桐柏抽水蓄能電站球閥密封漏水引起的自激振動分析

蔣池劍

（華東桐柏抽水蓄能發電有限責任公司，浙江 杭州 310005）

桐柏抽水蓄能電站球閥密封漏水引起的自激振動分析

蔣池劍

（華東桐柏抽水蓄能發電有限責任公司，浙江 杭州 310005）

電站在投產近10年的時候發生了幾次不同工況下的壓力鋼管自激振動現象，影響了設備的正常運行。本文通過對幾次自激振動的原因分析，提出了解決問題的實際措施，為以后研究同類問題提供了參考。

抽水蓄能電站；球閥；自激振動

1　概述

水力振動可分為強迫振動引起的水力共振與自激振動兩類。前者是在外界的擾動頻率等于或接近于引水管道系統的某一階的自由振動頻率時,產生的水壓力振蕩;后者則因為水力系統本身是不穩定的,任何引入該系統的壓力或流量的微小擾動都將導致隨時間而不斷增強的振動,即自激振動[1]。

2　自激振動出現的情況

桐柏抽水蓄能電站位于浙江省臺州市天臺縣境內，安裝有4套單機容量為300MW的立軸混流可逆式單級水泵水輪機-發電電動機組，總裝機容量為1 200WM，以兩回500 kV線路送入華東電網，在華東電網中承擔調峰、填谷、調相、調頻和事故備用。電站輸水系統位于上下水庫之間的山體內，采用一洞二機、斜井、尾部廠房布置方案，有兩個相同的水力單元。其布置如圖1。

從上水庫進/出水口至高壓支管鋼襯末端輸水道的長度1號至4號機組分別為874.2m、884.57m、872.85m、883.22m。4臺機組依次排列呈一字形，每2臺機組接一根壓力管，每根支管上都設有一套內徑為3.10m的球閥，用作正常斷流和廠房檢修期間的擋水設備。球閥設有兩道密封：上游側為檢修密封，下游側為工作密封。檢修密封投退用水取自壓力鋼管，其設有6個機械鎖定螺栓，需手動投退；工作密封投入用水取自球閥閥體，退出工作密封由球閥閥體壓力水來實現；機組正常啟停時，只有工作密封進行投退。桐柏抽水蓄能電站在投入運行10年后，曾經發生了多次壓力管道自激振動，比較有代表性的有3次。

2.1 1號機、2號機在抽水調相開機時發生的自激振動

某日，1號機抽水調相已到穩態，2號機抽水調相正在開機過程中。1號機、2號機發生水力壓差脈動時間在01:05:45開始，到01:06:26壓力脈動引起球閥工作密封投退腔壓差到達臨界值，導致工作密封異常頻繁投退。工作密封頻繁投退引發壓力脈動繼續變大，到01:07：50到達穩定值。01：18：30值班人員將1號機、2號機球閥工作密封操作取水閥關閉后，水力壓差脈動現象消除，工作密封恢復正常。

當時1、2號機壓力鋼管壓力脈動如圖2、圖3。

2.2 3號機備用，4號機在發電停機后發生的自激振動

某日，3號機在備用狀態，4號機正在停機過程中。16:56:42，4號機停機并球閥工作密封投入，16：59:03，4號機球閥工作密封開始發出投入與釋放“信號，17:03:10，4號機開始出現壓力鋼管上游壓力波動，為了消除壓力鋼管內部不穩定水力脈動，17:08: 00值班人員將3號機水輪機工況空載運行后3號機4號機壓力鋼管內部壓力脈動消除。當時3、4號機壓力鋼管壓力脈動如圖4。

2.3 4號機備用，3號機在抽水調相開機后發生的自激振動

某日，4號機停機備用，3號機正在抽水調相開機過程中。00:10:41，3號機壓力鋼管壓力波動最高值升至36.05 bar，正常值為32 bar。水力壓差脈動開始產生。00:11:02，3號機壓力鋼管壓力波動最高值升至49.98 bar，3號機球閥工作密封開始出現頻繁投退現象。00:16:50，值班人員手動開啟4號機球閥工作旁通閥后壓力脈動消失。當時3、4號機壓力鋼管壓力脈動如圖6、圖7。

3　自激振動產生的原因

桐柏抽水蓄能電站的球閥經過近10年的運行，通過平時的檢查和機組的檢修發現球閥的工作密封/檢修密封的“投入”腔和“釋放”腔之間以及“釋放”腔和球閥本體之間存在滲漏。在2013年的1號機C修期間，對1號機球閥工作密封進行解體檢修，處理了球閥工作密封固定外環內鋁青銅表面劃痕，劃痕都是貫穿性磨損后水流沖刷留下的汽蝕痕跡。劃痕長度約30mm，劃痕深度有2mm左右，如圖5所示，其他機組情況相似。

從檢查結果來看，在球閥工作密封“釋放”腔和“投入”之間、“釋放”腔和球閥本體之間滲漏嚴重，導致“釋放”腔和“投入”腔基本趨于均壓，造成工作密封滑動環壓緊處處于動作臨界狀態，由于系統擾動引起球閥工作密封滑動環壓緊處會稍稍開放一點，形成一小股漏水，按照水擊理論，漏水后，壓力會降低，又會使壓力鋼管內產生很小的正壓脈沖，它使球閥工作密封滑動環壓緊處趨向關閉，引起漏水量的減小又使傳向壓力鋼管的壓力波增大。在一個半周期后由水庫端反射回來的壓力波到球閥處變為負壓波，這個較低的壓力使球閥工作密封滑動環壓緊處重又開放，漏水量增大，負壓增值；在下一個半周期后，低壓從水庫反射回來，又成為高壓，促使球閥工作密封滑動環壓緊處閉合，漏水量減小，如此反復交替，終于達到了某種狀態，工作密封滑動環上的壓力一會兒低，一會兒高，造成工作密封反復投退，導致產生水力自激振動現象。

4　自激振動的消除防范措施

球閥工作密封漏水處呈現柔性閥門特性,這種特性將導致自激振動迅速發展[2]。桐柏抽水蓄能電站的自激振動現象雖沒有產生嚴重的后果，但其他許多電站發生過閥門引起的自激振動現象,產生了嚴重的后果[3]，因而，盡早的消除和防范自激振動很有必要。

4.1自激振動的特征

激發和維持自激振動的能源為不具有交變性質的穩定能源,例如有壓水風慣性力、摩擦力等。激發和維持自激振動需要有一個控制反饋機構,通過它的運動或振動,周期地把穩定的能源輸人到振動系統中去,使輸人到振動系統中去的能量具有了周期性質。當周期地輸人振動系統的能量超過一定值(足以克服系統的阻力)時,振動系統的振動就會加速,幅值增大,頻率也逐步趨近于系統的固有頻率,一直到振動系統的固有頻率時穩定下來[4]。

在桐柏抽水蓄能電站發生自激振動時，激發和維持自激振動的能源是球閥工作密封滑動環處的水壓,控制反饋機構是工作密封滑動環的的振動,通過水系統的相連輸入到振動系統中，振動體為工作密封滑動環。

4.2自激振動的消除和防范措施

要從根本上消除自激振動，一是消除激發和維持振動的能源；二是控制反饋機構周期性的運行或振動；三是切斷傳遞能量的途徑。

在因球閥工作密封問題而產生的自激振動，振蕩的全振幅在理論上可達到正常水壓2倍[5]。從實際監測結果看，幾次自激振動產生的壓力鋼管壓力脈動最大值達到球閥上游凈壓力的2倍，危害極大。桐柏抽水蓄能電站在發生壓力鋼管自激振動后，從自激振動的幾個特征著手，采取了多種預防自激振動的措施。

（1）為便于值班人員監測和盡快發現壓力脈動情況，桐柏抽水電站利用原埋設在球閥前后的壓力鋼管內的監測設備，將信號接入監控系統，并增設報警。

（2）優化自動開啟球閥旁通閥流程，一旦監測到球閥前鋼管壓力達到一定值，自動開啟球閥旁通閥，破壞水擊。

（3）對工作密封漏水缺陷盡快安排處理并聯系廠家研究改進工作密封的結構、材料以徹底消除漏水問題。目前，4臺機組球閥工作密封在按計劃消除漏水缺陷，讓工作密封問題引起的自激振動不能周期性運行。

（4）計劃從不同壓力鋼管提供球閥工作密封的壓力水水源，切斷了止水環與壓力管的聯系。

5　結論

桐柏抽水蓄能電站球閥工作密封的漏水造成了危害極大的壓力鋼管自激振動，但只要采取恰當的措施，水力自激振動的危害完全可以控制，甚至消除。

[1]索麗生,周建旭,劉德有.水電站有壓輸水系統的水力共振[J].水力水電科技進展,1998（4）.

[2]梅祖彥.抽水蓄能技術[M].北京:清華大學出版社,1988.

[3]葉復萌,朱淵岳,樊紅剛，等.抽水蓄能電站復雜管系的自激振動研究[J].水力發電學報,2007，26（4）：135-140.

[4]李啟章，于紀幸，任紹成，等.江蘇宜興抽水蓄能電站水泵水輪機導水機構的自激振動[C]//第十八次中國水電設備學術討論會論文集,2011.

[5]李國和.抽水蓄能電站可能出現的水力振動[J].華北電力技術,1996.

蔣池劍（1978-），男，工程師，從事抽水蓄能電站安全生產管理工作。

TV743

B

1672-5387（2015）11-0058-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2015.11.0020

2015-07-31