蓄能電站技術供水系統異響與劇烈振動處理

季懷杰，楊夢起,陳泓宇

（1.清遠蓄能發電有限公司，廣東清遠 511853;2.中國南方電網調峰調頻發電公司檢修試驗中心，廣東 廣州 511400）

清遠抽水蓄能電站（以下簡稱“清蓄”）位于廣東省清遠市的清新縣太平鎮境內，是一座日調節的純抽水蓄能電站，裝機容量4×320MW，機組技術供水系統采用單元供水方式，即每臺機組設置兩臺技術供水泵組，彼此互為備用。每臺機組技術供水系統的取水口位于機組尾水管距離機組中心線16m處,排水口位于尾水閘門前7.7m處。

清蓄技術供水系統泵組采用軟啟動方式啟動。

1 技術供水系統的作用

蓄能電站技術供水系統的主要作用是為機電運行設備（水泵水輪發電機組、主變壓器等）提供冷卻或潤滑水。具體來說，主要是用于冷卻發電電動機因電磁損耗產生的熱量、機組導軸承及推力軸承因機械摩擦產生的熱量、轉輪止漏環因摩擦產生的熱量、主軸密封的壓緊、潤滑和冷卻以及負載時主變壓器的冷卻等。

2 故障簡述

2015年12月28 日16:00，1號機組按調度負荷曲線計劃正常啟動，此時1號技術供水泵為主用泵，在泵組啟動瞬間，泵出口過濾器前后發出異常響聲，并伴隨劇烈振動，泵后壓力迅速上升并瞬間恢復到正常壓力，之后技術供水管路壓力恢復正常。技術供水系統圖（部分）如圖1所示。

圖1 技術供水系統圖（部分）

3 故障排查

停機后，技術人員對1號機技術供水系統水泵出口至逆止閥管路段、過濾器及其出口逆止閥、過濾器頂部排氣閥以及管路頂部排氣閥進行排查，并未發現異常。為徹底查找故障原因、消除缺陷，故對1號機技術供水系統（水泵至逆止閥管路段）運行情況進行監測。技術人員將錄波裝置分別接入1號、2號技術供水過濾器處，對兩臺技術供水泵管路段至過濾器出口壓力、過濾器進/出口壓差進行錄波，錄得的壓力波形見圖2、圖3。

圖21 號技術供水泵（異常波形）

圖3 2號技術供水泵（正常波形）

從圖2中波形可以看出，1號技術供水泵過濾器出口壓力上升至第1級壓力時，出現瞬時下降，此后出口壓力迅速上升并超過正常運行壓力（1.4 MPa），約1.5s后，出口壓力恢復至正常運行壓力。結合1號技術供水泵啟動時的現象，可以初步判斷管路中存在未排出的氣囊，從而導致氣爆，發出異常噪音并引發管路的劇烈振動。

4 原理闡述

在輸水管道中常存在由于各種原因而形成的小團氣體，又叫氣囊，當管道中水流流速或壓力發生變化時，氣囊運動，運動時由于管坡、管壁粗糙度變化以及彎管、變徑各類管道配件而分散聚合，造成氣囊兩端壓差改變，這種微小的壓差變化對管道內水體不會造成什么影響，但對管道中的氣囊卻影響極大，易形成壓力振蕩，輕者占據管道增大水阻和能耗，加劇破壞作用，重則造成管道爆裂、供水中斷。

美國著名水錘專家V.L.Streeter在其《瞬變流》（Hy-draulicTransients）書中介紹過一個算例：一條由水池接出的直徑為1m，長度為61m的單一管道，水池水位為30m，距管道末端12m一段存有空氣，管首段閥門在0.95s內打開，該管段剛開始時的絕對壓力為102kPa,在接近2.5s時，壓力突增至絕對壓力2331kPa，由此可見氣囊運動所引起的振蕩的嚴重程度。

氣囊運動的速度及其帶來的水錘壓力可以通過下列簡化算式窺探一二：

氣囊運動速度（管道排氣速度）：

式中:V為管道中氣囊運動速度或氣體排出速度,m/s;

ξ為管道的局部阻力系數；

△H為氣囊兩端的壓力差或排氣口處管道壓力,mH2O;

g為當地重力加速度,一般取9.8N/kg。

有壓管道直接水錘：

式中:DH為水錘升壓值;

△V為水錘發生時流速變化,m/s;

α為管道中的波速,m/s;

g為當地重力加速度,一般取9.8N/kg。

根據公式（2），結合圖2，由于流速變化引起的水錘壓力升降DH約為13mH2O，根據經驗一般取管道內波速為1000m/s,則由氣囊運動引起的主管道的水流突然變化△V=0.127m/s。

根據公式（1），假定氣囊兩端的壓差△H為0.01 mH2O。該段管路局部阻力系數之和∑ξ為1，則當氣囊從靜止突然啟動時，氣囊的運動速度V為12.78m/s。

那么氣囊占主管道截面積的比例為：12.78/0.127=100.63，推算此時（以斷面積為圓周計算），氣囊的直徑約為22.4mm。因此可以看出，即便管道中存在非常小的氣囊和壓力變化，也可能引起較高的水錘升壓。

5 管路中氣體主要來源分析

技術供水管路引用天然水體，溶解空氣的最大體積含氣率約2%(水中溶解性氣體約為20L/m3),研究表明，水泵葉輪入口處以及管路中的負壓區等處，當壓力降低到某一值時，水中溶解性氣體會以微小氣泡的形式迅速析出，并隨水流流動而積聚成大氣泡或大氣囊。

由于蓄能電站在P工況啟動和CP工況運行期間，中壓(7.2MPa)壓縮空氣進入尾水管中，水中氣體溶解率變大；同時由于壓水時，壓水水位在轉輪中心線以下5.2m且延時2s，部分氣體直接進入到尾水管中。另外，通過尾閘室自動排氣閥動作情況可以判斷有氣體直接進入尾水管，因此確實存在通過尾水進入到技術供水管路中的現象。

清蓄技術供水管路的設計流量裕量較大，管路中存在較多的變徑、彎頭，再加上逆止閥和流量調節閥等因素造成管路流態復雜,如圖4。在管路每次排空后充水時，極易造成部分位置的氣體未排出,如圖5，在不同的位置聚集和分散而形成氣囊，尤其是在流量調節閥或逆止閥處更難排出。因此，在管路排水后充水時，由于管路設計問題導致的存氣無法排除也是產生氣囊的一個重要原因。

圖4 氣液兩相流狀態

圖5 逆止閥結構圖

在管路充水時，上坡段時流態簡單，利于排氣；而水平段的充水雖然流態比較復雜，加上管路管徑較大，容易形成氣液兩相流狀態的前幾種（圖4），但由于管道較短，排氣相對比較容易；而在下坡段管路充水時，由于坡度大，氣、水運動狀態容易產生急流流態，水中極易摻雜氣體，即使到管路正常運行時，下坡段管道內的氣體由于與水流方向相反，當水流流速較大時，氣體排出困難，容易積聚在坡度變化處和閥門等處，最終可能以段塞流形式存在，因此管路的下坡段充水速度快也是形成氣囊一個重要的來源。

6 故障處理

由于抽水蓄能電站調相運行工況的特殊性，在壓水過程中不免會將氣體融入水中，之后水中溶解氣體的析出又不可避免。不過，這部分氣體多數可以通過設置在管路中的排氣閥排出。據此有必要進行以下3項工作：

（1）檢查排氣閥位置是否設置在最高點。通過檢查發現排氣閥在最高點。

（2）檢查排氣閥數量、間距設置是否合理。由于管路為起伏管路，因此建議在每段凸起管路或平坦管路的逆止閥前安裝排氣閥。

（3）檢查排氣閥的口徑是否滿足要求。根據工程經驗，排氣閥的口徑通常選擇為主管道的1/8～1/12，實際情況是清蓄機組技術供水系統主管道口徑為DN450，但排氣閥口徑為DN15，僅是主管道的1/30，口徑偏小。故建議更換大口徑排氣閥。

后續將對排氣閥口徑進行調整，并在逆止閥前或逆止閥頂部通過加裝排氣閥或更換排氣閥的形式進行改造，以盡量減少技術供水系統中的氣體。

根據以上的原因分析和處理方法，現階段從以下幾個方面著手解決該問題。

（1）在技術供水系統主管道排空后充水時，合理控制充水速度，一方面保證充水時排氣閥能排出管道內氣體，另一方面減小下坡段管道產生的急流流態，減少氣體融入。

（2）由于設計原因而存在的管道中凸起點，漸縮段、流量調節閥等，易進行處理。對于流量調節閥這種不全開閥門的問題，可通過充水時將其先全部打開、而后調整至原位置進行排氣的方式進行解決。

（3）根據測算，P工況啟動和CP工況運行時，在機組安全穩定運行的前提下，可以通過減少壓水進氣量，以防止氣體過多進入到技術供水等其他支路中，影響其他支路的運行；同時也可延長空壓機的啟動周期，有利于延長空壓機的使用壽命。目前已經取消了壓水進氣至壓水“低水位”信號后的2s延時。

通過以上措施，目前技術供水系統異響與劇烈振動缺陷已經消除。

7 結語

蓄能電站的安全穩定運行，從設計角度需要綜合考慮多方面因素，除應滿足機組振動、噪音、效率等安全穩定運行條件外，還需保證輔機設備的安全運行。針對清蓄技術供水系統出現的問題，應盡量減少壓水空氣的消耗量，防止中壓空氣進入到技術供水等其他支路中，且減少管路中的變徑、陡坡、流量調節閥、彎頭等數量，在無法避免時應合理設置排氣閥，保證設備的可靠運行。

參考文獻：

[1] 金錐，姜乃昌，汪興華，等.停泵水錘及其防護[M].北京.中國建筑工業出版社，2004.

[2] 楊玉思，張世昌，付林.有壓供水管道中氣囊運動的危害及防護[J].中國給水排水，2001（18）:289-291.