某抽水蓄能機(jī)組動(dòng)水關(guān)閉球閥試驗(yàn)分析

馮雁敏，于 粟

(國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110006)

球閥正常工作狀態(tài)應(yīng)處于全開(kāi)或全關(guān)位置，一般情況下不參與水電機(jī)組過(guò)水流量調(diào)節(jié)[1-2]。為防止機(jī)組停機(jī)過(guò)程中調(diào)速系統(tǒng)故障導(dǎo)致導(dǎo)葉關(guān)閉失靈，球閥應(yīng)具備動(dòng)水關(guān)閉功能，起到防止機(jī)組飛逸避免事故擴(kuò)大的最后一道保護(hù)作用[3-6]。緊急狀態(tài)下動(dòng)水關(guān)球閥本身是一種破壞性試驗(yàn)，既是對(duì)球閥本體(包括球閥、伸縮節(jié)、混凝土球閥支墩等)性能的考驗(yàn)，也是對(duì)機(jī)組相關(guān)設(shè)備及過(guò)流引水系統(tǒng)承載能力的考驗(yàn)。盡管球閥在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中動(dòng)水關(guān)閉的幾率很小，但文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]中規(guī)定“機(jī)組在任何運(yùn)行工況下，進(jìn)水閥門(mén)應(yīng)能動(dòng)水關(guān)閉且不產(chǎn)生有害振動(dòng)”。與常規(guī)水輪機(jī)組相比，抽水蓄能機(jī)組工作水頭高、吸出高程低、運(yùn)行工況多且轉(zhuǎn)換頻繁、引水管道系統(tǒng)復(fù)雜且具有雙向過(guò)流特性、水錘效應(yīng)明顯，大多選用安裝在引水壓力鋼管與蝸殼之間的球閥作為導(dǎo)通和截?cái)嗨鞯脑O(shè)備，并在機(jī)組安裝初期作為壓力鋼管的堵頭。近幾年，我國(guó)新建抽水蓄能電站投產(chǎn)運(yùn)行后大多數(shù)都進(jìn)行了機(jī)組動(dòng)水關(guān)閉球閥試驗(yàn)[7-13]。本文介紹了某250 MW抽水蓄能機(jī)組動(dòng)水關(guān)閉球閥試驗(yàn)方法及關(guān)鍵性的安全、技術(shù)措施，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為后續(xù)新建蓄能機(jī)組動(dòng)水關(guān)閉球閥試驗(yàn)提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備概況

1.1 機(jī)組參數(shù)

試驗(yàn)機(jī)組單機(jī)容量為250 MW，水輪機(jī)型號(hào)為HLNA1094-LJ-474，發(fā)電機(jī)型號(hào)為SFD250-20/7500，額定轉(zhuǎn)速為300 r/min，水輪機(jī)最大、額定、最小工作水頭分別為291 m、259 m、235 m。

1.2 球閥系統(tǒng)

球閥系統(tǒng)作為機(jī)組停機(jī)、水泵工況啟動(dòng)及其下游設(shè)備檢修時(shí)截?cái)嗨鞯膿跛O(shè)備，由球閥本體、球閥前/后聯(lián)接管、伸縮節(jié)、檢修密封、空氣閥、排水閥、工作密封、旁通閥及旁通管路、油壓裝置、操作機(jī)構(gòu)、控制設(shè)備以及自動(dòng)化元件等組成。球閥采用單接力器操作結(jié)構(gòu)，在接力器雙向作用下控制球閥的開(kāi)啟與關(guān)閉。球閥上下游側(cè)各有1套密封，上游側(cè)為檢修密封，下游側(cè)為工作密封，球閥本體與密封之間設(shè)置閉鎖邏輯，即球閥開(kāi)啟閉鎖工作、檢修密封投入。工作密封投入閉鎖球閥開(kāi)啟，設(shè)置以下信號(hào)裝置：活門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉位置、工作密封位置、鎖錠投入和撥出信號(hào)、旁通閥開(kāi)關(guān)信號(hào)、活門(mén)上、下游壓差信號(hào)、油壓系統(tǒng)油壓/油位過(guò)高、過(guò)低和事故低油壓信號(hào)。球閥系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.3 設(shè)備功能及性能保證

球閥在開(kāi)啟或關(guān)閉的過(guò)程中，各部件應(yīng)動(dòng)作靈活、功能可靠，位置準(zhǔn)確，無(wú)任何卡阻，可以在最?lèi)毫拥倪\(yùn)行工況條件(極端水頭/揚(yáng)程、最大流量且導(dǎo)葉全開(kāi))下可靠地動(dòng)水關(guān)閉以切斷全部過(guò)機(jī)流量，且球閥各部件不產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)或有害變形損壞，其關(guān)閉時(shí)間不超過(guò)機(jī)組在最大飛逸轉(zhuǎn)速下持續(xù)運(yùn)行的允許時(shí)間。球閥與尾水事故閘門(mén)間設(shè)置硬閉鎖功能(球閥和尾水事故閘門(mén)采用2套閉鎖邏輯，即監(jiān)控系統(tǒng)電氣閉鎖及硬布線(xiàn)電氣閉鎖。當(dāng)尾水事故閘門(mén)關(guān)閉情況下球閥不得開(kāi)啟，當(dāng)球閥開(kāi)啟情況下尾水事故閘門(mén)不得關(guān)閉)，當(dāng)球閥本體發(fā)生事故關(guān)閉時(shí)，應(yīng)聯(lián)動(dòng)事故跳機(jī)關(guān)閉導(dǎo)葉。主機(jī)設(shè)備合同技術(shù)規(guī)范中規(guī)定：機(jī)組在各種過(guò)渡過(guò)程中最大轉(zhuǎn)速應(yīng)小于435 r/min，蝸殼進(jìn)口中心線(xiàn)處最大壓力應(yīng)小于4650 kPa，尾水管進(jìn)口最小壓力應(yīng)大于100 kPa，球閥動(dòng)水關(guān)閉時(shí)水平位移不得大于4510 μm，尾水管壓力脈動(dòng)和其他測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)在各過(guò)渡過(guò)程中的雙振幅值(ΔH/H%)應(yīng)分別小于20%和30%。

2 球閥動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)

通過(guò)動(dòng)水關(guān)閉球閥試驗(yàn)，驗(yàn)證在導(dǎo)葉不關(guān)閉的情況下球閥能否可靠動(dòng)水截?cái)嗳繖C(jī)組過(guò)水流量；通過(guò)對(duì)球閥(包括伸縮節(jié)、混凝土支墩)振動(dòng)及相對(duì)位移、過(guò)流管道相關(guān)測(cè)點(diǎn)水流壓力(含壓力脈動(dòng))、機(jī)組穩(wěn)定性(包括機(jī)組轉(zhuǎn)速、機(jī)架振動(dòng)及導(dǎo)軸承擺度)等測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合試驗(yàn)后現(xiàn)場(chǎng)檢查判斷球閥及機(jī)組應(yīng)不產(chǎn)生任何結(jié)構(gòu)損傷或有害變形振動(dòng)，評(píng)定球閥動(dòng)水關(guān)閉的安全性[2～8]。

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)機(jī)組測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。

由圖1可知，本次試驗(yàn)球閥系統(tǒng)測(cè)試參數(shù)包括：①球閥振動(dòng)(包括球閥本體及球閥基礎(chǔ)的水平、垂直方向振動(dòng))；②球閥上/下游側(cè)壓力；③球閥軸向(順?biāo)鞣较?位移；④球閥接力器行程、⑤球閥接力器開(kāi)關(guān)腔壓力。機(jī)組測(cè)試參數(shù)包括：①由電渦流位移傳感器對(duì)準(zhǔn)粘貼在大軸上的鍵相塊測(cè)得機(jī)組轉(zhuǎn)速；②有功功率；③由安裝在接力器上的拉繩式位移傳感器測(cè)得導(dǎo)葉開(kāi)度；④由速度型位移振動(dòng)傳感器測(cè)得上/下機(jī)架及頂蓋振動(dòng)；⑤由電渦流位移傳感器測(cè)得導(dǎo)軸承擺度；⑥由壓力傳感器測(cè)得蝸殼進(jìn)口(末端)、尾水進(jìn)口(出口)及導(dǎo)葉前(后)等測(cè)點(diǎn)處水流壓力；⑦由絕對(duì)壓力傳感器測(cè)得蝸殼進(jìn)口、尾水進(jìn)口、轉(zhuǎn)輪與頂蓋間、泄水環(huán)間及導(dǎo)葉與轉(zhuǎn)輪進(jìn)口間水流壓力脈動(dòng)。

2.2 試驗(yàn)前準(zhǔn)備工作

作為一種高風(fēng)險(xiǎn)性破壞試驗(yàn)，球閥動(dòng)水關(guān)閉時(shí)對(duì)球閥、機(jī)組本身和水工建筑的損傷都非常大，試驗(yàn)前應(yīng)做好充分的準(zhǔn)備工作。

a.試驗(yàn)前進(jìn)行球閥單獨(dú)靜水啟閉試驗(yàn)，其動(dòng)作時(shí)間須滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；確保機(jī)組緊急事故停機(jī)時(shí)控制回路動(dòng)作正常；對(duì)機(jī)組進(jìn)行聯(lián)合檢查確認(rèn)機(jī)組各部位螺栓、銷(xiāo)釘已緊固鎖死，利用液壓拉伸器對(duì)重要部位連接螺栓進(jìn)行抽檢測(cè)試其強(qiáng)度與拉伸量是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。動(dòng)水關(guān)球閥試驗(yàn)過(guò)程中可能存在機(jī)組過(guò)速引起發(fā)電電動(dòng)機(jī)掃膛、反水錘引起抬機(jī)、反水錘壓力引起過(guò)水管路破裂導(dǎo)致水淹廠(chǎng)房、火災(zāi)、軸承燒瓦、全廠(chǎng)失電等危險(xiǎn)源，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況提前做好具有可實(shí)施性的應(yīng)急預(yù)案，明確逃生路線(xiàn)，確保聲光報(bào)警、上/下庫(kù)閘門(mén)、球閥及機(jī)組停機(jī)流程動(dòng)作正確。

b.該試驗(yàn)在機(jī)組竣工投產(chǎn)后進(jìn)行，確保試驗(yàn)機(jī)組及相關(guān)公用系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行正常。退出可能影響球閥動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)的異常跳機(jī)信號(hào)(如發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)、球閥異常關(guān)閉保護(hù)等)，其他電氣量及熱工量保護(hù)控制系統(tǒng)功能完善、邏輯正確，且投入正常運(yùn)行。為防止動(dòng)水關(guān)球閥過(guò)程中反水錘引起機(jī)組反轉(zhuǎn)，機(jī)械制動(dòng)誤投，機(jī)械制動(dòng)在試驗(yàn)前設(shè)為手動(dòng)控制并保持在退出狀態(tài)。

c.為防止測(cè)壓管路過(guò)長(zhǎng)削弱水流壓力脈動(dòng)幅值同時(shí)為避免試驗(yàn)時(shí)測(cè)壓管路振動(dòng)導(dǎo)致水流壓力脈動(dòng)/壓力測(cè)值偏大，應(yīng)盡量在現(xiàn)地就近測(cè)點(diǎn)位置布置傳感器，否則應(yīng)對(duì)測(cè)壓引出管路進(jìn)行加固。試驗(yàn)用的測(cè)試設(shè)備和儀器儀表均應(yīng)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格檢定、率定。機(jī)組啟動(dòng)前對(duì)相關(guān)測(cè)壓管路進(jìn)行排氣檢查，機(jī)組啟動(dòng)后在動(dòng)水關(guān)球閥之前應(yīng)檢查所有試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)信號(hào)正確，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)真實(shí)有效。

d.試驗(yàn)場(chǎng)地實(shí)施警戒，嚴(yán)禁無(wú)關(guān)人員進(jìn)入，保證道路暢通，照明充足，必須有明確的逃生通道指示。動(dòng)水關(guān)閉球閥試驗(yàn)前，應(yīng)確保機(jī)組和水工建筑各部分運(yùn)行正常，僅留試驗(yàn)指揮和操作人員在現(xiàn)場(chǎng)，并做好應(yīng)急逃生措施。安排專(zhuān)職人員在上庫(kù)閘門(mén)、尾水閘門(mén)處等試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵點(diǎn)值守，確保通信暢通，若遇到球閥、導(dǎo)葉關(guān)閉失靈等特殊情況時(shí)能及時(shí)關(guān)閉上庫(kù)、尾水閘門(mén)。

e.試驗(yàn)過(guò)程中，運(yùn)行人員利用工業(yè)電視監(jiān)視機(jī)組和引水流道的關(guān)鍵部位，若發(fā)現(xiàn)水車(chē)室竄水、金屬碰撞及摩擦、軸承瓦溫突然升高、油槽甩油、振擺過(guò)大等異常現(xiàn)象應(yīng)立即停機(jī)檢查，待查清原因且排除故障后方可重新進(jìn)行試驗(yàn)。

2.3 試驗(yàn)方法

球閥動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)在水輪機(jī)工況空載、50%額定負(fù)荷(nr)和100%額定負(fù)荷3種工況下依次進(jìn)行，每次試驗(yàn)前檢查確認(rèn)球閥油壓裝置油壓正常。

a.第一階段：靜水模擬試驗(yàn)

在靜水下進(jìn)行導(dǎo)葉保持開(kāi)啟情況下關(guān)球閥模擬試驗(yàn)，在球閥關(guān)閉且導(dǎo)葉手動(dòng)打開(kāi)至30%左右的條件下完成事故跳機(jī)模擬試驗(yàn)，確保導(dǎo)葉不關(guān)閉，機(jī)組機(jī)械跳機(jī)功能正常；短接球閥控制柜上導(dǎo)葉全關(guān)信號(hào)，確保能手動(dòng)關(guān)閉球閥或事故跳機(jī)關(guān)閉球閥。

b.第二階段：空載工況動(dòng)水關(guān)球閥

試驗(yàn)機(jī)組在空載工況下穩(wěn)定運(yùn)行15 min，檢查機(jī)組各部運(yùn)行正常后進(jìn)行試驗(yàn)，機(jī)械制動(dòng)切手動(dòng)控制并置于退出位置，將調(diào)速器切到現(xiàn)地手動(dòng)控制，保持導(dǎo)葉開(kāi)度不變，在球閥控制柜上短接導(dǎo)葉全關(guān)信號(hào)并將球閥控制方式切至現(xiàn)地，現(xiàn)地手動(dòng)關(guān)閉球閥，檢查機(jī)組是否在導(dǎo)葉不動(dòng)的條件下正常停機(jī)。

c.第三階段：帶負(fù)荷工況動(dòng)水關(guān)球閥

試驗(yàn)機(jī)組在預(yù)定負(fù)荷工況下穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間，檢查機(jī)組各部分運(yùn)行正常且經(jīng)電網(wǎng)調(diào)度批準(zhǔn)后進(jìn)行試驗(yàn)，機(jī)械制動(dòng)切手動(dòng)控制并置于退出位置，將調(diào)速器切到現(xiàn)地手動(dòng)控制，保持導(dǎo)葉開(kāi)度不變，在球閥控制柜上短接導(dǎo)葉全關(guān)信號(hào)并將球閥控制方式切至現(xiàn)地，現(xiàn)地手動(dòng)關(guān)閉球閥，當(dāng)機(jī)組有功功率小于10 MW時(shí)，手動(dòng)按下機(jī)械事故跳機(jī)按鈕，檢查導(dǎo)葉是否關(guān)閉(如果機(jī)械跳機(jī)按鈕按下后導(dǎo)葉仍然未關(guān)閉，則立刻手動(dòng)啟動(dòng)緊急事故(或電氣事故)停機(jī)按鈕通過(guò)事故配壓閥使導(dǎo)葉關(guān)閉)，檢查機(jī)組停機(jī)流程是否正常。每個(gè)負(fù)荷工況試驗(yàn)完成后，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并對(duì)機(jī)組進(jìn)行全面檢查，在確認(rèn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及機(jī)組各部無(wú)異常后才進(jìn)行下一負(fù)荷工況試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)機(jī)組在空載工況、50%nr工況、100%nr工況下球閥動(dòng)水關(guān)閉過(guò)程中監(jiān)控流程執(zhí)行正確，在導(dǎo)葉鎖死的前提下，球閥可自動(dòng)完成關(guān)閉動(dòng)作，全關(guān)后活門(mén)與閥體間密封嚴(yán)密無(wú)泄漏，設(shè)備無(wú)滲油、滲水現(xiàn)象，機(jī)組運(yùn)行無(wú)異常，證明該球閥有很好的動(dòng)水關(guān)閉性能。動(dòng)水關(guān)球閥試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2—表5。

表2 動(dòng)水關(guān)球閥試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 動(dòng)水關(guān)球閥過(guò)程中部分水流測(cè)點(diǎn)壓力極值分析 kPa

表4 動(dòng)水關(guān)球閥過(guò)程中機(jī)組振動(dòng)、擺度極值分析 μm

表5 動(dòng)水關(guān)球閥過(guò)程中機(jī)組各部水流壓力脈動(dòng)最大值 kPa

機(jī)組在各試驗(yàn)工況動(dòng)水關(guān)球閥過(guò)渡過(guò)程中，較大的水流力矩使各測(cè)點(diǎn)水流壓力出現(xiàn)大波動(dòng)，機(jī)架及頂蓋振動(dòng)、導(dǎo)軸承擺度等機(jī)組穩(wěn)定性指標(biāo)瞬間加劇，球閥相對(duì)位移、基礎(chǔ)振動(dòng)及流道各測(cè)點(diǎn)壓力的變化趨勢(shì)大致相同，相關(guān)各參數(shù)指標(biāo)隨著工況負(fù)荷的變大有不同程度的增加[14-15]。額定負(fù)荷工況下球閥動(dòng)水關(guān)閉對(duì)引水流道各測(cè)點(diǎn)水流壓力變化、球閥本體振動(dòng)、水平位移及機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的影響是最嚴(yán)重的。本文對(duì)額定負(fù)荷工況下動(dòng)水關(guān)球閥動(dòng)態(tài)過(guò)程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，相關(guān)指標(biāo)參數(shù)變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2。

由以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，空載工況、50%nr工況、100%nr工況下動(dòng)水關(guān)球閥時(shí)球閥最大、最小關(guān)閉時(shí)間分別為49.15 s、48.73 s，球閥動(dòng)水關(guān)閉時(shí)水平位移最大值為1833 μm，均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；在大波動(dòng)過(guò)程中機(jī)組最轉(zhuǎn)速上升變化不明顯(最大轉(zhuǎn)速為302.54 r/min)，蝸殼進(jìn)口、蝸殼末端、球閥上/下游側(cè)、尾水進(jìn)/出口水流壓力最大值為3498.32 kPa，尾水進(jìn)口水流壓力最小值為570.36 kPa，均滿(mǎn)足調(diào)節(jié)保證計(jì)算的要求；尾水管壓力脈動(dòng)和其他測(cè)點(diǎn)壓力脈動(dòng)均滿(mǎn)足相關(guān)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

在空載工況、50%nr工況、100%nr工況下對(duì)某抽水蓄能機(jī)組進(jìn)行了球閥動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)，該球閥可以在導(dǎo)葉不關(guān)閉的情況下可靠動(dòng)水截?cái)嗳繖C(jī)組過(guò)水流量。球閥關(guān)閉時(shí)間、閥體水平位移均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，球閥動(dòng)水關(guān)閉過(guò)程中的機(jī)組最大轉(zhuǎn)速、相關(guān)測(cè)點(diǎn)的水流壓力及水流壓力脈動(dòng)均滿(mǎn)足調(diào)保計(jì)算要求，說(shuō)明該球閥具有較好的動(dòng)水關(guān)閉能力。