蓄能机组泵工况启动过程中球阀动水力矩分析

李长胜，董政淼，罗 胤

（天池抽水蓄能有限公司，河南省南阳市 473000）

蓄能机组泵工况启动过程中球阀动水力矩分析

李长胜，董政淼，罗 胤

（天池抽水蓄能有限公司，河南省南阳市 473000）

本文针对国内某抽水蓄能电站机组在抽水调相转抽水工况过程中多次出现球阀开启失败的现象，分析当时工况下水力相关数据，查找球阀开启失败原因，给出相关结论并提出防止类似事件发生的解决方案，对抽水蓄能电站球阀的设计制造、运行控制有重要借鉴意义。

蓄能机组；球阀；动水力矩；分析

1 概述

抽水蓄能电站中球阀作为机组启动、停机或检修时截断水流的设备，安装在压力钢管与水泵水轮机蜗壳进口延伸段之间。国内某抽水蓄能电站机组在抽水调相转抽水工况转换过程中多次出现球阀开启失败的现象，本文简要论述该事件过程，分析该工况下动水力矩对球阀开启过程的影响。

该电站球阀结构型式及相关参数：卧轴双密封，双接力器，油压操作两侧直缸摇摆式主阀；额定操作油压6.4MPa， 最大工作水头394m，最大动压水头510m。接力器活塞直径240mm。

2 过程简述

从电站生产运行记录查询到，该电站在2015年1月11日至2月16日，该机组泵工况启动39次，发电工况启动43次，共发生4次球阀开启失败，均发生在抽水启动工况，抽水失败率为10.3%。事件记录见表1。

表1 机组泵工况失败记录

3 现象分析

故障发生后，现场运维人员从球阀控制回路和机械动力回路两方面入手查找原因。

控制方面从位置开关松动、位置信号无反馈、信号继电器未正常动作等一系列可能出现的因素进行分析并逐一排除。

机械动力回路从球阀接力器缸体窜油、球阀接力器供排油管路阻塞、电磁阀故障导致油路不畅、球阀活门与阀体间异物卡涩、球阀下游密封退出不到位或发生形变导致与活门接触卡涩、球阀枢轴轴套内壁形变或脱落阻塞开启等6个方面分析并逐个排除，通过采集球阀开启正常和失败时的开启腔、关闭腔压力曲线进行分析（每格5s红色为开启腔、蓝色为关闭腔）。

1月11日：开启腔起始压强5.7MPa，持续20s后，再经20s逐渐上升至6.4MPa。关闭腔起始压强6.8MPa，维持在6.4MPa（见图1）。

图1

2月8日：开启腔起始压强5.7MPa，持续18s后，再经20s逐渐上升至6.4MPa。关闭腔起始压强6.7MPa维持在6.4MPa（见图2）。

图2

2月15日：开启腔起始压强5.7MPa，持续20s后，再经18s逐渐上升至6.4MPa。关闭腔起始压强6.7MPa维持在6.4MPa（见图3）。

图3

2月16日：开启腔起始压强5.7MPa，持续18s后，再经20s逐渐上升至6.4MPa。关闭腔起始有抖动，最高达 9.5MPa，2s后降至 6.7MPa，维持在 6.4MPa（见图 4）。

图4

1号机水泵工况开启成功：开启腔起始压强5.7MPa，持续28s后，上升至6.4MPa。关闭腔起始压强在6.8MPa，维持在6.4MPa（见图5）。

图5

经过曲线比对分析发现：4次球阀开启失败时，球阀接力器开启腔压力均满足球阀正常开启要求，压力曲线雷同，持续约20s后开启腔压力达到额定压力（6.4MPa），而开启成功的时候开启腔压力持续28s后达到额定压力（6.4MPa），与球阀正常开启时平均值30s相近。

现场人员联同主机设备厂家依次对压力曲线和相关数据进行分析，最终确定动水力矩的影响是导致球阀在抽水启动过程中开启失败的主要原因。

4 动水力矩原理

根据动力学原理， 动水压力与动水力矩和水流流速的平方成正比，方向为朝着有利于阀门关闭的方向。而几何相似和位置相似的物体， 其所有表面作用力与表征尺寸的平方成正比，作用力矩则与表征尺寸的立方成正比。这样水头损失H、动水压力Pa和动水力矩Ma为：

D—— 活门直径（封水直径），此电站球阀活门直径2700mm；

v—— 活门不同转角下阀门进口断面的水流平均速度，m/s。

式中：H——计算水头；

ξ（0）——活门全开时阻力系数；——活门全开时流速，m/s；

Q——活门全开时通过的流量。

将式（2）代入式（1）中：

表2为模型球阀试验双面密封球阀的实验系数。

表2 模型球阀试验双面密封球阀的实验系数

得出动水力矩关系和额定流量关系曲线，见图6。

图6 额定流量下，动水力矩与活门开度关系曲线

5 结论推断

该电站机组泵工况启动监控流程为：关闭蜗壳平衡阀→判断蜗壳平衡阀、充气阀关闭→调用排气回水程序、发球阀开命令→判断球阀开度≥40%及溅水功率≥-40MW→开导叶。球阀PLC开启控制逻辑为：收到监控给出的开启球阀命令后，打开旁通阀，退出球阀下游密封，球阀控制柜在收到下游密封三个位置的退出信号和球阀上下游平压信号后，开启球阀本体。

结合以上动水力矩原理及故障现象进行分析，对比球阀开启失败与成功的时间记录（见表3）。

表3 球阀开启发令与反馈时间记录

从表3可知，球阀旁通阀开启时间基本不变，在10～12s之间；下游密封退出时间为82s、35s、44s、46s、6s，球阀开启失败发生在下游密封退出时间较长的情况，在30s以上。

球阀下游密封退出速度正常时：当进水阀开启到40%时，由于导叶未开启，溅水功率还不满足要求，等到溅水功率达到-40MW时，导叶才开始动作，此时球阀开度已达到100%；球阀在静水中开启，无动水力矩影响。

球阀下游密封退出速度较慢时：溅水功率已达到-60MW，球阀在40%开度后，水流通过球阀，有较大动水力矩，动水力矩阻止活门开启，无法使球阀达到全开。

6 验证及处理

为验证此结论，3月3日在1号机组抽水试验时，运维人员模拟下游密封退出延迟现象，发现球阀开度至50%～80%时，开启迟缓、不顺畅，至开度90%左右停止不动，现地测量球阀接力器长度为1840mm，而正常全开长度应为1980mm（现象与此前球阀开启失败现象雷同）。现场手动停机。此次试验，验证了下游密封退出延迟，致使球阀在开启过程受到较大动水力矩，阻碍球阀正常开启的分析结论是成立的。

经理论计算，蓄能机组泵工况启动过程中，球阀在动水力矩影响的条件下，初始开度需大于70%方可保证球阀正常开启。

现场工作人员判断下游密封退出延迟为内部结构变形所致，在此期间为保证该机组抽水调相转抽水工况启动的成功率，结合理论计算值，优化该机组监控程序如下：将原判断球阀开度≥40%及溅水功率≥-40MW后开导叶，改为判断球阀开度≥70%及溅水功率≥-40MW后开导叶，避免球阀在动水中开启。

该机组监控程序修改完毕后，工作人员多次模拟泵工况启动过程中下游密封退出延迟现象，球阀均成功开启。

7 经验教训

该类型球阀液压原理为：发出开启球阀命令，电磁阀（AD510）带电，其阀芯移至交叉位后驱动球阀配压阀（AQ510）动作，使压力油管路、球阀接力器开启腔管路和球阀接力器关闭腔管路连通。

开启时球阀接力器上下端面在相同压强作用下，由于其下端面受力面积为接力器缸体截面面积。上端面受力面积为接力器缸体面积减去活塞杆截面面积，故上下断面受力截面差为活塞杆截面面积，在此作用力下球阀缓慢开启，直至全开。

根据球阀开启原理分析，若在动水力矩的影响下成功开启有以下三种方案：

（1）增大接力器活塞杆直径。

（2）增大接力器操作油压。

（3）改变电磁阀结构，使球阀开启时候开启腔带压，关闭腔不带压。

8 结束语

动水力距的存在影响到球阀的安全稳定运行，在球阀接力器操作力矩的设计中需将动水力矩的影响因素考虑在内。本文通过实际事例阐述了动水力矩对球阀的影响，对类似水电机组球阀的设计制造、运行控制逻辑具有重要借鉴意义。

李长胜（1979—），男，硕士研究生，高级工程师，主要从事水电站机电设备管理。E-mail：huashui318@163．com

董政淼（1987—），男，大学本科，工程师，主要从事水电站电气二次管理。

罗 胤（1986—），男，大学本科，工程师，主要从事水电站电气二次管理。

Analysis on MIV Hydraulic Torque during Pumped Storage Unit Startup under Pump Mode

LI Changsheng，DONG Zhengmiao，LUO-Yin
（Henan Tianchi Pumped Storage Co.，Ltd.，Nanyang 473000，China）

For MIV opening failure phenomena PC-PU mode in domestic pumped storage power station, the article makes analysis on the hydraulic torques under these conditions in order to find out the reason of MIV opening failure. It gets relevant conclusions and provides solutions to prevent similar problems from happening. It is very important for reference in MIV design, manufacture& operation control of pumped storage power station.

energy storage unit, MIV; hydraulic torque; analysis