盧 彬，胡立昂，錢 力，郭旭東，李永紅

（河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050300）

1 前言

總結(jié)已發(fā)生的案例，輸水管道水力自激振發(fā)生的大概率條件為：①采用球閥的抽蓄機(jī)組；②因各種缺陷，導(dǎo)致球閥工作密封投入不嚴(yán)，投、退腔有串壓；③該臺(tái)機(jī)組在停機(jī)球閥關(guān)閉狀態(tài)，同水道其他機(jī)組在工況轉(zhuǎn)換期間發(fā)生的。發(fā)生自激振的現(xiàn)象時(shí)球閥現(xiàn)場(chǎng)有異常聲音，球閥本體及管路有明顯晃動(dòng)。破壞自激振措施的簡(jiǎn)單有效，關(guān)鍵是及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)處置，一般可采取打開(kāi)球閥旁通閥（確保管路及閥門安全的前提下，壓力波動(dòng)初期較小值時(shí)較安全）、投入檢修密封等，其他如開(kāi)機(jī)、開(kāi)球閥、再投退工作密封可能存在預(yù)條件不滿足無(wú)法有效執(zhí)行的情況。球閥工作密封損壞是必然的，同一水道的機(jī)組以上運(yùn)行方式也是必然的，關(guān)鍵是及時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)自動(dòng)采取應(yīng)對(duì)措施。

2 概述

張河灣公司充分利用現(xiàn)有的球閥壓差控制箱，將閥前/閥后壓力、工作/檢修密封投入腔壓力、球閥X/Y方向位移集成在球閥壓差控制系統(tǒng)內(nèi)，在此控制系統(tǒng)內(nèi)，不僅可以實(shí)時(shí)調(diào)取壓差控制系統(tǒng)原有上下游壓力值及壓差值，而且可以實(shí)時(shí)調(diào)取球閥工作/檢修密封投入腔壓力、球閥X/Y方向位移等數(shù)值和歷史曲線，方便維護(hù)人員監(jiān)控球閥狀態(tài)。球閥壓差控制系統(tǒng)將球閥壓力、位移信號(hào)上送至監(jiān)控，方便運(yùn)行人員監(jiān)測(cè)球閥狀態(tài)，遵循“提前預(yù)控、盡早判斷、快速處置”的原則，及時(shí)發(fā)現(xiàn)球閥自激振現(xiàn)象，縮短球閥自激振的事故處理時(shí)間，避免事故擴(kuò)大。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

3.1 張河灣公司主進(jìn)水閥設(shè)備情況介紹

張河灣電站主進(jìn)水閥采用雙接力器油壓操作式球閥結(jié)構(gòu)，主要由閥體、閥芯、旁通管、旁通閥、伸縮節(jié)、接力器、油壓裝置組成。球閥設(shè)有上游側(cè)檢修密封、下游側(cè)工作密封等兩道密封；兩道密封的投入水源均取自球閥上游側(cè)壓力管道，取水管路均設(shè)置有取水過(guò)濾器。工作密封投入腔的供排水由工作密封三通閥操作，三通閥在供水方向，壓力水進(jìn)入投入腔，工作密封投入；三通閥在排水方向，投入腔壓力水卸掉，工作密封在上游水壓（也可以理解為閥芯內(nèi)壓力水）作用下自動(dòng)退出（見(jiàn)圖1）；機(jī)組正常啟停時(shí)，球閥油壓系統(tǒng)控制工作密封三通閥來(lái)操作工作密封進(jìn)行投退，球閥檢修密封是手動(dòng)操作，一般在機(jī)組檢修時(shí)投入起隔離作用。

圖1 工作密封投退示意圖

3.2 壓力監(jiān)測(cè)

根據(jù)對(duì)球閥自激振現(xiàn)象的分析，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)球閥有形成自激振的趨勢(shì)，對(duì)球閥工作密封投退腔壓力及球閥上游側(cè)壓力管道壓力進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。

（1）張河灣球閥壓差控制系統(tǒng)工作原理為：將球閥閥前閥后壓力引入控制系統(tǒng)做差運(yùn)算后，與設(shè)定值做比較后輸出開(kāi)關(guān)量至監(jiān)控系統(tǒng)，閥前閥后均裝設(shè)有壓力傳感器，并有機(jī)械式壓力表用來(lái)現(xiàn)地判斷工作密封和檢修密封的投入腔壓力，球閥閥前和閥后壓力只需要從球閥壓差控制箱將閥前閥后壓力值（4～20 mA模擬量）上送至監(jiān)控即可。

（2）將球閥工作密封、檢修密封投入腔機(jī)械式壓力表替換為4～20 mA模擬量壓力傳感器。將傳感器輸出量引入監(jiān)控，設(shè)置壓力高報(bào)警值為4 MPa，添加報(bào)警出口條件：球閥在全關(guān)位置，防止出現(xiàn)開(kāi)停機(jī)球閥工作密封投退及球閥開(kāi)關(guān)時(shí)水力沖擊誤報(bào)警，傳感器本身帶數(shù)顯，可在現(xiàn)地傳感器顯示字幕處讀取壓力值。

（3）退出腔壓力值檢測(cè)并不適用于張河灣電站，根據(jù)圖2可見(jiàn)，張河灣電站球閥工作密封退出腔正常情況下就是球閥閥芯水壓，在密封環(huán)投入時(shí)，退出腔也是存在水壓的，其本質(zhì)上也是上游壓力水，即閥前壓力水。

此項(xiàng)改造完成后，球閥閥前和閥后壓力以及工作密封和檢修密封投入腔壓力，均通過(guò)球閥壓差控制系統(tǒng)上送監(jiān)控，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各數(shù)據(jù)的功能（見(jiàn)圖 3）。

圖2 工作密封結(jié)構(gòu)圖

圖3 改造后的球閥壓差傳感器布置圖

4 位移監(jiān)測(cè)

球閥自激振的發(fā)生會(huì)伴隨著閥體的震動(dòng)，增加1套閥體位移檢測(cè)裝置，將球閥的閥體位移作為是否發(fā)生自激振的判斷條件。選用瑞士埃默爾公司生產(chǎn)的位移傳感器進(jìn)行安裝，與球閥壓差控制系統(tǒng)兼容，可充分利用現(xiàn)有球閥壓差控制系統(tǒng)的設(shè)備，僅增加一組位移傳感器及配套信號(hào)傳輸電纜、信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)隔離模塊。增設(shè)步驟如下：

將球閥位移傳感器支架焊接在球閥安裝基礎(chǔ)板上，在球閥支腿的X/Y 2個(gè)方向分別安裝2個(gè)位移傳感器，位移傳感器采用接觸式位移傳感器，上送4～20 mA模擬量至監(jiān)控，設(shè)置報(bào)警值為正負(fù)1 mm（GE復(fù)核的張河灣球閥動(dòng)水關(guān)閉最大位移量為 2.73 mm）。

圖4 位移傳感器布置示意圖

球閥位移監(jiān)控系統(tǒng)在球閥壓差控制箱觸摸屏實(shí)時(shí)顯示，球閥位移量通過(guò)RS485將信號(hào)上送至球閥壓差控制箱（見(jiàn)圖6），在控制箱觸摸屏可以實(shí)時(shí)查看球閥位移情況及歷史位移數(shù)據(jù)曲線。球閥壓差控制箱通過(guò)通信模塊將壓力、位移模擬量信號(hào)上送至監(jiān)控系統(tǒng)。見(jiàn)圖7。

圖5 位移傳感器現(xiàn)地布置圖

圖6 球閥位移控制原理簡(jiǎn)圖

圖7 球閥壓差系統(tǒng)和位移系統(tǒng)顯示主畫(huà)面

此項(xiàng)改造完成后球閥X/Y方向位移量數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)的送至監(jiān)控系統(tǒng)操作員站，值守人員可以隨時(shí)查看相關(guān)數(shù)據(jù)和歷史曲線，并且球閥壓差控制系統(tǒng)將實(shí)時(shí)的更新位移量最大值，設(shè)置報(bào)警值為±1 mm，可以有效的發(fā)現(xiàn)水力自激振發(fā)生的前期現(xiàn)象，為故障處理提供依據(jù)并贏取時(shí)間。

5 球閥自激振時(shí)的緊急處置措施

分析各類實(shí)例，進(jìn)一步分析發(fā)生球閥自激振的緊急處理措施總結(jié)如下：

（1）我廠球閥工作密封的投入依靠密封環(huán)上下游側(cè)的截面積不同形成的。當(dāng)發(fā)生水力自激振現(xiàn)象時(shí)，可以首先退出工作密封，當(dāng)工作密封投入腔無(wú)水壓時(shí)，球閥閥芯內(nèi)有水壓時(shí)，工作密封可以可靠退出。

（2）我廠球閥設(shè)有旁通閥，在發(fā)現(xiàn)初期開(kāi)啟球閥旁通閥，球閥旁通閥開(kāi)啟可以通過(guò)遠(yuǎn)方操作，我廠旁通閥為液壓閥，需要先啟動(dòng)油壓系統(tǒng)，然后發(fā)令開(kāi)啟旁通液壓閥。

（3）若旁通閥未正常開(kāi)啟或水力自激振動(dòng)壓力較大已影響到旁通閥的動(dòng)作安全時(shí)，應(yīng)禁止操作旁通閥，而投入自激源機(jī)組球閥檢修密封。

（4）在水力自激振動(dòng)初期投入球閥檢修密封或退出球閥工作密封。若不確認(rèn)哪臺(tái)機(jī)組球閥引起水力自激振動(dòng)的情況下可按逐臺(tái)投入機(jī)組球閥檢修密封。

（5）若以上方法仍無(wú)法消除自激振動(dòng)現(xiàn)象，應(yīng)開(kāi)啟球閥以消除自激振現(xiàn)象，在同一流道相鄰機(jī)組具備開(kāi)球閥條件時(shí)，可以開(kāi)啟同一流道的其他機(jī)組球閥。

（6）若機(jī)組在調(diào)相工況時(shí)發(fā)生水力自激振動(dòng)，應(yīng)先立即停止調(diào)相運(yùn)行機(jī)組。

6 結(jié)論

張河灣公司充分利用現(xiàn)有的球閥壓差控制箱，將閥前/閥后壓力、工作/檢修密封投入腔壓力、球閥X/Y方向位移集成在球閥壓差控制系統(tǒng)內(nèi)，在此控制系統(tǒng)內(nèi)，不僅可以實(shí)時(shí)調(diào)取壓差控制系統(tǒng)原有上下游壓力值及壓差值，而且可以實(shí)時(shí)調(diào)取球閥工作/檢修密封投入腔壓力、球閥X/Y方向位移等數(shù)值和歷史曲線，方便維護(hù)人員監(jiān)控球閥狀態(tài)。球閥壓差控制系統(tǒng)將球閥壓力、位移信號(hào)上送至監(jiān)控，方便運(yùn)行人員監(jiān)測(cè)球閥狀態(tài)，遵循“提前預(yù)控、盡早判斷、快速處置”的原則，及時(shí)發(fā)現(xiàn)球閥自激振現(xiàn)象，縮短球閥自激振的事故處理時(shí)間，避免事故擴(kuò)大。