胡勇健，李 展，張 暉，陳弘昊，劉士剛

(深圳蓄能發(fā)電有限公司，廣東 深圳 518115)

0 概 述

球閥系統(tǒng)是抽水蓄能電站機組的重要設施，是關系整個廠房結(jié)構安全的關鍵設備，特別是在引水隧洞較長的抽水蓄能電站，球閥是電站地下廠房的安全屏障。

當調(diào)速器系統(tǒng)發(fā)生故障導葉無法可靠動作時，進水球閥就需要實現(xiàn)在動水條件下緊急關閉功能，以防止機組飛逸，避免事故擴大，保證地下廠房的人身設備安全。雖然要求機組在任何運行工況下，進水閥門應能動水關閉且不產(chǎn)生有害振動[1]，然而動水關閉球閥瞬間，由于水道中存在的水擊作用產(chǎn)生的壓力脈動通過活動導葉傳至機組頂蓋，造成機組和球閥劇烈振動[2]，上游水道壓力急劇變化，水道動應力陡增，壓力鋼管存在爆裂的風險，嚴重威脅機組設備的安全運行[3- 4]，因此需要通過球閥動水關閉試驗，驗證球閥系統(tǒng)在不關閉導葉的情況下，能否可靠地動作阻斷上游進入水輪機的全部流量，通過測量球閥動水關閉情況下壓力變化和設備的振動位移確認是否超過制造廠家給出的最大允許值，從而評價球閥系統(tǒng)的抗振性能，考核機組、機械電氣設備的各項性能是否滿足設計要求。

深圳抽水蓄能電站采用“一洞四機”布置形式，每臺機組進口均布置1臺球閥，全廠共有4臺300 MW水泵水輪機及相關設備，本次試驗對象為1號機組及球閥和相關附屬設備。

1 球閥動水關閉試驗

1.1 測點布置

1.1.1動應力測點布置

根據(jù)結(jié)構受力特征以及機組運行工況分析，動水關球閥工況是所有運行工況中對混凝土支墩最不利工況，當動水關球閥時，機組引水道內(nèi)產(chǎn)生的“水錘作用”將會使混凝土支墩應力達到峰值。因此動應力監(jiān)測點布置在混凝土支墩上下游底部控制點，同時為了解混凝土支墩是否存在扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，監(jiān)測點左右對稱布置，動應力測點布置如圖1所示。

圖1 球閥混凝土支墩動應力測點布置示意

1.1.2振動位移測點布置

球閥和混凝土支墩振動位移測點沿按機組進水道水流方向布置如圖2所示。1、2號測點分別布置在球閥體和混凝土支墩右側(cè)，3、4號測點分別布置在球閥體和混凝土支墩左側(cè)，動位移監(jiān)測點對稱布置。依據(jù)上述振動位移監(jiān)測結(jié)果可以評估球閥體相對混凝土支墩的移動是否滿足設計要求，同時考核球閥體系滑動機構工作是否正常，監(jiān)測結(jié)果對比可以評估球閥移動是否存在偏移現(xiàn)象。5、6號測點分別布置在伸縮節(jié)前、后的壓力鋼管上，伸縮節(jié)振動位移監(jiān)測結(jié)果用于評估球閥體系伸縮節(jié)機構伸縮量是否滿足設計和安裝要求，同時檢驗進水閥系統(tǒng)伸縮節(jié)部分的工作狀態(tài)。根據(jù)生產(chǎn)廠家要求，球閥體系滑動機構最大位移為10 mm；伸縮節(jié)最大工作位移為10 mm。

圖2 1號機組球閥支墩、混凝土支墩及伸縮節(jié)位移傳感器測點布置示意

1.2 試驗項目

試驗項目主要包括機組空轉(zhuǎn)動水關閉球閥、發(fā)電帶50%負荷動水關閉球閥、發(fā)電帶100%負荷動水關閉球閥，按照機組所帶負荷的從小到大逐步進行。每次進行球閥動水關閉試驗后都要求對試驗數(shù)據(jù)進行分析評估，確認所有的應力及位移變化數(shù)據(jù)均在安全范圍內(nèi)并對球閥本體及壓力鋼管進行檢查后才能進行下一次試驗。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 混凝土支墩動應力監(jiān)測及強度校核

通過前期安裝的動應力傳感器獲取1號機組在不同試驗條件下動水關球閥混凝土支墩所承受的最大動應力，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同工況球閥混凝土支墩實測最大動應力 MPa

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，比較不同試驗條件下的動水關閉球閥所產(chǎn)生的最大動應力情況，可以看出在空轉(zhuǎn)關球閥工況和發(fā)電開機過程，混凝土支墩上下游面動應力接近?？辙D(zhuǎn)關球閥工況對混凝土支墩沖擊最小，100%負荷動水關球閥對混凝土支墩沖擊最大。機組發(fā)電開機過程中，上游流道內(nèi)沒有“水錘”作用，盡管混凝土支墩振動應力較大，但沒有出現(xiàn)明顯的應力不均情況?；炷林Ф諒姸刃：瞬捎贸休d能力極限狀態(tài)方式[5]。表達式為

γ0S≤R

(1)

式中，γ0為結(jié)構重要性系數(shù)；S為承載能力極限狀態(tài)的荷載效應組合的設計值；R為結(jié)構構件的承載力設計值(強度允許值)，進行抗震設計時，應除以承載力抗震調(diào)整系數(shù)。

深圳蓄能電站裝機容量為 1 200 MW，安全等級為一級，γ0=1.1。球閥支墩采用C30標號混凝土，由于混凝土結(jié)構材料具有抗壓性能遠遠高于抗拉性能，混凝土支墩安全評估采用最大拉應力值進行?；炷量估瓘姸仍O計值R取ft=1.43N/mm2。考慮結(jié)果重要性系數(shù)，實際抗拉強度設計值取1.30N/mm2。

根據(jù)動水關球閥試驗結(jié)果，球閥混凝土支墩最大拉應力為0.558 MPa，計算結(jié)果遠低于1.30 MPa，而且具有較大的安全裕度。

2.2 球閥體系振動位移及安全評估

球閥體系振動位移包括球閥體相對于混凝土支墩振動位移和伸縮節(jié)前后振動位移。前者評價球閥體在動水關閉球閥過程產(chǎn)生的振動位移以及相對于混凝土支墩的相對位移，后者評估伸縮節(jié)的工作情況。本次1號球閥不同工況下振動位移實測最大值如表2所示。

表2 不同工況球閥體、混凝土支墩及伸縮節(jié)控制點振動位移實測值 mm

根據(jù)試驗過程中1號機組動水關球閥工況動位移監(jiān)測結(jié)果，球閥體右側(cè)產(chǎn)生的最大振動位移為0.909 mm，球閥體左側(cè)產(chǎn)生的最大振動位移為0.918 mm，伸縮節(jié)最大動位移為0.998 mm，均發(fā)生在100%動水關球閥工況。

對比球閥體左右兩側(cè)動位移監(jiān)測點的實測值可見，各種運行工況下球閥體兩側(cè)的振動位移值基本處于相同的位移水平，在所有運行工況中最不利工況下，計算球閥相對于混凝土支墩的滑動量和伸縮節(jié)前相對于伸縮節(jié)后的伸縮量，分別為右側(cè)0.854 mm，左側(cè)0.869 mm，伸縮量0.977 mm。表明 1號機組工作時球閥體沒有產(chǎn)生較大的扭轉(zhuǎn)變形。

根據(jù)球閥體、混凝土支墩及伸縮節(jié)系統(tǒng)振動試驗統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在100%負荷動水關球閥最不利工況下混凝土支墩(基礎)最大振動位移為0.055 mm遠小于基礎結(jié)構允許界限。對比參考球閥生產(chǎn)廠家給出的球閥滑移工作允許值和伸縮節(jié)工作允許伸縮量，球閥滑動機構和伸縮節(jié)的工作振動位移沒有超過1 mm，滿足安全范圍。

試驗結(jié)果還表明，機組穩(wěn)態(tài)運行時伸縮節(jié)也具有明顯的減振效果，通過伸縮節(jié)前后壓力鋼管的動位移變化，可以看出當上游來水在主球閥系統(tǒng)引起較大脈動壓力后，伸縮節(jié)前壓力鋼管的振動位移明顯較大，通過伸縮節(jié)的緩沖作用后，伸縮節(jié)后壓力鋼管的振動位移顯著減小。

通過上述試驗過程中的監(jiān)測結(jié)果，可以認為球閥基礎下的滑動機構工作正常，可以避免球閥啟閉動作時對混凝土支墩的沖擊作用；球閥工作時，伸縮節(jié)可以有效緩沖上游球閥或脈動水流對蝸殼的沖擊作用；混凝土支墩測點和伸縮節(jié)后測點與地下廠房的基巖基本處于一個大的彈性體上，上述測點振動位移都比較小表明深蓄電站地下廠房結(jié)構的抗振能力良好。

3 結(jié) 論

(1)機組負荷越大的情況下動水關球閥對應產(chǎn)生的動應力及振動位移也越大，100%負荷關球閥是最不利的工況。1號機組動水關球閥時，球閥混凝土支墩產(chǎn)生的最大拉應力為0.558 MPa，遠小于混凝土材料抗拉設計值，而且具有足夠的安全裕度，混凝土支墩結(jié)構強度校核滿足設計要求。

(2)在機組動水關球閥最不利工況，球閥體系的振動位移是安全的，混凝土支墩基礎的振動位移也是安全的。在機組動水關球閥最不利工況，球閥相對于混凝土中的最大滑移量、伸縮節(jié)的相對伸縮量遠遠小于生產(chǎn)廠家給出的允許值。在其它運行工況，振動位移也是在安全的范圍內(nèi)，而且具有較大的安全裕度。

此次深圳蓄能電站的球閥動水關閉試驗監(jiān)測結(jié)果表明，深蓄機組在任何運行工況下球閥均能動水關閉并且不會產(chǎn)生有害振動。球閥動水關閉時，球閥相對于混凝土支墩滑動裝置工作正常，滑動量值小于設計要求；伸縮節(jié)工作正常，滑動量值小于生產(chǎn)廠家給出的允許值。球閥體相對于與球閥混凝土支墩之間的滑動，有效避免了混凝土支墩承受較大的“水錘”作用的影響；伸縮節(jié)系統(tǒng)對振動位移有較好的調(diào)節(jié)作用，可以較好保護蝸殼和機組，避免使之產(chǎn)生過大動應力與變形。