林愷，蔣寅軍

(1．惠州蓄能水電廠，廣東惠州 516100;2．武漢大學(xué)，湖北武漢 430072)

進(jìn)水閥門能否在緊急情況下實(shí)現(xiàn)動(dòng)水關(guān)閉，是水輪發(fā)電機(jī)組或水泵能否正?？煽窟\(yùn)行的關(guān)鍵?！洞笾行退啓C(jī)進(jìn)水閥門基本技術(shù)條件》中規(guī)定:“機(jī)組在任何工況下，進(jìn)水閥門應(yīng)能動(dòng)水關(guān)閉”。機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，緊急狀態(tài)下關(guān)球閥既是對(duì)球閥工作情況的考驗(yàn)，也是對(duì)機(jī)組引水系統(tǒng)及相關(guān)設(shè)備(球閥、伸縮節(jié)、壓力鋼管、混凝土球閥支墩等)承載能力的考驗(yàn)。動(dòng)水關(guān)球閥瞬間，由于“水擊”的作用，上游水道的水流壓力會(huì)產(chǎn)生急劇變化，壓力鋼管動(dòng)應(yīng)力可能達(dá)到靜水壓力的幾倍甚至數(shù)10倍，球閥基礎(chǔ)板將承受球閥慣性力與接力器動(dòng)作而產(chǎn)生的豎向和水平向作用力，進(jìn)而引起支墩結(jié)構(gòu)的一系列動(dòng)力響應(yīng)，甚至有可能引起廠房結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利振動(dòng)。由于抽水蓄能電站運(yùn)行的特殊性以及“水擊”作用的隨機(jī)性，“水擊”作用下球閥、伸縮節(jié)、壓力鋼管、球閥支墩等結(jié)構(gòu)的抗振設(shè)計(jì)沒(méi)有現(xiàn)行規(guī)范，一般都根據(jù)經(jīng)驗(yàn)通過(guò)提高安全系數(shù)的方式進(jìn)行處理，既不經(jīng)濟(jì)也不科學(xué)。因此有必要在動(dòng)水關(guān)閉球閥的過(guò)程中，測(cè)量上述各類構(gòu)件的動(dòng)力特性 (頻率等)和動(dòng)力響應(yīng) (加速度、動(dòng)位移、動(dòng)應(yīng)力等)，以此評(píng)估它們的抗振性能和安全性，可以為電站的安全運(yùn)行提供管理依據(jù)。

本次試驗(yàn)對(duì)象為惠州抽水蓄能電站B廠5號(hào)機(jī)組球閥。電站水輪機(jī)工況設(shè)計(jì)最大水頭553.67 m，額定出力306.12 MW;水泵工況最大揚(yáng)程 566.12 m，最大入力 330 MW，額定轉(zhuǎn)速500 r/min，其引水支管采用600 MPa高強(qiáng)鋼板內(nèi)襯。球閥支墩二期澆筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C25。

1 試驗(yàn)情況

1.1 測(cè)點(diǎn)布置

圖1，2表明，試驗(yàn)布置在球閥和球閥支墩上應(yīng)變測(cè)點(diǎn)18個(gè)，加速度測(cè)點(diǎn)5個(gè)，位移測(cè)點(diǎn)13個(gè)，其中球閥支墩應(yīng)變測(cè)點(diǎn)1布置在二期混凝土底部，測(cè)點(diǎn)2，3布置在支墩一、二期混凝土施工縫上下側(cè)。

圖1 球閥測(cè)點(diǎn)示意圖

圖2 球閥支墩測(cè)點(diǎn)示意圖

1.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)時(shí)球閥處于全開位置，水輪機(jī)導(dǎo)葉開度保持不變，發(fā)電工況并帶指定負(fù)荷 (空載、50%負(fù)荷、100%負(fù)荷)時(shí)操作球閥關(guān)閉按鈕，實(shí)現(xiàn)動(dòng)水關(guān)閉球閥。當(dāng)球閥開度指示燈確認(rèn)球閥已全關(guān)時(shí)，立即將導(dǎo)葉關(guān)閉使機(jī)組進(jìn)入調(diào)相運(yùn)行或停機(jī)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 動(dòng)應(yīng)力

圖3為典型動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線。

各種工況下引水管道各構(gòu)件與球閥混凝土支墩的動(dòng)應(yīng)力最大值如表1和表2所示。

動(dòng)應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果表明:

圖3 100%負(fù)荷關(guān)球閥工況典型動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線

表1 上下游鋼管、球閥動(dòng)應(yīng)力最大值 MPa

表2 球閥支墩動(dòng)應(yīng)力最大值 MPa

(1)鋼管動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線反映了鋼管動(dòng)應(yīng)力隨球閥關(guān)閉過(guò)程的變化情況。球閥關(guān)閉時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)明顯的沖擊波如圖3，表明在關(guān)球閥的過(guò)程中，壓力鋼管受到水擊作用，球閥全部關(guān)閉后，動(dòng)應(yīng)力迅速減小。各工況各測(cè)點(diǎn)時(shí)程曲線上沖擊波持續(xù)時(shí)間約35～60s，而球閥動(dòng)水關(guān)閉所經(jīng)歷時(shí)間約30s，表明球閥關(guān)閉之后，水擊作用還會(huì)持續(xù)一定時(shí)間。各測(cè)點(diǎn)環(huán)向動(dòng)應(yīng)力與軸向動(dòng)應(yīng)力相位差180°，表明水擊作用使鋼管變形呈現(xiàn)一張一弛的特點(diǎn)。

(2)負(fù)荷越大時(shí)動(dòng)水關(guān)球閥，對(duì)應(yīng)壓力鋼管的動(dòng)應(yīng)力越大，100%負(fù)荷關(guān)球閥工況是最不利工況 (動(dòng)位移與加速度試驗(yàn)結(jié)果有相同結(jié)論)。如表1該工況下，鋼管的環(huán)向動(dòng)應(yīng)力最大值為46.51 MPa;軸向動(dòng)應(yīng)力最大值為27.66 MPa。疊加根據(jù)水道充水試驗(yàn)結(jié)果推算出設(shè)計(jì)水位 (▽762.00 m)下壓力管道的軸向靜應(yīng)力63.68 MPa、環(huán)向靜應(yīng)力143.42 MPa，得到壓力鋼管承受的實(shí)際最大軸向應(yīng)力91.34 MPa，最大環(huán)向應(yīng)力189.93 MPa，均小于鋼管材料的允許應(yīng)力 (610 MPa)，滿足強(qiáng)度要求。

(3)球閥上、下游壓力鋼管的動(dòng)應(yīng)力分布規(guī)律完全不同。如100%負(fù)荷關(guān)球閥工況，球閥上游壓力鋼管軸向動(dòng)應(yīng)力約為其環(huán)向動(dòng)應(yīng)力的1倍;而球閥下游端壓力鋼管則是環(huán)向動(dòng)應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于軸向動(dòng)應(yīng)力。根據(jù)管道管壁環(huán)向應(yīng)力還可得到管壁承受的沖擊壓力 (表3)，表明球閥下游端壓力鋼管承受的環(huán)向水擊壓力遠(yuǎn)大于球閥上游端壓力鋼管。

表3 100%負(fù)荷關(guān)球閥時(shí)水擊對(duì)管壁的壓力MPa

(4)伸縮節(jié)后的軸向動(dòng)應(yīng)力比伸縮節(jié)前的軸向動(dòng)應(yīng)力大，而二者環(huán)向動(dòng)應(yīng)力接近。表明伸縮節(jié)可以顯著調(diào)節(jié)伸縮節(jié)前后壓力鋼管軸向動(dòng)應(yīng)力，而對(duì)改變鋼管的環(huán)向動(dòng)應(yīng)力作用不顯著。

(5)球閥本體動(dòng)應(yīng)力水平很低，而且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其它部位。表明其設(shè)計(jì)滿足安全性要求，日常運(yùn)行維護(hù)應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)關(guān)注球閥運(yùn)行的靈活性與可靠性。

(6)球閥混凝土支墩最大動(dòng)應(yīng)力也發(fā)生在100%負(fù)荷關(guān)球閥工況。將水道充水試驗(yàn)獲得的混凝土支墩對(duì)應(yīng)部位最大靜應(yīng)力與實(shí)測(cè)動(dòng)應(yīng)力結(jié)果疊加，得到球閥混凝土支墩底部承受的最大拉應(yīng)力值為0.925 MPa、分縫處最大拉應(yīng)力為0.597 MPa，上述應(yīng)力值小于支墩混凝土軸心抗拉強(qiáng)度 (1.27 MPa)。也小于取最不利疲勞強(qiáng)度修正系數(shù)γp=0.74時(shí)對(duì)應(yīng)的軸心抗拉疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fft=0.74×1.27=0.940 MPa。混凝土支墩滿足強(qiáng)度要求。

(7)位于球閥混凝土支墩施工縫的兩側(cè)的測(cè)點(diǎn)2，3動(dòng)應(yīng)力量值非常接近，表明動(dòng)應(yīng)力對(duì)施工縫影響不大。利用推算的水擊沖擊力對(duì)球閥支墩產(chǎn)生的推力，推算得到100%負(fù)荷關(guān)球閥時(shí)施工縫所承受的水平剪應(yīng)力約為0.052 MPa，表明動(dòng)水關(guān)球閥時(shí)產(chǎn)生的水平推力，對(duì)施工縫剪切作用也很小。

(8)動(dòng)水關(guān)球閥過(guò)程屬于瞬態(tài)的過(guò)渡過(guò)程，而機(jī)組正常運(yùn)行是穩(wěn)態(tài)過(guò)程，50%負(fù)荷和100%負(fù)荷2種穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下的動(dòng)應(yīng)力值測(cè)試結(jié)果表明，機(jī)組穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力變化很小，環(huán)向和軸向動(dòng)應(yīng)力也比較接近，壓力鋼管承受的最大環(huán)向動(dòng)應(yīng)力為1.71 MPa，最大軸向動(dòng)應(yīng)力為1.32 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于瞬態(tài)過(guò)程的動(dòng)應(yīng)力。表明機(jī)組在正常運(yùn)行工況下，引水管道的應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 動(dòng)位移

機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中，動(dòng)位移是評(píng)價(jià)引水系統(tǒng)各構(gòu)件抗振性能重要指標(biāo)。不同運(yùn)行工況下各測(cè)點(diǎn)的動(dòng)位移最大值如表4所示。

表4 機(jī)組引水系統(tǒng)各構(gòu)件動(dòng)位移最大值 mm

動(dòng)位移實(shí)測(cè)結(jié)果表明:

(1)建筑物設(shè)備和基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)動(dòng)位移允許值為〔u〕=0.406 mm。試驗(yàn)測(cè)得機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，壓力鋼管最大水平向動(dòng)位移0.128 mm;最大軸向動(dòng)位移0.098 mm;最大垂直動(dòng)位移0.084 mm，球閥和混凝土支墩的動(dòng)位移小于0.016 mm，均在允許范圍內(nèi)。而在瞬態(tài)過(guò)渡過(guò)程中，壓力鋼管動(dòng)位移均大于允許值。球閥混凝土支墩除在100%負(fù)荷關(guān)球閥工況下垂直動(dòng)位移 (0.728 mm)大于允許值，其它工況動(dòng)位移均小于允許值。

(2)球閥上游壓力鋼管的軸向動(dòng)位移遠(yuǎn)大于垂直和水平方向動(dòng)位移，球閥與伸縮節(jié)之間壓力鋼管軸向和水平向動(dòng)位移遠(yuǎn)大于垂直方向動(dòng)位移，經(jīng)過(guò)伸縮節(jié)后壓力鋼管3個(gè)方向的動(dòng)位移接近，表明伸縮節(jié)對(duì)關(guān)球閥產(chǎn)生的水擊作用有明顯的緩沖作用。

(3)各構(gòu)件垂直方向的動(dòng)位移一般要明顯小于其它2個(gè)方向上的動(dòng)位移。說(shuō)明水擊作用對(duì)垂直方向的作用較小，這與引水系統(tǒng)垂直方向的約束較強(qiáng)有關(guān)。水平方向動(dòng)位移較大可能對(duì)伸縮節(jié)的長(zhǎng)期安全運(yùn)行不利。

(4)球閥前壓力鋼管的軸向與水平向動(dòng)位移(特別是水平向動(dòng)位移)小于球閥后壓力鋼管的相應(yīng)動(dòng)位移，表明球閥上游水擊作用被緩沖，而球閥后的壓力鋼管情況則不同。

(5)設(shè)計(jì)要求球閥基礎(chǔ)與混凝土支墩之間應(yīng)該允許相對(duì)滑動(dòng)，以此消除可能通過(guò)球閥傳遞到混凝土支墩上的巨大推力以及機(jī)組運(yùn)行對(duì)支墩產(chǎn)生的交變荷載的影響。50%負(fù)荷與100%負(fù)荷關(guān)球閥工況下，球閥與混凝土支墩的相對(duì)位移分別為0.4 mm與0.9 mm，表明球閥與混凝土之間存在明顯的相對(duì)滑移。而且混凝土支墩垂直方向動(dòng)位移大于水平方向的動(dòng)位移，表明球閥與混凝土支墩之間的滑移減弱了水擊對(duì)混凝土支墩的水平?jīng)_擊作用，混凝土支墩垂直振動(dòng)主要是由于引水系統(tǒng)的垂直振動(dòng)引起的。

2.3 加速度

各工況各加速度測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)結(jié)果如表5所示。

表5 上下游鋼管、球閥加速度最大值g

加速度實(shí)測(cè)結(jié)果表明:

(1)負(fù)荷越大時(shí)關(guān)球閥，結(jié)構(gòu)的加速度響應(yīng)越大。關(guān)球閥時(shí)引水系統(tǒng)最大加速度為1.675 g，出現(xiàn)在100%負(fù)荷工況，球閥前端引水鋼管。而且球閥前端引水鋼管的加速度值在任何工況下都是最大，伸縮節(jié)后端的加速度明顯小于其前端的加速度值，表明關(guān)球閥瞬間，進(jìn)水口壓力鋼管首先受到?jīng)_擊，通過(guò)球閥和伸縮節(jié)的作用，慣性作用逐漸減小，伸縮節(jié)具有明顯的緩沖作用。

(2)在動(dòng)水關(guān)球閥各種工況，球閥兩端加速度值比較接近，說(shuō)明球閥整體基本上是剛體振動(dòng)?？梢愿鶕?jù)加速度實(shí)測(cè)結(jié)果近似推算球閥承受的慣性力。如100%負(fù)荷關(guān)球閥時(shí)，取球閥體質(zhì)量m=64 000 kg，加速度a=12.2 m/s2(球閥體上下游端加速度平均值)，可得F=ma=781 kN(其中189 kN傳遞到混凝土支墩)。

3 結(jié)論與建議

(1)負(fù)荷越大時(shí)動(dòng)水關(guān)球閥，對(duì)應(yīng)壓力鋼管的動(dòng)力響應(yīng)越大，100%負(fù)荷關(guān)球閥工況是最不利工況。

(2)動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)位移、加速度的試驗(yàn)結(jié)果表明，伸縮節(jié)前后的動(dòng)力響應(yīng)明顯不同，說(shuō)明伸縮節(jié)系統(tǒng)對(duì)動(dòng)力響應(yīng)有一定調(diào)節(jié)作用。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，伸縮節(jié)系統(tǒng)對(duì)蝸殼與機(jī)組起到了較好的保護(hù)作用。

(3)試驗(yàn)結(jié)果表明，由于引水系統(tǒng)水平方向約束較弱，管道系統(tǒng)水平方向動(dòng)位移較大，對(duì)伸縮節(jié)和球閥啟閉操作系統(tǒng)安全運(yùn)行不利，在后期運(yùn)行過(guò)程中管理單位應(yīng)注意加強(qiáng)監(jiān)測(cè)和觀察。

(4)球閥與混凝土支墩之間的相對(duì)移動(dòng)是保護(hù)混凝土支墩的措施之一，在后期的運(yùn)行過(guò)程中，管理單位應(yīng)該長(zhǎng)期保持球閥滑板的潤(rùn)滑，避免球閥與混凝土支墩間摩擦過(guò)大，致使支墩混凝土產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。

(5)甩負(fù)荷工況是電站運(yùn)行不利工況，建議在有條件的情況下，進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，并結(jié)合有限元計(jì)算分析評(píng)價(jià)甩負(fù)荷工況對(duì)電站運(yùn)行的影響。

〔1〕GB/T 14478－1993大中型水輪機(jī)進(jìn)水閥門基本技術(shù)條件〔S〕．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1994．

〔2〕GB/T 18482－2001可逆式抽水蓄能機(jī)組起動(dòng)試驗(yàn)規(guī)程〔S〕．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002．

〔3〕DL/T 709－1999壓力鋼管安全檢測(cè)技術(shù)規(guī)程〔S〕．北京:中國(guó)電力出版社，2000．

〔4〕GB/T 50344－2004建筑結(jié)構(gòu)檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)〔S〕．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004．

〔5〕GB 50152－1992混凝土結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)〔S〕．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1992．

〔6〕GB 50010－2002混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范〔S〕．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002．

〔7〕JGJ/T 8－1997建筑變形測(cè)量規(guī)程〔S〕．北京:清華大學(xué)，1997．

〔8〕中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)建筑振動(dòng)專委會(huì)，建筑振動(dòng)工程手冊(cè)〔M〕．北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2002．