〔S〕．北京:中國建筑工業(yè)出版社，1992．

〔6〕GB 50010－2002混凝土結構設計規(guī)范〔S〕．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002．

〔7〕JGJ/T 8－1997建筑變形測量規(guī)程〔S〕．北京:清華大學，1997．

〔8〕中國工程建設標準化協(xié)會建筑振動專委會，建筑振動工程手冊〔M〕．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002．