馮雁敏，于 粟

(國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

球閥正常工作狀態(tài)應處于全開或全關位置，一般情況下不參與水電機組過水流量調節(jié)[1-2]。為防止機組停機過程中調速系統(tǒng)故障導致導葉關閉失靈，球閥應具備動水關閉功能，起到防止機組飛逸避免事故擴大的最后一道保護作用[3-6]。緊急狀態(tài)下動水關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，也是對機組相關設備及過流引水系統(tǒng)承載能力的考驗。盡管球閥在實際生產運行中動水關閉的幾率很小，但文獻[1]和文獻[2]中規(guī)定“機組在任何運行工況下，進水閥門應能動水關閉且不產生有害振動”。與常規(guī)水輪機組相比，抽水蓄能機組工作水頭高、吸出高程低、運行工況多且轉換頻繁、引水管道系統(tǒng)復雜且具有雙向過流特性、水錘效應明顯，大多選用安裝在引水壓力鋼管與蝸殼之間的球閥作為導通和截斷水流的設備，并在機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運行后大多數都進行了機組動水關閉球閥試驗[7-13]。本文介紹了某250 MW抽水蓄能機組動水關閉球閥試驗方法及關鍵性的安全、技術措施，并對試驗數據進行分析，為后續(xù)新建蓄能機組動水關閉球閥試驗提供參考。

1 試驗設備概況

1.1 機組參數

試驗機組單機容量為250 MW，水輪機型號為HLNA1094-LJ-474，發(fā)電機型號為SFD250-20/7500，額定轉速為300 r/min，水輪機最大、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)作為機組停機、水泵工況啟動及其下游設備檢修時截斷水流的擋水設備，由球閥本體、球閥前/后聯接管、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、操作機構、控制設備以及自動化元件等組成。球閥采用單接力器操作結構，在接力器雙向作用下控制球閥的開啟與關閉。球閥上下游側各有1套密封，上游側為檢修密封，下游側為工作密封，球閥本體與密封之間設置閉鎖邏輯，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，設置以下信號裝置：活門開啟和關閉位置、工作密封位置、鎖錠投入和撥出信號、旁通閥開關信號、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)相關參數見表1。

1.3 設備功能及性能保證

球閥在開啟或關閉的過程中，各部件應動作靈活、功能可靠，位置準確，無任何卡阻，可以在最惡劣的運行工況條件(極端水頭/揚程、最大流量且導葉全開)下可靠地動水關閉以切斷全部過機流量，且球閥各部件不產生強烈振動或有害變形損壞，其關閉時間不超過機組在最大飛逸轉速下持續(xù)運行的允許時間。球閥與尾水事故閘門間設置硬閉鎖功能(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。當尾水事故閘門關閉情況下球閥不得開啟，當球閥開啟情況下尾水事故閘門不得關閉)，當球閥本體發(fā)生事故關閉時，應聯動事故跳機關閉導葉。主機設備合同技術規(guī)范中規(guī)定：機組在各種過渡過程中最大轉速應小于435 r/min，蝸殼進口中心線處最大壓力應小于4650 kPa，尾水管進口最小壓力應大于100 kPa，球閥動水關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%)應分別小于20%和30%。

2 球閥動水關閉試驗

通過動水關閉球閥試驗，驗證在導葉不關閉的情況下球閥能否可靠動水截斷全部機組過水流量；通過對球閥(包括伸縮節(jié)、混凝土支墩)振動及相對位移、過流管道相關測點水流壓力(含壓力脈動)、機組穩(wěn)定性(包括機組轉速、機架振動及導軸承擺度)等測試數據進行分析，并結合試驗后現場檢查判斷球閥及機組應不產生任何結構損傷或有害變形振動，評定球閥動水關閉的安全性[2～8]。

2.1 測點布置

試驗機組測點布置見圖1。

由圖1可知，本次試驗球閥系統(tǒng)測試參數包括：①球閥振動(包括球閥本體及球閥基礎的水平、垂直方向振動)；②球閥上/下游側壓力；③球閥軸向(順水流方向)位移；④球閥接力器行程、⑤球閥接力器開關腔壓力。機組測試參數包括：①由電渦流位移傳感器對準粘貼在大軸上的鍵相塊測得機組轉速；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葉開度；④由速度型位移振動傳感器測得上/下機架及頂蓋振動；⑤由電渦流位移傳感器測得導軸承擺度；⑥由壓力傳感器測得蝸殼進口(末端)、尾水進口(出口)及導葉前(后)等測點處水流壓力；⑦由絕對壓力傳感器測得蝸殼進口、尾水進口、轉輪與頂蓋間、泄水環(huán)間及導葉與轉輪進口間水流壓力脈動。

2.2 試驗前準備工作

作為一種高風險性破壞試驗，球閥動水關閉時對球閥、機組本身和水工建筑的損傷都非常大，試驗前應做好充分的準備工作。

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

b.該試驗在機組竣工投產后進行，確保試驗機組及相關公用系統(tǒng)設備運行正常。退出可能影響球閥動水關閉試驗的異常跳機信號(如發(fā)電機逆功率保護、球閥異常關閉保護等)，其他電氣量及熱工量保護控制系統(tǒng)功能完善、邏輯正確，且投入正常運行。為防止動水關球閥過程中反水錘引起機組反轉，機械制動誤投，機械制動在試驗前設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致水流壓力脈動/壓力測值偏大，應盡量在現地就近測點位置布置傳感器，否則應對測壓引出管路進行加固。試驗用的測試設備和儀器儀表均應經過嚴格檢定、率定。機組啟動前對相關測壓管路進行排氣檢查，機組啟動后在動水關球閥之前應檢查所有試驗測點數據信號正確，確保試驗數據真實有效。

d.試驗場地實施警戒，嚴禁無關人員進入，保證道路暢通，照明充足，必須有明確的逃生通道指示。動水關閉球閥試驗前，應確保機組和水工建筑各部分運行正常，僅留試驗指揮和操作人員在現場，并做好應急逃生措施。安排專職人員在上庫閘門、尾水閘門處等試驗現場關鍵點值守，確保通信暢通，若遇到球閥、導葉關閉失靈等特殊情況時能及時關閉上庫、尾水閘門。

e.試驗過程中，運行人員利用工業(yè)電視監(jiān)視機組和引水流道的關鍵部位，若發(fā)現水車室竄水、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象應立即停機檢查，待查清原因且排除故障后方可重新進行試驗。

2.3 試驗方法

球閥動水關閉試驗在水輪機工況空載、50%額定負荷(nr)和100%額定負荷3種工況下依次進行，每次試驗前檢查確認球閥油壓裝置油壓正常。

a.第一階段：靜水模擬試驗

在靜水下進行導葉保持開啟情況下關球閥模擬試驗，在球閥關閉且導葉手動打開至30%左右的條件下完成事故跳機模擬試驗，確保導葉不關閉，機組機械跳機功能正常；短接球閥控制柜上導葉全關信號，確保能手動關閉球閥或事故跳機關閉球閥。

b.第二階段：空載工況動水關球閥

試驗機組在空載工況下穩(wěn)定運行15 min，檢查機組各部運行正常后進行試驗，機械制動切手動控制并置于退出位置，將調速器切到現地手動控制，保持導葉開度不變，在球閥控制柜上短接導葉全關信號并將球閥控制方式切至現地，現地手動關閉球閥，檢查機組是否在導葉不動的條件下正常停機。

c.第三階段：帶負荷工況動水關球閥

試驗機組在預定負荷工況下穩(wěn)定運行一段時間，檢查機組各部分運行正常且經電網調度批準后進行試驗，機械制動切手動控制并置于退出位置，將調速器切到現地手動控制，保持導葉開度不變，在球閥控制柜上短接導葉全關信號并將球閥控制方式切至現地，現地手動關閉球閥，當機組有功功率小于10 MW時，手動按下機械事故跳機按鈕，檢查導葉是否關閉(如果機械跳機按鈕按下后導葉仍然未關閉，則立刻手動啟動緊急事故(或電氣事故)停機按鈕通過事故配壓閥使導葉關閉)，檢查機組停機流程是否正常。每個負荷工況試驗完成后，對試驗數據進行分析并對機組進行全面檢查，在確認試驗數據及機組各部無異常后才進行下一負荷工況試驗。

3 試驗數據分析

試驗機組在空載工況、50%nr工況、100%nr工況下球閥動水關閉過程中監(jiān)控流程執(zhí)行正確，在導葉鎖死的前提下，球閥可自動完成關閉動作，全關后活門與閥體間密封嚴密無泄漏，設備無滲油、滲水現象，機組運行無異常，證明該球閥有很好的動水關閉性能。動水關球閥試驗數據見表2—表5。

表2 動水關球閥試驗數據

表3 動水關球閥過程中部分水流測點壓力極值分析 kPa

表4 動水關球閥過程中機組振動、擺度極值分析 μm

表5 動水關球閥過程中機組各部水流壓力脈動最大值 kPa

機組在各試驗工況動水關球閥過渡過程中，較大的水流力矩使各測點水流壓力出現大波動，機架及頂蓋振動、導軸承擺度等機組穩(wěn)定性指標瞬間加劇，球閥相對位移、基礎振動及流道各測點壓力的變化趨勢大致相同，相關各參數指標隨著工況負荷的變大有不同程度的增加[14-15]。額定負荷工況下球閥動水關閉對引水流道各測點水流壓力變化、球閥本體振動、水平位移及機組運行穩(wěn)定性的影響是最嚴重的。本文對額定負荷工況下動水關球閥動態(tài)過程的試驗數據進行分析，相關指標參數變化趨勢見圖2。

由以上試驗數據可以看出，空載工況、50%nr工況、100%nr工況下動水關球閥時球閥最大、最小關閉時間分別為49.15 s、48.73 s，球閥動水關閉時水平位移最大值為1833 μm，均滿足設計要求；在大波動過程中機組最轉速上升變化不明顯(最大轉速為302.54 r/min)，蝸殼進口、蝸殼末端、球閥上/下游側、尾水進/出口水流壓力最大值為3498.32 kPa，尾水進口水流壓力最小值為570.36 kPa，均滿足調節(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要求。

4 結束語

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