馮雁敏，于 粟

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

球閥正常工作狀態(tài)應(yīng)處于全開或全關(guān)位置，一般情況下不參與水電機(jī)組過水流量調(diào)節(jié)[1-2]。為防止機(jī)組停機(jī)過程中調(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)下動水關(guān)球閥本身是一種破壞性試驗，既是對球閥本體(包括球閥、伸縮節(jié)、混凝土球閥支墩等)性能的考驗，也是對機(jī)組相關(guān)設(shè)備及過流引水系統(tǒng)承載能力的考驗。盡管球閥在實際生產(chǎn)運(yùn)行中動水關(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)水閥門應(yīng)能動水關(guān)閉且不產(chǎn)生有害振動”。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)通和截斷水流的設(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)組動水關(guān)閉球閥試驗[7-13]。本文介紹了某250 MW抽水蓄能機(jī)組動水關(guān)閉球閥試驗方法及關(guān)鍵性的安全、技術(shù)措施，并對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為后續(xù)新建蓄能機(jī)組動水關(guān)閉球閥試驗提供參考。

1 試驗設(shè)備概況

1.1 機(jī)組參數(shù)

試驗機(jī)組單機(jī)容量為250 MW，水輪機(jī)型號為HLNA1094-LJ-474，發(fā)電機(jī)型號為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)、水泵工況啟動及其下游設(shè)備檢修時截斷水流的擋水設(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，即球閥開啟閉鎖工作、檢修密封投入。工作密封投入閉鎖球閥開啟，設(shè)置以下信號裝置：活門開啟和關(guān)閉位置、工作密封位置、鎖錠投入和撥出信號、旁通閥開關(guān)信號、活門上、下游壓差信號、油壓系統(tǒng)油壓/油位過高、過低和事故低油壓信號。球閥系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)見表1。

1.3 設(shè)備功能及性能保證

球閥在開啟或關(guān)閉的過程中，各部件應(yīng)動作靈活、功能可靠，位置準(zhǔn)確，無任何卡阻，可以在最惡劣的運(yùn)行工況條件(極端水頭/揚(yáng)程、最大流量且導(dǎo)葉全開)下可靠地動水關(guān)閉以切斷全部過機(jī)流量，且球閥各部件不產(chǎn)生強(qiáng)烈振動或有害變形損壞，其關(guān)閉時間不超過機(jī)組在最大飛逸轉(zhuǎn)速下持續(xù)運(yùn)行的允許時間。球閥與尾水事故閘門間設(shè)置硬閉鎖功能(球閥和尾水事故閘門采用2套閉鎖邏輯，即監(jiān)控系統(tǒng)電氣閉鎖及硬布線電氣閉鎖。當(dāng)尾水事故閘門關(guān)閉情況下球閥不得開啟，當(dāng)球閥開啟情況下尾水事故閘門不得關(guān)閉)，當(dāng)球閥本體發(fā)生事故關(guān)閉時，應(yīng)聯(lián)動事故跳機(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)組在各種過渡過程中最大轉(zhuǎn)速應(yīng)小于435 r/min，蝸殼進(jìn)口中心線處最大壓力應(yīng)小于4650 kPa，尾水管進(jìn)口最小壓力應(yīng)大于100 kPa，球閥動水關(guān)閉時水平位移不得大于4510 μm，尾水管壓力脈動和其他測點壓力脈動在各過渡過程中的雙振幅值(ΔH/H%)應(yīng)分別小于20%和30%。

2 球閥動水關(guān)閉試驗

通過動水關(guān)閉球閥試驗，驗證在導(dǎo)葉不關(guān)閉的情況下球閥能否可靠動水截斷全部機(jī)組過水流量；通過對球閥(包括伸縮節(jié)、混凝土支墩)振動及相對位移、過流管道相關(guān)測點水流壓力(含壓力脈動)、機(jī)組穩(wěn)定性(包括機(jī)組轉(zhuǎn)速、機(jī)架振動及導(dǎo)軸承擺度)等測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合試驗后現(xiàn)場檢查判斷球閥及機(jī)組應(yīng)不產(chǎn)生任何結(jié)構(gòu)損傷或有害變形振動，評定球閥動水關(guān)閉的安全性[2～8]。

2.1 測點布置

試驗機(jī)組測點布置見圖1。

由圖1可知，本次試驗球閥系統(tǒng)測試參數(shù)包括：①球閥振動(包括球閥本體及球閥基礎(chǔ)的水平、垂直方向振動)；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球閥接力器開關(guān)腔壓力。機(jī)組測試參數(shù)包括：①由電渦流位移傳感器對準(zhǔn)粘貼在大軸上的鍵相塊測得機(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得導(dǎo)葉開度；④由速度型位移振動傳感器測得上/下機(jī)架及頂蓋振動；⑤由電渦流位移傳感器測得導(dǎo)軸承擺度；⑥由壓力傳感器測得蝸殼進(jìn)口(末端)、尾水進(jìn)口(出口)及導(dǎo)葉前(后)等測點處水流壓力；⑦由絕對壓力傳感器測得蝸殼進(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。

2.2 試驗前準(zhǔn)備工作

作為一種高風(fēng)險性破壞試驗，球閥動水關(guān)閉時對球閥、機(jī)組本身和水工建筑的損傷都非常大，試驗前應(yīng)做好充分的準(zhǔn)備工作。

a.試驗前進(jìn)行球閥單獨靜水啟閉試驗，其動作時間須滿足設(shè)計要求；確保機(jī)組緊急事故停機(jī)時控制回路動作正常；對機(jī)組進(jìn)行聯(lián)合檢查確認(rèn)機(jī)組各部位螺栓、銷釘已緊固鎖死，利用液壓拉伸器對重要部位連接螺栓進(jìn)行抽檢測試其強(qiáng)度與拉伸量是否滿足設(shè)計要求。動水關(guān)球閥試驗過程中可能存在機(jī)組過速引起發(fā)電電動機(jī)掃膛、反水錘引起抬機(jī)、反水錘壓力引起過水管路破裂導(dǎo)致水淹廠房、火災(zāi)、軸承燒瓦、全廠失電等危險源，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實際情況提前做好具有可實施性的應(yīng)急預(yù)案，明確逃生路線，確保聲光報警、上/下庫閘門、球閥及機(jī)組停機(jī)流程動作正確。

b.該試驗在機(jī)組竣工投產(chǎn)后進(jìn)行，確保試驗機(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水關(guān)閉試驗的異常跳機(jī)信號(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。為防止動水關(guān)球閥過程中反水錘引起機(jī)組反轉(zhuǎn)，機(jī)械制動誤投，機(jī)械制動在試驗前設(shè)為手動控制并保持在退出狀態(tài)。

c.為防止測壓管路過長削弱水流壓力脈動幅值同時為避免試驗時測壓管路振動導(dǎo)致水流壓力脈動/壓力測值偏大，應(yīng)盡量在現(xiàn)地就近測點位置布置傳感器，否則應(yīng)對測壓引出管路進(jìn)行加固。試驗用的測試設(shè)備和儀器儀表均應(yīng)經(jīng)過嚴(yán)格檢定、率定。機(jī)組啟動前對相關(guān)測壓管路進(jìn)行排氣檢查，機(jī)組啟動后在動水關(guān)球閥之前應(yīng)檢查所有試驗測點數(shù)據(jù)信號正確，確保試驗數(shù)據(jù)真實有效。

d.試驗場地實施警戒，嚴(yán)禁無關(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。動水關(guān)閉球閥試驗前，應(yīng)確保機(jī)組和水工建筑各部分運(yùn)行正常，僅留試驗指揮和操作人員在現(xiàn)場，并做好應(yīng)急逃生措施。安排專職人員在上庫閘門、尾水閘門處等試驗現(xiàn)場關(guān)鍵點值守，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能及時關(guān)閉上庫、尾水閘門。

e.試驗過程中，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、振擺過大等異?，F(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。

2.3 試驗方法

球閥動水關(guān)閉試驗在水輪機(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

在靜水下進(jìn)行導(dǎo)葉保持開啟情況下關(guān)球閥模擬試驗，在球閥關(guān)閉且導(dǎo)葉手動打開至30%左右的條件下完成事故跳機(jī)模擬試驗，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，確保能手動關(guān)閉球閥或事故跳機(jī)關(guān)閉球閥。

b.第二階段：空載工況動水關(guān)球閥

試驗機(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，機(jī)械制動切手動控制并置于退出位置，將調(diào)速器切到現(xiàn)地手動控制，保持導(dǎo)葉開度不變，在球閥控制柜上短接導(dǎo)葉全關(guān)信號并將球閥控制方式切至現(xiàn)地，現(xiàn)地手動關(guān)閉球閥，檢查機(jī)組是否在導(dǎo)葉不動的條件下正常停機(jī)。

c.第三階段：帶負(fù)荷工況動水關(guān)球閥

試驗機(jī)組在預(yù)定負(fù)荷工況下穩(wěn)定運(yùn)行一段時間，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，機(jī)械制動切手動控制并置于退出位置，將調(diào)速器切到現(xiàn)地手動控制，保持導(dǎo)葉開度不變，在球閥控制柜上短接導(dǎo)葉全關(guān)信號并將球閥控制方式切至現(xiàn)地，現(xiàn)地手動關(guān)閉球閥，當(dāng)機(jī)組有功功率小于10 MW時，手動按下機(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，則立刻手動啟動緊急事故(或電氣事故)停機(jī)按鈕通過事故配壓閥使導(dǎo)葉關(guān)閉)，檢查機(jī)組停機(jī)流程是否正常。每個負(fù)荷工況試驗完成后，對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并對機(jī)組進(jìn)行全面檢查，在確認(rèn)試驗數(shù)據(jù)及機(jī)組各部無異常后才進(jìn)行下一負(fù)荷工況試驗。

3 試驗數(shù)據(jù)分析

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

表2 動水關(guān)球閥試驗數(shù)據(jù)

表3 動水關(guān)球閥過程中部分水流測點壓力極值分析 kPa

表4 動水關(guān)球閥過程中機(jī)組振動、擺度極值分析 μm

表5 動水關(guān)球閥過程中機(jī)組各部水流壓力脈動最大值 kPa

機(jī)組在各試驗工況動水關(guān)球閥過渡過程中，較大的水流力矩使各測點水流壓力出現(xiàn)大波動，機(jī)架及頂蓋振動、導(dǎo)軸承擺度等機(jī)組穩(wěn)定性指標(biāo)瞬間加劇，球閥相對位移、基礎(chǔ)振動及流道各測點壓力的變化趨勢大致相同，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)荷工況下球閥動水關(guān)閉對引水流道各測點水流壓力變化、球閥本體振動、水平位移及機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的影響是最嚴(yán)重的。本文對額定負(fù)荷工況下動水關(guān)球閥動態(tài)過程的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，相關(guān)指標(biāo)參數(shù)變化趨勢見圖2。

由以上試驗數(shù)據(jù)可以看出，空載工況、50%nr工況、100%nr工況下動水關(guān)球閥時球閥最大、最小關(guān)閉時間分別為49.15 s、48.73 s，球閥動水關(guān)閉時水平位移最大值為1833 μm，均滿足設(shè)計要求；在大波動過程中機(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，均滿足調(diào)節(jié)保證計算的要求；尾水管壓力脈動和其他測點壓力脈動均滿足相關(guān)要求。

4 結(jié)束語

在空載工況、50%nr工況、100%nr工況下對某抽水蓄能機(jī)組進(jìn)行了球閥動水關(guān)閉試驗，該球閥可以在導(dǎo)葉不關(guān)閉的情況下可靠動水截斷全部機(jī)組過水流量。球閥關(guān)閉時間、閥體水平位移均滿足設(shè)計要求，球閥動水關(guān)閉過程中的機(jī)組最大轉(zhuǎn)速、相關(guān)測點的水流壓力及水流壓力脈動均滿足調(diào)保計算要求，說明該球閥具有較好的動水關(guān)閉能力。