某抽水蓄能机组动水关闭球阀试验分析

冯雁敏，于 粟

(国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006)

球阀正常工作状态应处于全开或全关位置，一般情况下不参与水电机组过水流量调节[1-2]。为防止机组停机过程中调速系统故障导致导叶关闭失灵，球阀应具备动水关闭功能，起到防止机组飞逸避免事故扩大的最后一道保护作用[3-6]。紧急状态下动水关球阀本身是一种破坏性试验，既是对球阀本体(包括球阀、伸缩节、混凝土球阀支墩等)性能的考验，也是对机组相关设备及过流引水系统承载能力的考验。尽管球阀在实际生产运行中动水关闭的几率很小，但文献[1]和文献[2]中规定“机组在任何运行工况下，进水阀门应能动水关闭且不产生有害振动”。与常规水轮机组相比，抽水蓄能机组工作水头高、吸出高程低、运行工况多且转换频繁、引水管道系统复杂且具有双向过流特性、水锤效应明显，大多选用安装在引水压力钢管与蜗壳之间的球阀作为导通和截断水流的设备，并在机组安装初期作为压力钢管的堵头。近几年，我国新建抽水蓄能电站投产运行后大多数都进行了机组动水关闭球阀试验[7-13]。本文介绍了某250 MW抽水蓄能机组动水关闭球阀试验方法及关键性的安全、技术措施，并对试验数据进行分析，为后续新建蓄能机组动水关闭球阀试验提供参考。

1 试验设备概况

1.1 机组参数

试验机组单机容量为250 MW，水轮机型号为HLNA1094-LJ-474，发电机型号为SFD250-20/7500，额定转速为300 r/min，水轮机最大、额定、最小工作水头分别为291 m、259 m、235 m。

1.2 球阀系统

球阀系统作为机组停机、水泵工况启动及其下游设备检修时截断水流的挡水设备，由球阀本体、球阀前/后联接管、伸缩节、检修密封、空气阀、排水阀、工作密封、旁通阀及旁通管路、油压装置、操作机构、控制设备以及自动化元件等组成。球阀采用单接力器操作结构，在接力器双向作用下控制球阀的开启与关闭。球阀上下游侧各有1套密封，上游侧为检修密封，下游侧为工作密封，球阀本体与密封之间设置闭锁逻辑，即球阀开启闭锁工作、检修密封投入。工作密封投入闭锁球阀开启，设置以下信号装置：活门开启和关闭位置、工作密封位置、锁锭投入和拨出信号、旁通阀开关信号、活门上、下游压差信号、油压系统油压/油位过高、过低和事故低油压信号。球阀系统相关参数见表1。

1.3 设备功能及性能保证

球阀在开启或关闭的过程中，各部件应动作灵活、功能可靠，位置准确，无任何卡阻，可以在最恶劣的运行工况条件(极端水头/扬程、最大流量且导叶全开)下可靠地动水关闭以切断全部过机流量，且球阀各部件不产生强烈振动或有害变形损坏，其关闭时间不超过机组在最大飞逸转速下持续运行的允许时间。球阀与尾水事故闸门间设置硬闭锁功能(球阀和尾水事故闸门采用2套闭锁逻辑，即监控系统电气闭锁及硬布线电气闭锁。当尾水事故闸门关闭情况下球阀不得开启，当球阀开启情况下尾水事故闸门不得关闭)，当球阀本体发生事故关闭时，应联动事故跳机关闭导叶。主机设备合同技术规范中规定：机组在各种过渡过程中最大转速应小于435 r/min，蜗壳进口中心线处最大压力应小于4650 kPa，尾水管进口最小压力应大于100 kPa，球阀动水关闭时水平位移不得大于4510 μm，尾水管压力脉动和其他测点压力脉动在各过渡过程中的双振幅值(ΔH/H%)应分别小于20%和30%。

2 球阀动水关闭试验

通过动水关闭球阀试验，验证在导叶不关闭的情况下球阀能否可靠动水截断全部机组过水流量；通过对球阀(包括伸缩节、混凝土支墩)振动及相对位移、过流管道相关测点水流压力(含压力脉动)、机组稳定性(包括机组转速、机架振动及导轴承摆度)等测试数据进行分析，并结合试验后现场检查判断球阀及机组应不产生任何结构损伤或有害变形振动，评定球阀动水关闭的安全性[2～8]。

2.1 测点布置

试验机组测点布置见图1。

由图1可知，本次试验球阀系统测试参数包括：①球阀振动(包括球阀本体及球阀基础的水平、垂直方向振动)；②球阀上/下游侧压力；③球阀轴向(顺水流方向)位移；④球阀接力器行程、⑤球阀接力器开关腔压力。机组测试参数包括：①由电涡流位移传感器对准粘贴在大轴上的键相块测得机组转速；②有功功率；③由安装在接力器上的拉绳式位移传感器测得导叶开度；④由速度型位移振动传感器测得上/下机架及顶盖振动；⑤由电涡流位移传感器测得导轴承摆度；⑥由压力传感器测得蜗壳进口(末端)、尾水进口(出口)及导叶前(后)等测点处水流压力；⑦由绝对压力传感器测得蜗壳进口、尾水进口、转轮与顶盖间、泄水环间及导叶与转轮进口间水流压力脉动。

2.2 试验前准备工作

作为一种高风险性破坏试验，球阀动水关闭时对球阀、机组本身和水工建筑的损伤都非常大，试验前应做好充分的准备工作。

a.试验前进行球阀单独静水启闭试验，其动作时间须满足设计要求；确保机组紧急事故停机时控制回路动作正常；对机组进行联合检查确认机组各部位螺栓、销钉已紧固锁死，利用液压拉伸器对重要部位连接螺栓进行抽检测试其强度与拉伸量是否满足设计要求。动水关球阀试验过程中可能存在机组过速引起发电电动机扫膛、反水锤引起抬机、反水锤压力引起过水管路破裂导致水淹厂房、火灾、轴承烧瓦、全厂失电等危险源，应结合现场实际情况提前做好具有可实施性的应急预案，明确逃生路线，确保声光报警、上/下库闸门、球阀及机组停机流程动作正确。

b.该试验在机组竣工投产后进行，确保试验机组及相关公用系统设备运行正常。退出可能影响球阀动水关闭试验的异常跳机信号(如发电机逆功率保护、球阀异常关闭保护等)，其他电气量及热工量保护控制系统功能完善、逻辑正确，且投入正常运行。为防止动水关球阀过程中反水锤引起机组反转，机械制动误投，机械制动在试验前设为手动控制并保持在退出状态。

c.为防止测压管路过长削弱水流压力脉动幅值同时为避免试验时测压管路振动导致水流压力脉动/压力测值偏大，应尽量在现地就近测点位置布置传感器，否则应对测压引出管路进行加固。试验用的测试设备和仪器仪表均应经过严格检定、率定。机组启动前对相关测压管路进行排气检查，机组启动后在动水关球阀之前应检查所有试验测点数据信号正确，确保试验数据真实有效。

d.试验场地实施警戒，严禁无关人员进入，保证道路畅通，照明充足，必须有明确的逃生通道指示。动水关闭球阀试验前，应确保机组和水工建筑各部分运行正常，仅留试验指挥和操作人员在现场，并做好应急逃生措施。安排专职人员在上库闸门、尾水闸门处等试验现场关键点值守，确保通信畅通，若遇到球阀、导叶关闭失灵等特殊情况时能及时关闭上库、尾水闸门。

e.试验过程中，运行人员利用工业电视监视机组和引水流道的关键部位，若发现水车室窜水、金属碰撞及摩擦、轴承瓦温突然升高、油槽甩油、振摆过大等异常现象应立即停机检查，待查清原因且排除故障后方可重新进行试验。

2.3 试验方法

球阀动水关闭试验在水轮机工况空载、50%额定负荷(nr)和100%额定负荷3种工况下依次进行，每次试验前检查确认球阀油压装置油压正常。

a.第一阶段：静水模拟试验

在静水下进行导叶保持开启情况下关球阀模拟试验，在球阀关闭且导叶手动打开至30%左右的条件下完成事故跳机模拟试验，确保导叶不关闭，机组机械跳机功能正常；短接球阀控制柜上导叶全关信号，确保能手动关闭球阀或事故跳机关闭球阀。

b.第二阶段：空载工况动水关球阀

试验机组在空载工况下稳定运行15 min，检查机组各部运行正常后进行试验，机械制动切手动控制并置于退出位置，将调速器切到现地手动控制，保持导叶开度不变，在球阀控制柜上短接导叶全关信号并将球阀控制方式切至现地，现地手动关闭球阀，检查机组是否在导叶不动的条件下正常停机。

c.第三阶段：带负荷工况动水关球阀

试验机组在预定负荷工况下稳定运行一段时间，检查机组各部分运行正常且经电网调度批准后进行试验，机械制动切手动控制并置于退出位置，将调速器切到现地手动控制，保持导叶开度不变，在球阀控制柜上短接导叶全关信号并将球阀控制方式切至现地，现地手动关闭球阀，当机组有功功率小于10 MW时，手动按下机械事故跳机按钮，检查导叶是否关闭(如果机械跳机按钮按下后导叶仍然未关闭，则立刻手动启动紧急事故(或电气事故)停机按钮通过事故配压阀使导叶关闭)，检查机组停机流程是否正常。每个负荷工况试验完成后，对试验数据进行分析并对机组进行全面检查，在确认试验数据及机组各部无异常后才进行下一负荷工况试验。

3 试验数据分析

试验机组在空载工况、50%nr工况、100%nr工况下球阀动水关闭过程中监控流程执行正确，在导叶锁死的前提下，球阀可自动完成关闭动作，全关后活门与阀体间密封严密无泄漏，设备无渗油、渗水现象，机组运行无异常，证明该球阀有很好的动水关闭性能。动水关球阀试验数据见表2—表5。

表2 动水关球阀试验数据

表3 动水关球阀过程中部分水流测点压力极值分析 kPa

表4 动水关球阀过程中机组振动、摆度极值分析 μm

表5 动水关球阀过程中机组各部水流压力脉动最大值 kPa

机组在各试验工况动水关球阀过渡过程中，较大的水流力矩使各测点水流压力出现大波动，机架及顶盖振动、导轴承摆度等机组稳定性指标瞬间加剧，球阀相对位移、基础振动及流道各测点压力的变化趋势大致相同，相关各参数指标随着工况负荷的变大有不同程度的增加[14-15]。额定负荷工况下球阀动水关闭对引水流道各测点水流压力变化、球阀本体振动、水平位移及机组运行稳定性的影响是最严重的。本文对额定负荷工况下动水关球阀动态过程的试验数据进行分析，相关指标参数变化趋势见图2。

由以上试验数据可以看出，空载工况、50%nr工况、100%nr工况下动水关球阀时球阀最大、最小关闭时间分别为49.15 s、48.73 s，球阀动水关闭时水平位移最大值为1833 μm，均满足设计要求；在大波动过程中机组最转速上升变化不明显(最大转速为302.54 r/min)，蜗壳进口、蜗壳末端、球阀上/下游侧、尾水进/出口水流压力最大值为3498.32 kPa，尾水进口水流压力最小值为570.36 kPa，均满足调节保证计算的要求；尾水管压力脉动和其他测点压力脉动均满足相关要求。

4 结束语

在空载工况、50%nr工况、100%nr工况下对某抽水蓄能机组进行了球阀动水关闭试验，该球阀可以在导叶不关闭的情况下可靠动水截断全部机组过水流量。球阀关闭时间、阀体水平位移均满足设计要求，球阀动水关闭过程中的机组最大转速、相关测点的水流压力及水流压力脉动均满足调保计算要求，说明该球阀具有较好的动水关闭能力。