桐柏抽水蓄能電站球閥密封漏水引起的自激振動(dòng)分析

蔣池劍

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310005）

桐柏抽水蓄能電站球閥密封漏水引起的自激振動(dòng)分析

蔣池劍

（華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310005）

電站在投產(chǎn)近10年的時(shí)候發(fā)生了幾次不同工況下的壓力鋼管自激振動(dòng)現(xiàn)象，影響了設(shè)備的正常運(yùn)行。本文通過(guò)對(duì)幾次自激振動(dòng)的原因分析，提出了解決問(wèn)題的實(shí)際措施，為以后研究同類(lèi)問(wèn)題提供了參考。

抽水蓄能電站；球閥；自激振動(dòng)

1　概述

水力振動(dòng)可分為強(qiáng)迫振動(dòng)引起的水力共振與自激振動(dòng)兩類(lèi)。前者是在外界的擾動(dòng)頻率等于或接近于引水管道系統(tǒng)的某一階的自由振動(dòng)頻率時(shí),產(chǎn)生的水壓力振蕩;后者則因?yàn)樗ο到y(tǒng)本身是不穩(wěn)定的,任何引入該系統(tǒng)的壓力或流量的微小擾動(dòng)都將導(dǎo)致隨時(shí)間而不斷增強(qiáng)的振動(dòng),即自激振動(dòng)[1]。

2　自激振動(dòng)出現(xiàn)的情況

桐柏抽水蓄能電站位于浙江省臺(tái)州市天臺(tái)縣境內(nèi)，安裝有4套單機(jī)容量為300MW的立軸混流可逆式單級(jí)水泵水輪機(jī)-發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，總裝機(jī)容量為1 200WM，以?xún)苫?00 kV線路送入華東電網(wǎng)，在華東電網(wǎng)中承擔(dān)調(diào)峰、填谷、調(diào)相、調(diào)頻和事故備用。電站輸水系統(tǒng)位于上下水庫(kù)之間的山體內(nèi)，采用一洞二機(jī)、斜井、尾部廠房布置方案，有兩個(gè)相同的水力單元。其布置如圖1。

從上水庫(kù)進(jìn)/出水口至高壓支管鋼襯末端輸水道的長(zhǎng)度1號(hào)至4號(hào)機(jī)組分別為874.2m、884.57m、872.85m、883.22m。4臺(tái)機(jī)組依次排列呈一字形，每2臺(tái)機(jī)組接一根壓力管，每根支管上都設(shè)有一套內(nèi)徑為3.10m的球閥，用作正常斷流和廠房檢修期間的擋水設(shè)備。球閥設(shè)有兩道密封：上游側(cè)為檢修密封，下游側(cè)為工作密封。檢修密封投退用水取自壓力鋼管，其設(shè)有6個(gè)機(jī)械鎖定螺栓，需手動(dòng)投退；工作密封投入用水取自球閥閥體，退出工作密封由球閥閥體壓力水來(lái)實(shí)現(xiàn)；機(jī)組正常啟停時(shí)，只有工作密封進(jìn)行投退。桐柏抽水蓄能電站在投入運(yùn)行10年后，曾經(jīng)發(fā)生了多次壓力管道自激振動(dòng)，比較有代表性的有3次。

2.1 1號(hào)機(jī)、2號(hào)機(jī)在抽水調(diào)相開(kāi)機(jī)時(shí)發(fā)生的自激振動(dòng)

某日，1號(hào)機(jī)抽水調(diào)相已到穩(wěn)態(tài)，2號(hào)機(jī)抽水調(diào)相正在開(kāi)機(jī)過(guò)程中。1號(hào)機(jī)、2號(hào)機(jī)發(fā)生水力壓差脈動(dòng)時(shí)間在01:05:45開(kāi)始，到01:06:26壓力脈動(dòng)引起球閥工作密封投退腔壓差到達(dá)臨界值，導(dǎo)致工作密封異常頻繁投退。工作密封頻繁投退引發(fā)壓力脈動(dòng)繼續(xù)變大，到01:07：50到達(dá)穩(wěn)定值。01：18：30值班人員將1號(hào)機(jī)、2號(hào)機(jī)球閥工作密封操作取水閥關(guān)閉后，水力壓差脈動(dòng)現(xiàn)象消除，工作密封恢復(fù)正常。

當(dāng)時(shí)1、2號(hào)機(jī)壓力鋼管壓力脈動(dòng)如圖2、圖3。

2.2 3號(hào)機(jī)備用，4號(hào)機(jī)在發(fā)電停機(jī)后發(fā)生的自激振動(dòng)

某日，3號(hào)機(jī)在備用狀態(tài)，4號(hào)機(jī)正在停機(jī)過(guò)程中。16:56:42，4號(hào)機(jī)停機(jī)并球閥工作密封投入，16：59:03，4號(hào)機(jī)球閥工作密封開(kāi)始發(fā)出投入與釋放“信號(hào)，17:03:10，4號(hào)機(jī)開(kāi)始出現(xiàn)壓力鋼管上游壓力波動(dòng)，為了消除壓力鋼管內(nèi)部不穩(wěn)定水力脈動(dòng)，17:08: 00值班人員將3號(hào)機(jī)水輪機(jī)工況空載運(yùn)行后3號(hào)機(jī)4號(hào)機(jī)壓力鋼管內(nèi)部壓力脈動(dòng)消除。當(dāng)時(shí)3、4號(hào)機(jī)壓力鋼管壓力脈動(dòng)如圖4。

2.3 4號(hào)機(jī)備用，3號(hào)機(jī)在抽水調(diào)相開(kāi)機(jī)后發(fā)生的自激振動(dòng)

某日，4號(hào)機(jī)停機(jī)備用，3號(hào)機(jī)正在抽水調(diào)相開(kāi)機(jī)過(guò)程中。00:10:41，3號(hào)機(jī)壓力鋼管壓力波動(dòng)最高值升至36.05 bar，正常值為32 bar。水力壓差脈動(dòng)開(kāi)始產(chǎn)生。00:11:02，3號(hào)機(jī)壓力鋼管壓力波動(dòng)最高值升至49.98 bar，3號(hào)機(jī)球閥工作密封開(kāi)始出現(xiàn)頻繁投退現(xiàn)象。00:16:50，值班人員手動(dòng)開(kāi)啟4號(hào)機(jī)球閥工作旁通閥后壓力脈動(dòng)消失。當(dāng)時(shí)3、4號(hào)機(jī)壓力鋼管壓力脈動(dòng)如圖6、圖7。

3　自激振動(dòng)產(chǎn)生的原因

桐柏抽水蓄能電站的球閥經(jīng)過(guò)近10年的運(yùn)行，通過(guò)平時(shí)的檢查和機(jī)組的檢修發(fā)現(xiàn)球閥的工作密封/檢修密封的“投入”腔和“釋放”腔之間以及“釋放”腔和球閥本體之間存在滲漏。在2013年的1號(hào)機(jī)C修期間，對(duì)1號(hào)機(jī)球閥工作密封進(jìn)行解體檢修，處理了球閥工作密封固定外環(huán)內(nèi)鋁青銅表面劃痕，劃痕都是貫穿性磨損后水流沖刷留下的汽蝕痕跡。劃痕長(zhǎng)度約30mm，劃痕深度有2mm左右，如圖5所示，其他機(jī)組情況相似。

從檢查結(jié)果來(lái)看，在球閥工作密封“釋放”腔和“投入”之間、“釋放”腔和球閥本體之間滲漏嚴(yán)重，導(dǎo)致“釋放”腔和“投入”腔基本趨于均壓，造成工作密封滑動(dòng)環(huán)壓緊處處于動(dòng)作臨界狀態(tài)，由于系統(tǒng)擾動(dòng)引起球閥工作密封滑動(dòng)環(huán)壓緊處會(huì)稍稍開(kāi)放一點(diǎn)，形成一小股漏水，按照水擊理論，漏水后，壓力會(huì)降低，又會(huì)使壓力鋼管內(nèi)產(chǎn)生很小的正壓脈沖，它使球閥工作密封滑動(dòng)環(huán)壓緊處趨向關(guān)閉，引起漏水量的減小又使傳向壓力鋼管的壓力波增大。在一個(gè)半周期后由水庫(kù)端反射回來(lái)的壓力波到球閥處變?yōu)樨?fù)壓波，這個(gè)較低的壓力使球閥工作密封滑動(dòng)環(huán)壓緊處重又開(kāi)放，漏水量增大，負(fù)壓增值；在下一個(gè)半周期后，低壓從水庫(kù)反射回來(lái)，又成為高壓，促使球閥工作密封滑動(dòng)環(huán)壓緊處閉合，漏水量減小，如此反復(fù)交替，終于達(dá)到了某種狀態(tài)，工作密封滑動(dòng)環(huán)上的壓力一會(huì)兒低，一會(huì)兒高，造成工作密封反復(fù)投退，導(dǎo)致產(chǎn)生水力自激振動(dòng)現(xiàn)象。

4　自激振動(dòng)的消除防范措施

球閥工作密封漏水處呈現(xiàn)柔性閥門(mén)特性,這種特性將導(dǎo)致自激振動(dòng)迅速發(fā)展[2]。桐柏抽水蓄能電站的自激振動(dòng)現(xiàn)象雖沒(méi)有產(chǎn)生嚴(yán)重的后果，但其他許多電站發(fā)生過(guò)閥門(mén)引起的自激振動(dòng)現(xiàn)象,產(chǎn)生了嚴(yán)重的后果[3]，因而，盡早的消除和防范自激振動(dòng)很有必要。

4.1自激振動(dòng)的特征

激發(fā)和維持自激振動(dòng)的能源為不具有交變性質(zhì)的穩(wěn)定能源,例如有壓水風(fēng)慣性力、摩擦力等。激發(fā)和維持自激振動(dòng)需要有一個(gè)控制反饋機(jī)構(gòu),通過(guò)它的運(yùn)動(dòng)或振動(dòng),周期地把穩(wěn)定的能源輸人到振動(dòng)系統(tǒng)中去,使輸人到振動(dòng)系統(tǒng)中去的能量具有了周期性質(zhì)。當(dāng)周期地輸人振動(dòng)系統(tǒng)的能量超過(guò)一定值(足以克服系統(tǒng)的阻力)時(shí),振動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)就會(huì)加速,幅值增大,頻率也逐步趨近于系統(tǒng)的固有頻率,一直到振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率時(shí)穩(wěn)定下來(lái)[4]。

在桐柏抽水蓄能電站發(fā)生自激振動(dòng)時(shí)，激發(fā)和維持自激振動(dòng)的能源是球閥工作密封滑動(dòng)環(huán)處的水壓,控制反饋機(jī)構(gòu)是工作密封滑動(dòng)環(huán)的的振動(dòng),通過(guò)水系統(tǒng)的相連輸入到振動(dòng)系統(tǒng)中，振動(dòng)體為工作密封滑動(dòng)環(huán)。

4.2自激振動(dòng)的消除和防范措施

要從根本上消除自激振動(dòng)，一是消除激發(fā)和維持振動(dòng)的能源；二是控制反饋機(jī)構(gòu)周期性的運(yùn)行或振動(dòng)；三是切斷傳遞能量的途徑。

在因球閥工作密封問(wèn)題而產(chǎn)生的自激振動(dòng)，振蕩的全振幅在理論上可達(dá)到正常水壓2倍[5]。從實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果看，幾次自激振動(dòng)產(chǎn)生的壓力鋼管壓力脈動(dòng)最大值達(dá)到球閥上游凈壓力的2倍，危害極大。桐柏抽水蓄能電站在發(fā)生壓力鋼管自激振動(dòng)后，從自激振動(dòng)的幾個(gè)特征著手，采取了多種預(yù)防自激振動(dòng)的措施。

（1）為便于值班人員監(jiān)測(cè)和盡快發(fā)現(xiàn)壓力脈動(dòng)情況，桐柏抽水電站利用原埋設(shè)在球閥前后的壓力鋼管內(nèi)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，將信號(hào)接入監(jiān)控系統(tǒng)，并增設(shè)報(bào)警。

（2）優(yōu)化自動(dòng)開(kāi)啟球閥旁通閥流程，一旦監(jiān)測(cè)到球閥前鋼管壓力達(dá)到一定值，自動(dòng)開(kāi)啟球閥旁通閥，破壞水擊。

（3）對(duì)工作密封漏水缺陷盡快安排處理并聯(lián)系廠家研究改進(jìn)工作密封的結(jié)構(gòu)、材料以徹底消除漏水問(wèn)題。目前，4臺(tái)機(jī)組球閥工作密封在按計(jì)劃消除漏水缺陷，讓工作密封問(wèn)題引起的自激振動(dòng)不能周期性運(yùn)行。

（4）計(jì)劃從不同壓力鋼管提供球閥工作密封的壓力水水源，切斷了止水環(huán)與壓力管的聯(lián)系。

5　結(jié)論

桐柏抽水蓄能電站球閥工作密封的漏水造成了危害極大的壓力鋼管自激振動(dòng)，但只要采取恰當(dāng)?shù)拇胧?，水力自激振?dòng)的危害完全可以控制，甚至消除。

[1]索麗生,周建旭,劉德有.水電站有壓輸水系統(tǒng)的水力共振[J].水力水電科技進(jìn)展,1998（4）.

[2]梅祖彥.抽水蓄能技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1988.

[3]葉復(fù)萌,朱淵岳,樊紅剛，等.抽水蓄能電站復(fù)雜管系的自激振動(dòng)研究[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào),2007，26（4）：135-140.

[4]李啟章，于紀(jì)幸，任紹成，等.江蘇宜興抽水蓄能電站水泵水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的自激振動(dòng)[C]//第十八次中國(guó)水電設(shè)備學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集,2011.

[5]李國(guó)和.抽水蓄能電站可能出現(xiàn)的水力振動(dòng)[J].華北電力技術(shù),1996.

蔣池劍（1978-），男，工程師，從事抽水蓄能電站安全生產(chǎn)管理工作。

TV743

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1672-5387（2015）11-0058-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2015.11.0020

2015-07-31