抽水蓄能電站水力自激振動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)策略研究與應(yīng)用

曹永闖，趙 穎，宗懷遠(yuǎn)，高 鑫，徐志壯

（河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南陽(yáng)473000）

0 概述

近年來(lái)，抽水蓄能電站水力自激振動(dòng)（以下簡(jiǎn)稱自激振動(dòng)）現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，總結(jié)其原因：球閥處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，球閥工作密封投入不嚴(yán)或密封投入、退出操作腔有串壓，易引發(fā)引水管道自激振動(dòng)[1-3]?？偨Y(jié)其現(xiàn)象：球閥前壓力鋼管壓力呈振幅逐漸增大的周期性波動(dòng)，最大水壓可達(dá)2 倍靜水壓力，同時(shí)球閥本體及與壓力鋼管相連管路伴有明顯晃動(dòng)及異常聲音[4-5]?？偨Y(jié)其后果：發(fā)生自激振動(dòng)時(shí)，必然造成球閥工作密封的損壞，極大威脅著同一引水隧道內(nèi)球閥、引水管道及其連接部件的安全運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)可引起球閥及壓力鋼管相連管路破裂導(dǎo)致大量噴水[6-8]。因此需要完善自激振動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置能力，切實(shí)保障設(shè)備的本質(zhì)安全。

1 自激振動(dòng)要素剖析

為了精準(zhǔn)地進(jìn)行自激振動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)策略研究，首先應(yīng)從自激振動(dòng)產(chǎn)生的原因、現(xiàn)象，剖析可以通過(guò)哪些要素來(lái)監(jiān)測(cè)、定性該現(xiàn)象，然后采取相應(yīng)的策略設(shè)置保護(hù)，以此保證設(shè)備安全。

要素①球閥水平方向位移：發(fā)生自激振動(dòng)時(shí)，球閥本體及與壓力鋼管相連管路伴有明顯晃動(dòng)及異常聲音。

要素②球閥前壓力鋼管壓力：發(fā)生自激振動(dòng)時(shí)，球閥前壓力鋼管壓力呈振幅逐漸增大的周期性波動(dòng)，最大可達(dá)2 倍靜水壓力。

要素③球閥工作密封投入腔壓力（或投入狀態(tài)）：由于工作密封密封塊磨損或者投入腔壓力太低，會(huì)引起工作密封投入不嚴(yán)或反復(fù)投退，可引發(fā)自激振動(dòng)。

要素④球閥工作密封投退腔壓差：工作密封投入、退出腔有串壓時(shí)，可引發(fā)自激振動(dòng)。

2 自激振動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)

通過(guò)以上對(duì)自激振動(dòng)要素分析，本文擬采取設(shè)置監(jiān)測(cè)信號(hào)、設(shè)置保護(hù)邏輯、設(shè)置應(yīng)急處置按鈕等措施來(lái)設(shè)置自激振動(dòng)保護(hù)。

2.1 設(shè)置監(jiān)測(cè)信號(hào)

針對(duì)要素①球閥水平方向位移：設(shè)置球閥本體位移監(jiān)測(cè)裝置，并將位移量以模擬量（4～20 mA）接入監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)球閥本體X 軸、Y 軸方向位移量。傳感器精度等級(jí)應(yīng)不低于0.5%、分辨率不低于10 μm。以BQ 電站為例，將球閥位移傳感器底座分別焊接至球閥X 軸、Y 軸底座平臺(tái)上，定義傳感器探頭初始位置后，輸出為12 mA；當(dāng)正向位移為+2 mm 時(shí)，輸出電流為20 mA；當(dāng)負(fù)向位移為-2 mm時(shí)，輸出電流為4 mA。

針對(duì)要素②球閥前壓力鋼管壓力：球閥上游壓力鋼管延伸段設(shè)置1 個(gè)精度等級(jí)不低于0.5%的壓力變送器，變送器的最大量程不應(yīng)小于機(jī)組進(jìn)水閥設(shè)計(jì)壓力的2 倍，壓力信號(hào)以模擬量接入監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓力鋼管壓力值。壓力變送器的信號(hào)水源取自壓力鋼管測(cè)壓總管，測(cè)壓總管與球閥上游壓力鋼管延伸段1 個(gè)斷面上均布的多個(gè)壓力測(cè)點(diǎn)相連通。壓力變送器及測(cè)壓總管應(yīng)設(shè)置在便于維護(hù)、巡檢的地方，測(cè)壓總管上應(yīng)設(shè)置排氣和排水裝置，測(cè)壓支管上應(yīng)設(shè)置隔離球閥。

針對(duì)要素③球閥工作密封投入腔壓力（或投入狀態(tài)）：1）在球閥工作密封投入腔設(shè)置精度等級(jí)不低于0.5%的壓力變送器，以模擬量接入監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作密封投入腔壓力；2）在圓周方向均勻設(shè)置球閥工作密封位置檢測(cè)開關(guān)，且數(shù)量不少于3個(gè)，以開關(guān)量接入監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)球閥工作密封位置；3）設(shè)置工作密封備用水源，確保工作密封操作水源可靠，工作密封能可靠投入。

針對(duì)要素④球閥工作密封投退腔壓差：在球閥工作密封退出腔設(shè)置精度等級(jí)不低于0.5%的差壓變送器，另設(shè)置精度等級(jí)不低于0.5%的差壓變送器以監(jiān)視球閥工作密封投入、退出腔的壓力差，將壓力值、壓差值以模擬量接入監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)球閥工作密封投入、退出腔壓力值及之間的壓差值，并將兩者相互校驗(yàn)。

應(yīng)在球閥系統(tǒng)監(jiān)控畫面中增加自激振動(dòng)保護(hù)畫面，并將球閥工作密封投退腔壓力、差壓、工作密封位置、壓力鋼管壓力及球閥本體位移監(jiān)測(cè)等所有測(cè)量信號(hào)都集中在自激振動(dòng)保護(hù)畫面中統(tǒng)一實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.2 設(shè)置保護(hù)邏輯

針對(duì)要素①球閥水平方向位移，設(shè)置兩級(jí)球閥位移報(bào)警。以BQ 電站為例，球閥本體位移傳感器位移范圍為-2～2 mm，設(shè)置兩級(jí)球閥位移報(bào)警信號(hào)。一級(jí)報(bào)警：球閥全關(guān)+下限報(bào)警（-1.5 mm）/上限報(bào)警（1.5 mm）；二級(jí)報(bào)警：球閥全關(guān)+下限報(bào)警（-1.95 mm）/上限報(bào)警（1.95 mm）。

針對(duì)要素②球閥前壓力鋼管壓力，當(dāng)球閥前壓力鋼管壓力值達(dá)到其最大靜水壓力的120%，發(fā)壓力脈動(dòng)報(bào)警信號(hào)，若壓力脈動(dòng)報(bào)警在20 s 內(nèi)出現(xiàn)3次及以上時(shí)，則自激振動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)該保護(hù)動(dòng)作輸出打開球閥旁通閥（如有）或者退出球閥工作密封，以消除自激振動(dòng)。以BQ 電站為例，球閥前壓力鋼管最大凈水壓力為6.4 MPa，設(shè)置7.68 MPa 為報(bào)警值，若壓力脈動(dòng)報(bào)警在20 s 內(nèi)出現(xiàn)3 次及以上時(shí)，則自激振動(dòng)保護(hù)動(dòng)作退出球閥工作密封（因該電站未設(shè)置球閥旁通閥）。

針對(duì)要素③球閥工作密封投入腔壓力（或投入狀態(tài)）：1）在監(jiān)控中設(shè)置球閥工作密封投入腔壓力低報(bào)警，并具有自動(dòng)復(fù)歸能力，BQ 電站球閥工作密封投入腔壓力正常為6.2 MPa 左右，設(shè)置壓力小于4 MPa 報(bào)警；2）機(jī)組處于停機(jī)或調(diào)相工況下，球閥工作密封投入信號(hào)丟失時(shí)，發(fā)報(bào)警信號(hào)；3）當(dāng)20 s 時(shí)間內(nèi)發(fā)生3 次及以上工作密封投入位置蠕動(dòng)信號(hào)，則自激振動(dòng)保護(hù)動(dòng)作，同時(shí)該保護(hù)動(dòng)作輸出打開球閥旁通閥（如有）或者退出球閥工作密封，以消除自激振動(dòng)。

針對(duì)要素④球閥工作密封投退腔壓差，當(dāng)球閥全關(guān)狀態(tài)下，球閥工作密封投入、 退出腔壓差異常時(shí)，發(fā)報(bào)警信號(hào)。對(duì)于投入、退出腔均有操作水源的電站，設(shè)置1 個(gè)壓差低定值即可，即兩腔壓差小于該定制時(shí)發(fā)報(bào)警信號(hào)。對(duì)于BQ 電站，球閥工作密封投/退通過(guò)工作密封投入腔操作水源的投/退實(shí)現(xiàn)，故無(wú)需設(shè)置此保護(hù)邏輯。

2.3 設(shè)置應(yīng)急處置按鈕

當(dāng)監(jiān)測(cè)到自激振動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，除了設(shè)置保護(hù)邏輯自動(dòng)動(dòng)作外，還要增加手動(dòng)應(yīng)急處置按鈕作備用。應(yīng)在自激振動(dòng)保護(hù)畫面中設(shè)置投/退工作密封、開/關(guān)球閥旁通閥（如有）、開/關(guān)球閥的控制按鈕，還應(yīng)在每臺(tái)球閥現(xiàn)地電氣控制柜上配置相同功能的手動(dòng)應(yīng)急處置按鈕。對(duì)于BQ 電站，將在下一步的自激振動(dòng)異動(dòng)計(jì)劃中完善以上應(yīng)急處置按鈕的設(shè)置。

3 自激振動(dòng)應(yīng)急處置原則

（1）當(dāng)引水管道發(fā)生自激振動(dòng)時(shí)應(yīng)根據(jù)壓力鋼管壓力、球閥工作密封過(guò)水聲音、監(jiān)控報(bào)警信息等迅速判斷發(fā)生自激振動(dòng)的機(jī)組。

（2）若機(jī)組在調(diào)相工況時(shí)發(fā)生自激振動(dòng)，應(yīng)立即匯報(bào)調(diào)度申請(qǐng)停機(jī)。

（3）采取開球閥旁通閥（如有）、退球閥工作密封、投球閥檢修密封、開球閥等單項(xiàng)或多項(xiàng)措施可消除自激振動(dòng)。若不確認(rèn)哪臺(tái)機(jī)組球閥引起自激振動(dòng)，可對(duì)同一流道的球閥逐臺(tái)操作。

（4）若自激振動(dòng)保護(hù)已經(jīng)動(dòng)作，則密切查看球閥旁通閥（如有）開啟情況或工作密封退出情況，確認(rèn)自激振動(dòng)現(xiàn)象已減弱直至消除，必要時(shí)通過(guò)應(yīng)急處置按鈕快速消除自激振動(dòng)。

（5）完成處置后對(duì)相應(yīng)機(jī)組進(jìn)行細(xì)致檢查，檢查內(nèi)容包括：球閥本體及其連接管路、液壓操作系統(tǒng)管路、上庫(kù)閘門、上游壓力鋼管連接管路、閥體緊固件等設(shè)備設(shè)施。

4 其他注意事項(xiàng)

（1）對(duì)于新建電站來(lái)說(shuō)，電站設(shè)計(jì)階段應(yīng)配置自激振動(dòng)保護(hù)裝置、優(yōu)化設(shè)備選型布置。壓力鋼管、球閥設(shè)備設(shè)計(jì)選型時(shí)，強(qiáng)度應(yīng)滿足機(jī)組發(fā)生自激振動(dòng)情況下的安全裕度。球閥工作密封和檢修密封設(shè)計(jì)應(yīng)可靠，應(yīng)有保證在球閥工作密封投退腔串壓情況下投入腔壓力始終大于退出腔壓力的措施，如優(yōu)化投入退出腔面積比。球閥工作密封和檢修密封的操作水源應(yīng)設(shè)置備用水源，備用水源應(yīng)取自不同輸水系統(tǒng)的壓力鋼管，水源間應(yīng)設(shè)置隔離閥門和止回閥。

（2）對(duì)于在建電站來(lái)說(shuō)，應(yīng)嚴(yán)格控制設(shè)備安裝質(zhì)量工藝，做好自激振動(dòng)保護(hù)監(jiān)測(cè)元器件的校驗(yàn)。球閥安裝過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)格做好工作密封、檢修密封件表面以及投入、退出腔密封面的防護(hù)。球閥工作密封、檢修密封供水管路所有焊縫應(yīng)經(jīng)無(wú)損檢測(cè)合格，管路應(yīng)經(jīng)壓力試驗(yàn)合格。壓力變送器、壓力表、差壓變送器等壓力監(jiān)測(cè)元件安裝前應(yīng)校驗(yàn)合格。

（3）對(duì)于投運(yùn)電站來(lái)說(shuō)，應(yīng)完善自激振動(dòng)保護(hù)，并對(duì)保護(hù)裝置定期維護(hù)校驗(yàn)。對(duì)自激振動(dòng)保護(hù)裝置設(shè)備如球閥工作密封供水過(guò)濾器、壓力變送器、壓力表、差壓變送器、球閥工作密封供水管路等應(yīng)定期進(jìn)行檢修、維護(hù)和校驗(yàn)，對(duì)自激振動(dòng)保護(hù)邏輯定期進(jìn)行傳動(dòng)試驗(yàn)。應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況制定防自激振動(dòng)專項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案，并定期進(jìn)行演練。

（4）通過(guò)優(yōu)化設(shè)備選型布置、管控安裝質(zhì)量工藝、設(shè)置自激振動(dòng)保護(hù)等措施，并不能從根本上上消除自激振動(dòng)，只是從自激振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理、現(xiàn)象出發(fā)，采取一系列應(yīng)對(duì)措施，在一定程度上避免自激振動(dòng)的發(fā)生，并在自激振動(dòng)發(fā)生后通過(guò)設(shè)置保護(hù)邏輯或人為動(dòng)作消除自激振動(dòng)現(xiàn)象，以此保證設(shè)備安全，所以日常工作中仍要加強(qiáng)對(duì)自激振動(dòng)的重視，維護(hù)好相關(guān)設(shè)備。

（5）本文所列保護(hù)措施設(shè)置較多，各電站可結(jié)合自身設(shè)備情況，合理搭配即可。BQ 電站通過(guò)設(shè)置以上保護(hù)措施中的多個(gè)組合，電站運(yùn)維人員能在日常運(yùn)維工作中，迅速發(fā)現(xiàn)并消除自激振動(dòng)現(xiàn)象，為電站設(shè)備的安全運(yùn)行提供了堅(jiān)強(qiáng)保障，同時(shí)為其他電站的自激振動(dòng)保護(hù)設(shè)計(jì)、改造提供了廣泛的參考價(jià)值。