抽水蓄能电站水力自激振动保护设计策略研究与应用

曹永闯，赵 颖，宗怀远，高 鑫，徐志壮

（河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南阳473000）

0 概述

近年来，抽水蓄能电站水力自激振动（以下简称自激振动）现象时有发生，总结其原因：球阀处于关闭状态时，球阀工作密封投入不严或密封投入、退出操作腔有串压，易引发引水管道自激振动[1-3]。总结其现象：球阀前压力钢管压力呈振幅逐渐增大的周期性波动，最大水压可达2 倍静水压力，同时球阀本体及与压力钢管相连管路伴有明显晃动及异常声音[4-5]。总结其后果：发生自激振动时，必然造成球阀工作密封的损坏，极大威胁着同一引水隧道内球阀、引水管道及其连接部件的安全运行，严重时可引起球阀及压力钢管相连管路破裂导致大量喷水[6-8]。因此需要完善自激振动保护设计，加强现场应急处置能力，切实保障设备的本质安全。

1 自激振动要素剖析

为了精准地进行自激振动保护设计策略研究，首先应从自激振动产生的原因、现象，剖析可以通过哪些要素来监测、定性该现象，然后采取相应的策略设置保护，以此保证设备安全。

要素①球阀水平方向位移：发生自激振动时，球阀本体及与压力钢管相连管路伴有明显晃动及异常声音。

要素②球阀前压力钢管压力：发生自激振动时，球阀前压力钢管压力呈振幅逐渐增大的周期性波动，最大可达2 倍静水压力。

要素③球阀工作密封投入腔压力（或投入状态）：由于工作密封密封块磨损或者投入腔压力太低，会引起工作密封投入不严或反复投退，可引发自激振动。

要素④球阀工作密封投退腔压差：工作密封投入、退出腔有串压时，可引发自激振动。

2 自激振动保护设计

通过以上对自激振动要素分析，本文拟采取设置监测信号、设置保护逻辑、设置应急处置按钮等措施来设置自激振动保护。

2.1 设置监测信号

针对要素①球阀水平方向位移：设置球阀本体位移监测装置，并将位移量以模拟量（4～20 mA）接入监控系统，实时监测球阀本体X 轴、Y 轴方向位移量。传感器精度等级应不低于0.5%、分辨率不低于10 μm。以BQ 电站为例，将球阀位移传感器底座分别焊接至球阀X 轴、Y 轴底座平台上，定义传感器探头初始位置后，输出为12 mA；当正向位移为+2 mm 时，输出电流为20 mA；当负向位移为-2 mm时，输出电流为4 mA。

针对要素②球阀前压力钢管压力：球阀上游压力钢管延伸段设置1 个精度等级不低于0.5%的压力变送器，变送器的最大量程不应小于机组进水阀设计压力的2 倍，压力信号以模拟量接入监控系统，实时监测压力钢管压力值。压力变送器的信号水源取自压力钢管测压总管，测压总管与球阀上游压力钢管延伸段1 个断面上均布的多个压力测点相连通。压力变送器及测压总管应设置在便于维护、巡检的地方，测压总管上应设置排气和排水装置，测压支管上应设置隔离球阀。

针对要素③球阀工作密封投入腔压力（或投入状态）：1）在球阀工作密封投入腔设置精度等级不低于0.5%的压力变送器，以模拟量接入监控系统，实时监测工作密封投入腔压力；2）在圆周方向均匀设置球阀工作密封位置检测开关，且数量不少于3个，以开关量接入监控系统，监测球阀工作密封位置；3）设置工作密封备用水源，确保工作密封操作水源可靠，工作密封能可靠投入。

针对要素④球阀工作密封投退腔压差：在球阀工作密封退出腔设置精度等级不低于0.5%的差压变送器，另设置精度等级不低于0.5%的差压变送器以监视球阀工作密封投入、退出腔的压力差，将压力值、压差值以模拟量接入监控系统，实时监测球阀工作密封投入、退出腔压力值及之间的压差值，并将两者相互校验。

应在球阀系统监控画面中增加自激振动保护画面，并将球阀工作密封投退腔压力、差压、工作密封位置、压力钢管压力及球阀本体位移监测等所有测量信号都集中在自激振动保护画面中统一实时监测。

2.2 设置保护逻辑

针对要素①球阀水平方向位移，设置两级球阀位移报警。以BQ 电站为例，球阀本体位移传感器位移范围为-2～2 mm，设置两级球阀位移报警信号。一级报警：球阀全关+下限报警（-1.5 mm）/上限报警（1.5 mm）；二级报警：球阀全关+下限报警（-1.95 mm）/上限报警（1.95 mm）。

针对要素②球阀前压力钢管压力，当球阀前压力钢管压力值达到其最大静水压力的120%，发压力脉动报警信号，若压力脉动报警在20 s 内出现3次及以上时，则自激振动保护动作，同时该保护动作输出打开球阀旁通阀（如有）或者退出球阀工作密封，以消除自激振动。以BQ 电站为例，球阀前压力钢管最大净水压力为6.4 MPa，设置7.68 MPa 为报警值，若压力脉动报警在20 s 内出现3 次及以上时，则自激振动保护动作退出球阀工作密封（因该电站未设置球阀旁通阀）。

针对要素③球阀工作密封投入腔压力（或投入状态）：1）在监控中设置球阀工作密封投入腔压力低报警，并具有自动复归能力，BQ 电站球阀工作密封投入腔压力正常为6.2 MPa 左右，设置压力小于4 MPa 报警；2）机组处于停机或调相工况下，球阀工作密封投入信号丢失时，发报警信号；3）当20 s 时间内发生3 次及以上工作密封投入位置蠕动信号，则自激振动保护动作，同时该保护动作输出打开球阀旁通阀（如有）或者退出球阀工作密封，以消除自激振动。

针对要素④球阀工作密封投退腔压差，当球阀全关状态下，球阀工作密封投入、 退出腔压差异常时，发报警信号。对于投入、退出腔均有操作水源的电站，设置1 个压差低定值即可，即两腔压差小于该定制时发报警信号。对于BQ 电站，球阀工作密封投/退通过工作密封投入腔操作水源的投/退实现，故无需设置此保护逻辑。

2.3 设置应急处置按钮

当监测到自激振动现象发生时，除了设置保护逻辑自动动作外，还要增加手动应急处置按钮作备用。应在自激振动保护画面中设置投/退工作密封、开/关球阀旁通阀（如有）、开/关球阀的控制按钮，还应在每台球阀现地电气控制柜上配置相同功能的手动应急处置按钮。对于BQ 电站，将在下一步的自激振动异动计划中完善以上应急处置按钮的设置。

3 自激振动应急处置原则

（1）当引水管道发生自激振动时应根据压力钢管压力、球阀工作密封过水声音、监控报警信息等迅速判断发生自激振动的机组。

（2）若机组在调相工况时发生自激振动，应立即汇报调度申请停机。

（3）采取开球阀旁通阀（如有）、退球阀工作密封、投球阀检修密封、开球阀等单项或多项措施可消除自激振动。若不确认哪台机组球阀引起自激振动，可对同一流道的球阀逐台操作。

（4）若自激振动保护已经动作，则密切查看球阀旁通阀（如有）开启情况或工作密封退出情况，确认自激振动现象已减弱直至消除，必要时通过应急处置按钮快速消除自激振动。

（5）完成处置后对相应机组进行细致检查，检查内容包括：球阀本体及其连接管路、液压操作系统管路、上库闸门、上游压力钢管连接管路、阀体紧固件等设备设施。

4 其他注意事项

（1）对于新建电站来说，电站设计阶段应配置自激振动保护装置、优化设备选型布置。压力钢管、球阀设备设计选型时，强度应满足机组发生自激振动情况下的安全裕度。球阀工作密封和检修密封设计应可靠，应有保证在球阀工作密封投退腔串压情况下投入腔压力始终大于退出腔压力的措施，如优化投入退出腔面积比。球阀工作密封和检修密封的操作水源应设置备用水源，备用水源应取自不同输水系统的压力钢管，水源间应设置隔离阀门和止回阀。

（2）对于在建电站来说，应严格控制设备安装质量工艺，做好自激振动保护监测元器件的校验。球阀安装过程中，应严格做好工作密封、检修密封件表面以及投入、退出腔密封面的防护。球阀工作密封、检修密封供水管路所有焊缝应经无损检测合格，管路应经压力试验合格。压力变送器、压力表、差压变送器等压力监测元件安装前应校验合格。

（3）对于投运电站来说，应完善自激振动保护，并对保护装置定期维护校验。对自激振动保护装置设备如球阀工作密封供水过滤器、压力变送器、压力表、差压变送器、球阀工作密封供水管路等应定期进行检修、维护和校验，对自激振动保护逻辑定期进行传动试验。应结合实际情况制定防自激振动专项应急预案，并定期进行演练。

（4）通过优化设备选型布置、管控安装质量工艺、设置自激振动保护等措施，并不能从根本上上消除自激振动，只是从自激振动产生机理、现象出发，采取一系列应对措施，在一定程度上避免自激振动的发生，并在自激振动发生后通过设置保护逻辑或人为动作消除自激振动现象，以此保证设备安全，所以日常工作中仍要加强对自激振动的重视，维护好相关设备。

（5）本文所列保护措施设置较多，各电站可结合自身设备情况，合理搭配即可。BQ 电站通过设置以上保护措施中的多个组合，电站运维人员能在日常运维工作中，迅速发现并消除自激振动现象，为电站设备的安全运行提供了坚强保障，同时为其他电站的自激振动保护设计、改造提供了广泛的参考价值。