溧阳抽水蓄能电站进水球阀动水关闭试验

宋明亮，曹 扬，郜 斌，冯 沁

(1.江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司，江苏溧阳213334；2.江苏方天电力技术有限公司，江苏南京211102)

0 引 言

进水球阀是水轮发电机组的重要组成部分，当机组或调速系统发生故障时，进水球阀需要在动水条件下紧急关闭，以防止机组飞逸，避免事故扩大。因此，进水球阀在紧急情况下能够动水关闭，是水轮发电机组安全可靠运行的关键。GB/T 14478—2012《大中型水轮机进水阀门基本技术条件》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”。动水关闭球阀瞬间，由于水击作用，球阀上游压力会急剧变化，压力钢管动应力陡增，有爆裂的风险；球阀本体和机组也会产生剧烈振动，影响机组的安全运行[1]；此外，机组转速上升率、蜗壳最大压力上升值及尾水真空度等参数必须满足水轮机调保计算要求。

溧阳抽水蓄能电站引水系统采用“一洞三机”布置形式，每台机组进口均布置有1台进水阀，全厂共6台，本次试验对象为6号机组球阀。进水阀主要由上游延伸管、阀体、伸缩节、接力器、油压装置、管路及自动化元件等附件组成。机组与球阀基本参数：水轮机额定出力250 MW、水轮机额定水头259 m、水轮机额定转速300 r/min、水轮机额定流量110.5 m3/s、球阀进出口内径3 050 mm、球阀接力器行程1 919.3 mm、球阀接力器额定工作压力6.3 MPa、球阀正常关闭时间51 s。

1 动水关闭试验

1.1 必要条件

(1)各系统设备运行正常，电气和机械保护功能投入并动作正确，电气过速和机械过速保护可靠动作。

(2)开机前，检查锥管层球阀阀芯排水阀、球阀阀芯排气阀、蜗壳排水工作阀、压力钢管排水上游侧检修隔离阀、压力钢管排水针阀、压力钢管排水下游侧检修隔离阀均处于关闭状态。

(3)球阀检修密封在退出状态，球阀操作及控制油管路已加固；试验前，检查球阀开关程序，应避免活门未到全关位置时投入工作密封；避免工作密封未退出时转动活门；球阀旁通阀保持关闭。

(4)球阀系统和调速器系统紧急关闭回路正常。

(5)上库2号塔8扇闸门、下库2号闸门及6号机尾水闸门控制方式在远方位置，闸门在全开状态。

1.2 试验项目

主要包括空载动水关闭球阀试验、发电带50%负荷动水关闭球阀试验和发电带100%负荷动水关闭球阀试验，按照负荷由小到大逐步进行。每次动水关球阀试验后，都应对试验数据进行评估，确认所有的数据在设计安全的范围内，并对球阀及压力钢管进行常规检查。

1.3 试验测点布置

试验前，安装相关测点仪器。测试数据主要有球阀上下游压力、尾水进出口压力、球阀水平垂直振动、球阀水平位移、球阀接力器开关腔压力、导叶进出口压力等。

1.4 试验步骤

(1)6号机组发电工况带250 MW负荷运行，监测机组振动摆度和轴瓦温度正常后，向调度申请进行球阀动水关闭试验。

(2)试验人员做好录波准备，各处监测人员对试验过程中设备运行情况进行监视；若发现异常，则立即上报。

(3)调度许可试验后，将调速器电气柜控制方式切到SPC手动，导叶开度保持不变。同时，在球阀控制柜上将导叶全关信号短接。

(4)在机组监控系统中闭锁球阀异常关闭保护。

(5)检查机械刹车控制方式切至手动，保持退出状态。

(6)球阀控制方式切至手动位置，现地手动关闭球阀；检查机组是否有异常声响，当机组有功功率小于125 MW时，手动按下紧急事故停机按钮，检查导叶正常关闭，检查录波数据完整。

(7)手动复归事故停机信号并隔离机组，对6号机组进行全面检查。

2 试验结果分析

以发电带100%负荷动水关闭球阀试验过程为例。动水关闭球阀试验相关参数：试验前负荷253 MW、最大转速302 r/min(标准要求≤435 r/min)、球阀关闭时间45 s(标准要求45～55 s)、球阀上游压力最大值3 324 kPa、接力器开腔压力最大值7.87 MPa、尾水管进口压力最小值572 kPa(标准要求≥100 kPa)、蜗壳最大压力3.22 MPa(标准要求≤4.65 MPa)、球阀水平位移最大值1.83 mm(标准要求<4.51 mm)、球阀水平方向振动最大值281 μm、球阀垂直方向振动最大值304 μm、噪音110 dB。试验时，上库水位271.8 m，下库水位7.8 m，毛水头264.0 m。球阀上下游压力见图1。尾水进出口压力见图2。球阀水平垂直振动见图3。球阀水平位移见图4。导叶进出口压力见图5。

图1 球阀上下游压力

图2 尾水进出口压力

图3 球阀水平垂直振动

图4 球阀水平位移

图5 导叶进出口压力

球阀关闭时间为45 s，试验过程中机组转速上升很小，最高转速302 r/min。由图1～5可知，在关球阀过程中，出现了很大的压力脉动，机组及球阀产生振动，球阀本体水平方向振动最大值281 μm，垂直方向振动最大值304 μm，机组和球阀未出现明显的有害变形或损坏现象，各项压力指标均在安全范围内。球阀水平方向位移最大值为1.83 mm，小于球阀水平方向位移允许值4.51 mm。球阀接力器开关腔最大压力7.87 MPa，大于接力器设计压力7.5 MPa，但持续时间很短，影响不大。

球阀开度逐渐减小后，球阀处过流面变窄，过流条件变差，球阀振动逐渐增大，球阀上游侧压力逐渐增大，球阀下游侧、蜗壳及尾水压力逐渐减小。当负荷降至125 MW时，导叶快速关闭，从而出现了水击现象，导致蜗壳及球阀下游侧压力快速上升并出现很大的压力脉动现象，水击产生的压力脉动通过活动导叶传至机组顶盖，造成机组剧烈振动[2]；同时，由于水流被快速截断，在“反水击”作用下，尾水进出口压力快速上升；球阀上游侧也出现水击现象，球阀上游侧压力上升并出现压力脉动，造成球阀产生很大的振动，并出现一定的水平位移。

3 结 语

从溧阳抽水蓄能电站进水球阀动水关闭试验结果可知， 6号机组球阀动水关闭试验指标满足机组最大转速应不大于435 r/min、蜗壳进口中心线处的最大压力值应不大于4.65 MPa、尾水管进口最小内水压力不小于0.1 MPa的要求，各项数据符合《溧阳抽水蓄能电站球阀动水关闭水力过渡过程计算报告》要求。因此，溧阳抽水蓄能电站6号机组球阀具备动水关闭能力，可以确保电站厂房及机组设备的安全运行。