桐柏抽水蓄能電站球閥密封自激振蕩分析及抑制

孫 遜，蔣池劍，趙 鋒

（國網(wǎng)新源控股華東桐柏抽水蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，浙江省臺州市 317200）

0 引言

抽水蓄能電站由于具有較長且復(fù)雜的輸水系統(tǒng)，導(dǎo)致其自振頻率較低，容易在擾動源作用下易產(chǎn)生高階諧振[1]；而抽水蓄能電站較高的水頭設(shè)計，使輸水系統(tǒng)內(nèi)部水壓較大，進(jìn)而導(dǎo)致電站發(fā)生水力諧振時的振蕩壓力的絕對值較大，危害較常規(guī)水電站更加嚴(yán)重[2，3]，不僅影響機(jī)組的穩(wěn)定運行，還有可能導(dǎo)致輸水管道結(jié)構(gòu)破壞，危及水電站的運行安全[4]。

到目前為止，國內(nèi)外已有若干水電站發(fā)生過由于球閥密封漏水而引發(fā)的管道系統(tǒng)的自激振動事件，比如廣州抽水蓄能電站二期工程、美國哈埃脫水電站等[5]。浙江桐柏抽水蓄能電站在2014年9～10月期間，兩條引水系統(tǒng)先后共發(fā)生了4次由于球閥密封漏水而引起的水力自激振動，事件現(xiàn)場表現(xiàn)為球閥工作密封異常高頻次投退、球閥異常振動、鋼管內(nèi)產(chǎn)生巨大的壓力脈動且壓力脈動最大值已接近球閥上游靜壓力兩倍等。引水系統(tǒng)水力自激振動發(fā)生后，雖然桐柏電站采取了監(jiān)視壓力鋼管、設(shè)置報警信號和遠(yuǎn)方開啟球閥旁通閥等臨時措施暫時消除了水力自激振動現(xiàn)象，但該問題仍然是給電站和機(jī)組的安全運行帶來較大安全隱患。

本文以浙江桐柏抽水蓄能電站所發(fā)生的球閥自激振動事件為例，詳細(xì)介紹了該電站球閥自激振動事件的發(fā)生過程、現(xiàn)象、原因分析以及后期的處理措施，供抽水蓄能電站相關(guān)運行管理人員以及相關(guān)問題的研究人員參考，特別對抽水蓄能電站大型球閥（DN2000以上）密封漏水引起管道自激振動處理方案研究具有非常重要的參考價值。

1 電站基本情況

桐柏抽水蓄能電站為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，裝機(jī)容量4×300MW，所用機(jī)組為立軸單級混流可逆式水泵水輪機(jī)，電站輸水系統(tǒng)位于上、下水庫之間的山體內(nèi)，采用一洞二機(jī)、斜井、尾部廠房布置方案，配置兩套相同水力單元[6]。四臺機(jī)組呈一字形依次排列，1、2號機(jī)組以及3、4號機(jī)組各為一組，各組兩臺機(jī)組的分支管共接一根壓力管，每根支管上都設(shè)有一套內(nèi)直徑3.1m的球閥，用于廠房檢修期間的擋水、與調(diào)速器緊密配合降低水錘壓力以及機(jī)組運行異常情況下截斷水流。球閥上游側(cè)裝設(shè)檢修密封，下游側(cè)裝設(shè)工作密封。檢修密封的投退用水取自壓力鋼管，并設(shè)有六個機(jī)械鎖定螺栓，需要通過手動投退。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實現(xiàn)。機(jī)組正常運行時，檢修密封和工作密封均處于退出狀態(tài)。當(dāng)球閥處于中間狀態(tài)任一位置時，嚴(yán)禁操作檢修密封和工作密封。

在2014年9～10月期間，電站兩條引水系統(tǒng)先后共發(fā)生了4次由于球閥密封漏水而引起的水力自激振動，振動事件現(xiàn)場表現(xiàn)為球閥工作密封異常高頻次投退，球閥異常振動，鋼管內(nèi)產(chǎn)生巨大的壓力脈動，且壓力脈動最大值已接近球閥上游靜壓力兩倍等。

2 自激振動事件發(fā)生經(jīng)過

某日，01時06分29秒1號球閥工作密封下發(fā)“釋放”命令，之后工作密封頻繁動作，伴隨有金屬敲擊聲音。1號球閥在01時06分52秒因工作密封行程開關(guān)感應(yīng)片松動偏轉(zhuǎn)，釋放信號消失。但現(xiàn)場工作密封仍在持續(xù)頻繁在“釋放”與“投入”狀態(tài)之間動作，整個動作周期大約在360～400ms之間，其中從“釋放”到“投入”之間的動作時間大約為100～120ms，從“投入”到“釋放”之間的動作時間大約為250～270ms。2號機(jī)主進(jìn)水閥工作密封于01時06分37秒開始“釋放/投退”，之后也開始頻繁在“釋放”與“投入”狀態(tài)之間動作，動作周期與現(xiàn)象與1號球閥類似。

現(xiàn)場運行人員于01時11分關(guān)閉1號球閥工作密封投入進(jìn)水閥，因閥門偏緊未將其關(guān)閉。此時觀察到1號機(jī)球閥工作密封油水切換閥MB40-AA001機(jī)構(gòu)連桿未動作?，F(xiàn)場運行人員于01時13分關(guān)閉2號球閥工作密封投入進(jìn)水閥，動作器件也發(fā)現(xiàn)2號機(jī)球閥工作密封油水切換閥MB40-AA001機(jī)構(gòu)連桿未動作。

2號機(jī)主進(jìn)水閥工作密封于01時18分停止投退，在此之后，1、2號機(jī)主進(jìn)水閥振動以及工作密封頻繁投退現(xiàn)象于01時18分30秒消失，整個球閥自激振動過程停止。

整個自激振蕩過程1號機(jī)壓力鋼管壓力波動變換情況見圖1。

從監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可以看出，根據(jù)上位機(jī)2號機(jī)壓力脈動趨勢圖顯示（如圖2所示），01時06分10秒，2號機(jī)壓力鋼管壓力波動最低值降至13bar（lbar=105Pa，下同），正常值應(yīng)為32bar，水力壓差脈動開始產(chǎn)生。01時06分28秒，2號機(jī)壓力鋼管壓力波動最高值達(dá)到51bar，2號機(jī)球閥工作密封處于中間狀態(tài)。01時06分32秒，1號輸水管道鋼管壓力降至12.5bar，水力脈動壓差繼續(xù)增大，1號機(jī)球閥工作密封開始異常投退，導(dǎo)致1、2號機(jī)抽水調(diào)相工況啟動失敗。

圖1 1號機(jī)壓力鋼管壓力波動曲線圖Fig.1 Pressure oscillation diagram of penstock in No.1 generating unit

圖2 2號機(jī)壓力鋼管壓力波動曲線圖Fig.2 Pressure oscillation diagram of penstock in No.2 generating unit

正常情況下，抽水蓄能電站機(jī)組球閥工作密封活動環(huán)上的密封會將工作密封投入腔與退出腔、退出腔與閥體內(nèi)壓力水之間的水路聯(lián)系完全隔離。但機(jī)組運行多年后，由于供水水源含砂量的變化、供水系統(tǒng)中過濾設(shè)備的堵塞及部分密封材料的老化等原因，導(dǎo)致球閥漏水以及工作密封各腔之間的竄水，從閥體內(nèi)壓力水或者工作密封投入腔中的水滲漏到退出腔，將會導(dǎo)致原來活動環(huán)投入和退出過程中的水壓平衡被打破，形成球閥自激振動的激發(fā)條件。桐柏抽水蓄能電站的球閥在以前的檢修過程中，已發(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現(xiàn)象。正是上述滲漏現(xiàn)象的日漸嚴(yán)重，導(dǎo)致球閥工作密封“釋放”腔和“投入”腔區(qū)域產(chǎn)生均壓，引起工作密封滑動環(huán)壓緊處長期處于動作臨界狀態(tài)，導(dǎo)致工作密封反復(fù)投退；由于球閥工作密封呈柔性閥門特性，進(jìn)而引發(fā)球閥工作密封漏水情況加重，最終產(chǎn)生水力自激振動現(xiàn)象。

通過分析可知，產(chǎn)生水力自激振動的根本原因在于球閥工作密封漏水，但由于球閥工作密封活動密封環(huán)的結(jié)構(gòu)改造需要通過前期項目可行性方案論證，無法在短時間能驗證和實現(xiàn)。因此，只能在現(xiàn)有條件下，通過增設(shè)相應(yīng)物理量的傳感設(shè)備，優(yōu)化球閥投入/退出操作流程等方式來解決。

3 球閥密封自激振蕩的消除和防范措施

球閥密封自激振蕩的消除，主要需從消除激發(fā)和維持振蕩的能源、限制控制系統(tǒng)投切振蕩以及切斷能量傳遞路徑三個方面來解決。從具體操作來說，主要體現(xiàn)在對球閥水管路的改造以及運行人員自激振蕩現(xiàn)場應(yīng)對措施的制定。

3.1 對球閥水路的改造

（1）針對檢修密封進(jìn)水為高壓水，對密封固定外環(huán)刮痕沖刷，加重密封滲水的問題，將球閥檢修密封投退進(jìn)水閥從“開”狀態(tài)修改至“關(guān)”狀態(tài)，將退出腔排水管路從聯(lián)通狀態(tài)修改至隔離狀態(tài)。

（2）針對球閥檢修密封漏水不斷沖刷刮痕的問題，將檢修密封兩位四通閥排水管處堵頭更換為隔離閥，排水時無需再拆除堵頭后接上排水管進(jìn)行排水，僅需打開隔離閥便可排水。

（3）針對在停機(jī)狀態(tài)、開機(jī)穩(wěn)態(tài)時工作密封排水腔漏水，長期流動造成對合金面刮痕的氣蝕沖刷，縮短工作密封合金面和組合密封的修復(fù)、更換周期的問題，將球閥工作密封排水腔中的水從直通排水狀態(tài)，改造為在排水管路上加裝電磁閥，在電磁閥的前后端分別設(shè)置隔離閥，并在此管路段加裝旁通管路的方式進(jìn)行排水。

（4）針對球閥工作密封退出腔水壓過大，會竄入球閥工作密封投退切換閥內(nèi)，影響工作密封投退的問題，將原來工作密封退出腔排水管和密封投退切換閥排水管連在一根總管路的水路，改造為兩者單獨設(shè)置管路排至機(jī)組上游側(cè)墻體廊道內(nèi)。

（5）針對單元球閥工作密封無備用取水閥的問題，在球閥均壓管處增設(shè)三通管和隔離管。

3.2 運行人員的現(xiàn)場應(yīng)對措施

對于電站的現(xiàn)場運行人員，當(dāng)球閥工作密封鋼管水壓大于3.6MPa并由監(jiān)控系統(tǒng)報警或者球閥工作密封異常高頻次投退以及鋼管內(nèi)水壓脈動時，應(yīng)采取以下處置措施：

（1）當(dāng)引水系統(tǒng)水力自激振蕩發(fā)生，機(jī)組在停機(jī)工況時，應(yīng)從上位機(jī)開啟球閥主油閥和工作旁通閥；截斷球閥工作密封投入腔進(jìn)水管路；開啟同一單元另一臺機(jī)組球閥，當(dāng)該機(jī)組處于停機(jī)狀態(tài)時，立即將該水輪機(jī)開機(jī)。

（2）當(dāng)引水系統(tǒng)水力自激振蕩發(fā)生，機(jī)組在抽水調(diào)相工況時，應(yīng)開啟同一引水系統(tǒng)的備用機(jī)組球閥主油閥和工作旁通閥；截斷球閥工作密封投入腔進(jìn)水管路；將異常機(jī)組正常停機(jī)后，水輪機(jī)工況開機(jī)消除自激振蕩。

（3）當(dāng)引水系統(tǒng)水力自激振蕩發(fā)生，同一引水系統(tǒng)機(jī)組處在檢修狀態(tài)，無法對檢修機(jī)組采取措施消除引水系統(tǒng)的自激振蕩，而可用機(jī)組處于抽水調(diào)相工況時，應(yīng)截斷球閥工作密封投入腔進(jìn)水管路；將異常機(jī)組正常停機(jī)后，開啟機(jī)組球閥主油閥和工作旁通閥消除水力自激振蕩。

（4）當(dāng)引水系統(tǒng)水力自激振蕩發(fā)生，且上述措施均沒有效果時，應(yīng)投機(jī)組球閥檢修密封，落上水庫進(jìn)水口閘門。

4 結(jié)束語

造成桐柏抽水蓄能電站球閥密封自激振蕩的主要原因為球閥工作密封漏水，通過對球閥水路的改造，以及通過監(jiān)控預(yù)警并制定相應(yīng)的處置措施，可以將自激振蕩在萌芽狀態(tài)就得以控制和消除，有效緩解了桐柏抽水蓄能電站所面臨的機(jī)組球閥自激振蕩風(fēng)險，保障了電站的運行安全。但要根本性的解決該問題，還需依靠球閥工作密封結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和改進(jìn)，徹底處理球閥的漏水問題來解決。