蓄能電站技術(shù)供水系統(tǒng)異響與劇烈振動(dòng)處理

季懷杰，楊夢(mèng)起,陳泓宇

（1.清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司，廣東清遠(yuǎn) 511853;2.中國(guó)南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司檢修試驗(yàn)中心，廣東 廣州 511400）

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站（以下簡(jiǎn)稱“清蓄”）位于廣東省清遠(yuǎn)市的清新縣太平鎮(zhèn)境內(nèi)，是一座日調(diào)節(jié)的純抽水蓄能電站，裝機(jī)容量4×320MW，機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)采用單元供水方式，即每臺(tái)機(jī)組設(shè)置兩臺(tái)技術(shù)供水泵組，彼此互為備用。每臺(tái)機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)的取水口位于機(jī)組尾水管距離機(jī)組中心線16m處,排水口位于尾水閘門前7.7m處。

清蓄技術(shù)供水系統(tǒng)泵組采用軟啟動(dòng)方式啟動(dòng)。

1 技術(shù)供水系統(tǒng)的作用

蓄能電站技術(shù)供水系統(tǒng)的主要作用是為機(jī)電運(yùn)行設(shè)備（水泵水輪發(fā)電機(jī)組、主變壓器等）提供冷卻或潤(rùn)滑水。具體來說，主要是用于冷卻發(fā)電電動(dòng)機(jī)因電磁損耗產(chǎn)生的熱量、機(jī)組導(dǎo)軸承及推力軸承因機(jī)械摩擦產(chǎn)生的熱量、轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)因摩擦產(chǎn)生的熱量、主軸密封的壓緊、潤(rùn)滑和冷卻以及負(fù)載時(shí)主變壓器的冷卻等。

2 故障簡(jiǎn)述

2015年12月28 日16:00，1號(hào)機(jī)組按調(diào)度負(fù)荷曲線計(jì)劃正常啟動(dòng)，此時(shí)1號(hào)技術(shù)供水泵為主用泵，在泵組啟動(dòng)瞬間，泵出口過濾器前后發(fā)出異常響聲，并伴隨劇烈振動(dòng)，泵后壓力迅速上升并瞬間恢復(fù)到正常壓力，之后技術(shù)供水管路壓力恢復(fù)正常。技術(shù)供水系統(tǒng)圖（部分）如圖1所示。

圖1 技術(shù)供水系統(tǒng)圖（部分）

3 故障排查

停機(jī)后，技術(shù)人員對(duì)1號(hào)機(jī)技術(shù)供水系統(tǒng)水泵出口至逆止閥管路段、過濾器及其出口逆止閥、過濾器頂部排氣閥以及管路頂部排氣閥進(jìn)行排查，并未發(fā)現(xiàn)異常。為徹底查找故障原因、消除缺陷，故對(duì)1號(hào)機(jī)技術(shù)供水系統(tǒng)（水泵至逆止閥管路段）運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。技術(shù)人員將錄波裝置分別接入1號(hào)、2號(hào)技術(shù)供水過濾器處，對(duì)兩臺(tái)技術(shù)供水泵管路段至過濾器出口壓力、過濾器進(jìn)/出口壓差進(jìn)行錄波，錄得的壓力波形見圖2、圖3。

圖21 號(hào)技術(shù)供水泵（異常波形）

圖3 2號(hào)技術(shù)供水泵（正常波形）

從圖2中波形可以看出，1號(hào)技術(shù)供水泵過濾器出口壓力上升至第1級(jí)壓力時(shí)，出現(xiàn)瞬時(shí)下降，此后出口壓力迅速上升并超過正常運(yùn)行壓力（1.4 MPa），約1.5s后，出口壓力恢復(fù)至正常運(yùn)行壓力。結(jié)合1號(hào)技術(shù)供水泵啟動(dòng)時(shí)的現(xiàn)象，可以初步判斷管路中存在未排出的氣囊，從而導(dǎo)致氣爆，發(fā)出異常噪音并引發(fā)管路的劇烈振動(dòng)。

4 原理闡述

在輸水管道中常存在由于各種原因而形成的小團(tuán)氣體，又叫氣囊，當(dāng)管道中水流流速或壓力發(fā)生變化時(shí)，氣囊運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)時(shí)由于管坡、管壁粗糙度變化以及彎管、變徑各類管道配件而分散聚合，造成氣囊兩端壓差改變，這種微小的壓差變化對(duì)管道內(nèi)水體不會(huì)造成什么影響，但對(duì)管道中的氣囊卻影響極大，易形成壓力振蕩，輕者占據(jù)管道增大水阻和能耗，加劇破壞作用，重則造成管道爆裂、供水中斷。

美國(guó)著名水錘專家V.L.Streeter在其《瞬變流》（Hy-draulicTransients）書中介紹過一個(gè)算例：一條由水池接出的直徑為1m，長(zhǎng)度為61m的單一管道，水池水位為30m，距管道末端12m一段存有空氣，管首段閥門在0.95s內(nèi)打開，該管段剛開始時(shí)的絕對(duì)壓力為102kPa,在接近2.5s時(shí)，壓力突增至絕對(duì)壓力2331kPa，由此可見氣囊運(yùn)動(dòng)所引起的振蕩的嚴(yán)重程度。

氣囊運(yùn)動(dòng)的速度及其帶來的水錘壓力可以通過下列簡(jiǎn)化算式窺探一二：

氣囊運(yùn)動(dòng)速度（管道排氣速度）：

式中:V為管道中氣囊運(yùn)動(dòng)速度或氣體排出速度,m/s;

ξ為管道的局部阻力系數(shù)；

△H為氣囊兩端的壓力差或排氣口處管道壓力,mH2O;

g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?一般取9.8N/kg。

有壓管道直接水錘：

式中:DH為水錘升壓值;

△V為水錘發(fā)生時(shí)流速變化,m/s;

α為管道中的波速,m/s;

g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?一般取9.8N/kg。

根據(jù)公式（2），結(jié)合圖2，由于流速變化引起的水錘壓力升降DH約為13mH2O，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)一般取管道內(nèi)波速為1000m/s,則由氣囊運(yùn)動(dòng)引起的主管道的水流突然變化△V=0.127m/s。

根據(jù)公式（1），假定氣囊兩端的壓差△H為0.01 mH2O。該段管路局部阻力系數(shù)之和∑ξ為1，則當(dāng)氣囊從靜止突然啟動(dòng)時(shí)，氣囊的運(yùn)動(dòng)速度V為12.78m/s。

那么氣囊占主管道截面積的比例為：12.78/0.127=100.63，推算此時(shí)（以斷面積為圓周計(jì)算），氣囊的直徑約為22.4mm。因此可以看出，即便管道中存在非常小的氣囊和壓力變化，也可能引起較高的水錘升壓。

5 管路中氣體主要來源分析

技術(shù)供水管路引用天然水體，溶解空氣的最大體積含氣率約2%(水中溶解性氣體約為20L/m3),研究表明，水泵葉輪入口處以及管路中的負(fù)壓區(qū)等處，當(dāng)壓力降低到某一值時(shí)，水中溶解性氣體會(huì)以微小氣泡的形式迅速析出，并隨水流流動(dòng)而積聚成大氣泡或大氣囊。

由于蓄能電站在P工況啟動(dòng)和CP工況運(yùn)行期間，中壓(7.2MPa)壓縮空氣進(jìn)入尾水管中，水中氣體溶解率變大；同時(shí)由于壓水時(shí)，壓水水位在轉(zhuǎn)輪中心線以下5.2m且延時(shí)2s，部分氣體直接進(jìn)入到尾水管中。另外，通過尾閘室自動(dòng)排氣閥動(dòng)作情況可以判斷有氣體直接進(jìn)入尾水管，因此確實(shí)存在通過尾水進(jìn)入到技術(shù)供水管路中的現(xiàn)象。

清蓄技術(shù)供水管路的設(shè)計(jì)流量裕量較大，管路中存在較多的變徑、彎頭，再加上逆止閥和流量調(diào)節(jié)閥等因素造成管路流態(tài)復(fù)雜,如圖4。在管路每次排空后充水時(shí)，極易造成部分位置的氣體未排出,如圖5，在不同的位置聚集和分散而形成氣囊，尤其是在流量調(diào)節(jié)閥或逆止閥處更難排出。因此，在管路排水后充水時(shí)，由于管路設(shè)計(jì)問題導(dǎo)致的存氣無法排除也是產(chǎn)生氣囊的一個(gè)重要原因。

圖4 氣液兩相流狀態(tài)

圖5 逆止閥結(jié)構(gòu)圖

在管路充水時(shí)，上坡段時(shí)流態(tài)簡(jiǎn)單，利于排氣；而水平段的充水雖然流態(tài)比較復(fù)雜，加上管路管徑較大，容易形成氣液兩相流狀態(tài)的前幾種（圖4），但由于管道較短，排氣相對(duì)比較容易；而在下坡段管路充水時(shí)，由于坡度大，氣、水運(yùn)動(dòng)狀態(tài)容易產(chǎn)生急流流態(tài)，水中極易摻雜氣體，即使到管路正常運(yùn)行時(shí)，下坡段管道內(nèi)的氣體由于與水流方向相反，當(dāng)水流流速較大時(shí)，氣體排出困難，容易積聚在坡度變化處和閥門等處，最終可能以段塞流形式存在，因此管路的下坡段充水速度快也是形成氣囊一個(gè)重要的來源。

6 故障處理

由于抽水蓄能電站調(diào)相運(yùn)行工況的特殊性，在壓水過程中不免會(huì)將氣體融入水中，之后水中溶解氣體的析出又不可避免。不過，這部分氣體多數(shù)可以通過設(shè)置在管路中的排氣閥排出。據(jù)此有必要進(jìn)行以下3項(xiàng)工作：

（1）檢查排氣閥位置是否設(shè)置在最高點(diǎn)。通過檢查發(fā)現(xiàn)排氣閥在最高點(diǎn)。

（2）檢查排氣閥數(shù)量、間距設(shè)置是否合理。由于管路為起伏管路，因此建議在每段凸起管路或平坦管路的逆止閥前安裝排氣閥。

（3）檢查排氣閥的口徑是否滿足要求。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，排氣閥的口徑通常選擇為主管道的1/8～1/12，實(shí)際情況是清蓄機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)主管道口徑為DN450，但排氣閥口徑為DN15，僅是主管道的1/30，口徑偏小。故建議更換大口徑排氣閥。

后續(xù)將對(duì)排氣閥口徑進(jìn)行調(diào)整，并在逆止閥前或逆止閥頂部通過加裝排氣閥或更換排氣閥的形式進(jìn)行改造，以盡量減少技術(shù)供水系統(tǒng)中的氣體。

根據(jù)以上的原因分析和處理方法，現(xiàn)階段從以下幾個(gè)方面著手解決該問題。

（1）在技術(shù)供水系統(tǒng)主管道排空后充水時(shí)，合理控制充水速度，一方面保證充水時(shí)排氣閥能排出管道內(nèi)氣體，另一方面減小下坡段管道產(chǎn)生的急流流態(tài)，減少氣體融入。

（2）由于設(shè)計(jì)原因而存在的管道中凸起點(diǎn)，漸縮段、流量調(diào)節(jié)閥等，易進(jìn)行處理。對(duì)于流量調(diào)節(jié)閥這種不全開閥門的問題，可通過充水時(shí)將其先全部打開、而后調(diào)整至原位置進(jìn)行排氣的方式進(jìn)行解決。

（3）根據(jù)測(cè)算，P工況啟動(dòng)和CP工況運(yùn)行時(shí)，在機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，可以通過減少壓水進(jìn)氣量，以防止氣體過多進(jìn)入到技術(shù)供水等其他支路中，影響其他支路的運(yùn)行；同時(shí)也可延長(zhǎng)空壓機(jī)的啟動(dòng)周期，有利于延長(zhǎng)空壓機(jī)的使用壽命。目前已經(jīng)取消了壓水進(jìn)氣至壓水“低水位”信號(hào)后的2s延時(shí)。

通過以上措施，目前技術(shù)供水系統(tǒng)異響與劇烈振動(dòng)缺陷已經(jīng)消除。

7 結(jié)語

蓄能電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行，從設(shè)計(jì)角度需要綜合考慮多方面因素，除應(yīng)滿足機(jī)組振動(dòng)、噪音、效率等安全穩(wěn)定運(yùn)行條件外，還需保證輔機(jī)設(shè)備的安全運(yùn)行。針對(duì)清蓄技術(shù)供水系統(tǒng)出現(xiàn)的問題，應(yīng)盡量減少壓水空氣的消耗量，防止中壓空氣進(jìn)入到技術(shù)供水等其他支路中，且減少管路中的變徑、陡坡、流量調(diào)節(jié)閥、彎頭等數(shù)量，在無法避免時(shí)應(yīng)合理設(shè)置排氣閥，保證設(shè)備的可靠運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

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