防止蓄能電站球閥自激振的應用實例

盧 彬，胡立昂，錢 力，郭旭東，李永紅

（河北張河灣蓄能發電有限責任公司，河北 石家莊 050300）

1 前言

總結已發生的案例，輸水管道水力自激振發生的大概率條件為：①采用球閥的抽蓄機組；②因各種缺陷，導致球閥工作密封投入不嚴，投、退腔有串壓；③該臺機組在停機球閥關閉狀態，同水道其他機組在工況轉換期間發生的。發生自激振的現象時球閥現場有異常聲音，球閥本體及管路有明顯晃動。破壞自激振措施的簡單有效，關鍵是及時發現，及時處置，一般可采取打開球閥旁通閥（確保管路及閥門安全的前提下，壓力波動初期較小值時較安全）、投入檢修密封等，其他如開機、開球閥、再投退工作密封可能存在預條件不滿足無法有效執行的情況。球閥工作密封損壞是必然的，同一水道的機組以上運行方式也是必然的，關鍵是及時監測發現、及時自動采取應對措施。

2 概述

張河灣公司充分利用現有的球閥壓差控制箱，將閥前/閥后壓力、工作/檢修密封投入腔壓力、球閥X/Y方向位移集成在球閥壓差控制系統內，在此控制系統內，不僅可以實時調取壓差控制系統原有上下游壓力值及壓差值，而且可以實時調取球閥工作/檢修密封投入腔壓力、球閥X/Y方向位移等數值和歷史曲線，方便維護人員監控球閥狀態。球閥壓差控制系統將球閥壓力、位移信號上送至監控，方便運行人員監測球閥狀態，遵循“提前預控、盡早判斷、快速處置”的原則，及時發現球閥自激振現象，縮短球閥自激振的事故處理時間，避免事故擴大。

3 監測系統組成

3.1 張河灣公司主進水閥設備情況介紹

張河灣電站主進水閥采用雙接力器油壓操作式球閥結構，主要由閥體、閥芯、旁通管、旁通閥、伸縮節、接力器、油壓裝置組成。球閥設有上游側檢修密封、下游側工作密封等兩道密封；兩道密封的投入水源均取自球閥上游側壓力管道，取水管路均設置有取水過濾器。工作密封投入腔的供排水由工作密封三通閥操作，三通閥在供水方向，壓力水進入投入腔，工作密封投入；三通閥在排水方向，投入腔壓力水卸掉，工作密封在上游水壓（也可以理解為閥芯內壓力水）作用下自動退出（見圖1）；機組正常啟停時，球閥油壓系統控制工作密封三通閥來操作工作密封進行投退，球閥檢修密封是手動操作，一般在機組檢修時投入起隔離作用。

圖1 工作密封投退示意圖

3.2 壓力監測

根據對球閥自激振現象的分析，為及時發現球閥有形成自激振的趨勢，對球閥工作密封投退腔壓力及球閥上游側壓力管道壓力進行數據采集和監控。

（1）張河灣球閥壓差控制系統工作原理為：將球閥閥前閥后壓力引入控制系統做差運算后，與設定值做比較后輸出開關量至監控系統，閥前閥后均裝設有壓力傳感器，并有機械式壓力表用來現地判斷工作密封和檢修密封的投入腔壓力，球閥閥前和閥后壓力只需要從球閥壓差控制箱將閥前閥后壓力值（4～20 mA模擬量）上送至監控即可。

（2）將球閥工作密封、檢修密封投入腔機械式壓力表替換為4～20 mA模擬量壓力傳感器。將傳感器輸出量引入監控，設置壓力高報警值為4 MPa，添加報警出口條件：球閥在全關位置，防止出現開停機球閥工作密封投退及球閥開關時水力沖擊誤報警，傳感器本身帶數顯，可在現地傳感器顯示字幕處讀取壓力值。

（3）退出腔壓力值檢測并不適用于張河灣電站，根據圖2可見，張河灣電站球閥工作密封退出腔正常情況下就是球閥閥芯水壓，在密封環投入時，退出腔也是存在水壓的，其本質上也是上游壓力水，即閥前壓力水。

此項改造完成后，球閥閥前和閥后壓力以及工作密封和檢修密封投入腔壓力，均通過球閥壓差控制系統上送監控，并實現實時監測各數據的功能（見圖 3）。

圖2 工作密封結構圖

圖3 改造后的球閥壓差傳感器布置圖

4 位移監測

球閥自激振的發生會伴隨著閥體的震動，增加1套閥體位移檢測裝置，將球閥的閥體位移作為是否發生自激振的判斷條件。選用瑞士埃默爾公司生產的位移傳感器進行安裝，與球閥壓差控制系統兼容，可充分利用現有球閥壓差控制系統的設備，僅增加一組位移傳感器及配套信號傳輸電纜、信號轉換模塊、信號隔離模塊。增設步驟如下：

將球閥位移傳感器支架焊接在球閥安裝基礎板上，在球閥支腿的X/Y 2個方向分別安裝2個位移傳感器，位移傳感器采用接觸式位移傳感器，上送4～20 mA模擬量至監控，設置報警值為正負1 mm（GE復核的張河灣球閥動水關閉最大位移量為 2.73 mm）。

圖4 位移傳感器布置示意圖

球閥位移監控系統在球閥壓差控制箱觸摸屏實時顯示，球閥位移量通過RS485將信號上送至球閥壓差控制箱（見圖6），在控制箱觸摸屏可以實時查看球閥位移情況及歷史位移數據曲線。球閥壓差控制箱通過通信模塊將壓力、位移模擬量信號上送至監控系統。見圖7。

圖5 位移傳感器現地布置圖

圖6 球閥位移控制原理簡圖

圖7 球閥壓差系統和位移系統顯示主畫面

此項改造完成后球閥X/Y方向位移量數據可以實時的送至監控系統操作員站，值守人員可以隨時查看相關數據和歷史曲線，并且球閥壓差控制系統將實時的更新位移量最大值，設置報警值為±1 mm，可以有效的發現水力自激振發生的前期現象，為故障處理提供依據并贏取時間。

5 球閥自激振時的緊急處置措施

分析各類實例，進一步分析發生球閥自激振的緊急處理措施總結如下：

（1）我廠球閥工作密封的投入依靠密封環上下游側的截面積不同形成的。當發生水力自激振現象時，可以首先退出工作密封，當工作密封投入腔無水壓時，球閥閥芯內有水壓時，工作密封可以可靠退出。

（2）我廠球閥設有旁通閥，在發現初期開啟球閥旁通閥，球閥旁通閥開啟可以通過遠方操作，我廠旁通閥為液壓閥，需要先啟動油壓系統，然后發令開啟旁通液壓閥。

（3）若旁通閥未正常開啟或水力自激振動壓力較大已影響到旁通閥的動作安全時，應禁止操作旁通閥，而投入自激源機組球閥檢修密封。

（4）在水力自激振動初期投入球閥檢修密封或退出球閥工作密封。若不確認哪臺機組球閥引起水力自激振動的情況下可按逐臺投入機組球閥檢修密封。

（5）若以上方法仍無法消除自激振動現象，應開啟球閥以消除自激振現象，在同一流道相鄰機組具備開球閥條件時，可以開啟同一流道的其他機組球閥。

（6）若機組在調相工況時發生水力自激振動，應先立即停止調相運行機組。

6 結論

張河灣公司充分利用現有的球閥壓差控制箱，將閥前/閥后壓力、工作/檢修密封投入腔壓力、球閥X/Y方向位移集成在球閥壓差控制系統內，在此控制系統內，不僅可以實時調取壓差控制系統原有上下游壓力值及壓差值，而且可以實時調取球閥工作/檢修密封投入腔壓力、球閥X/Y方向位移等數值和歷史曲線，方便維護人員監控球閥狀態。球閥壓差控制系統將球閥壓力、位移信號上送至監控，方便運行人員監測球閥狀態，遵循“提前預控、盡早判斷、快速處置”的原則，及時發現球閥自激振現象，縮短球閥自激振的事故處理時間，避免事故擴大。