深圳抽水蓄能电厂球阀动水关闭试验研究

胡勇健，李 展，张 晖，陈弘昊，刘士刚

(深圳蓄能发电有限公司，广东 深圳 518115)

0 概 述

球阀系统是抽水蓄能电站机组的重要设施，是关系整个厂房结构安全的关键设备，特别是在引水隧洞较长的抽水蓄能电站，球阀是电站地下厂房的安全屏障。

当调速器系统发生故障导叶无法可靠动作时，进水球阀就需要实现在动水条件下紧急关闭功能，以防止机组飞逸，避免事故扩大，保证地下厂房的人身设备安全。虽然要求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[1]，然而动水关闭球阀瞬间，由于水道中存在的水击作用产生的压力脉动通过活动导叶传至机组顶盖，造成机组和球阀剧烈振动[2]，上游水道压力急剧变化，水道动应力陡增，压力钢管存在爆裂的风险，严重威胁机组设备的安全运行[3- 4]，因此需要通过球阀动水关闭试验，验证球阀系统在不关闭导叶的情况下，能否可靠地动作阻断上游进入水轮机的全部流量，通过测量球阀动水关闭情况下压力变化和设备的振动位移确认是否超过制造厂家给出的最大允许值，从而评价球阀系统的抗振性能，考核机组、机械电气设备的各项性能是否满足设计要求。

深圳抽水蓄能电站采用“一洞四机”布置形式，每台机组进口均布置1台球阀，全厂共有4台300 MW水泵水轮机及相关设备，本次试验对象为1号机组及球阀和相关附属设备。

1 球阀动水关闭试验

1.1 测点布置

1.1.1动应力测点布置

根据结构受力特征以及机组运行工况分析，动水关球阀工况是所有运行工况中对混凝土支墩最不利工况，当动水关球阀时，机组引水道内产生的“水锤作用”将会使混凝土支墩应力达到峰值。因此动应力监测点布置在混凝土支墩上下游底部控制点，同时为了解混凝土支墩是否存在扭转现象，监测点左右对称布置，动应力测点布置如图1所示。

图1 球阀混凝土支墩动应力测点布置示意

1.1.2振动位移测点布置

球阀和混凝土支墩振动位移测点沿按机组进水道水流方向布置如图2所示。1、2号测点分别布置在球阀体和混凝土支墩右侧，3、4号测点分别布置在球阀体和混凝土支墩左侧，动位移监测点对称布置。依据上述振动位移监测结果可以评估球阀体相对混凝土支墩的移动是否满足设计要求，同时考核球阀体系滑动机构工作是否正常，监测结果对比可以评估球阀移动是否存在偏移现象。5、6号测点分别布置在伸缩节前、后的压力钢管上，伸缩节振动位移监测结果用于评估球阀体系伸缩节机构伸缩量是否满足设计和安装要求，同时检验进水阀系统伸缩节部分的工作状态。根据生产厂家要求，球阀体系滑动机构最大位移为10 mm；伸缩节最大工作位移为10 mm。

图2 1号机组球阀支墩、混凝土支墩及伸缩节位移传感器测点布置示意

1.2 试验项目

试验项目主要包括机组空转动水关闭球阀、发电带50%负荷动水关闭球阀、发电带100%负荷动水关闭球阀，按照机组所带负荷的从小到大逐步进行。每次进行球阀动水关闭试验后都要求对试验数据进行分析评估，确认所有的应力及位移变化数据均在安全范围内并对球阀本体及压力钢管进行检查后才能进行下一次试验。

2 试验结果与分析

2.1 混凝土支墩动应力监测及强度校核

通过前期安装的动应力传感器获取1号机组在不同试验条件下动水关球阀混凝土支墩所承受的最大动应力，数据如表1所示。

表1 不同工况球阀混凝土支墩实测最大动应力 MPa

根据监测结果，比较不同试验条件下的动水关闭球阀所产生的最大动应力情况，可以看出在空转关球阀工况和发电开机过程，混凝土支墩上下游面动应力接近。空转关球阀工况对混凝土支墩冲击最小，100%负荷动水关球阀对混凝土支墩冲击最大。机组发电开机过程中，上游流道内没有“水锤”作用，尽管混凝土支墩振动应力较大，但没有出现明显的应力不均情况。混凝土支墩强度校核采用承载能力极限状态方式[5]。表达式为

γ0S≤R

(1)

式中，γ0为结构重要性系数；S为承载能力极限状态的荷载效应组合的设计值；R为结构构件的承载力设计值(强度允许值)，进行抗震设计时，应除以承载力抗震调整系数。

深圳蓄能电站装机容量为 1 200 MW，安全等级为一级，γ0=1.1。球阀支墩采用C30标号混凝土，由于混凝土结构材料具有抗压性能远远高于抗拉性能，混凝土支墩安全评估采用最大拉应力值进行。混凝土抗拉强度设计值R取ft=1.43N/mm2。考虑结果重要性系数，实际抗拉强度设计值取1.30N/mm2。

根据动水关球阀试验结果，球阀混凝土支墩最大拉应力为0.558 MPa，计算结果远低于1.30 MPa，而且具有较大的安全裕度。

2.2 球阀体系振动位移及安全评估

球阀体系振动位移包括球阀体相对于混凝土支墩振动位移和伸缩节前后振动位移。前者评价球阀体在动水关闭球阀过程产生的振动位移以及相对于混凝土支墩的相对位移，后者评估伸缩节的工作情况。本次1号球阀不同工况下振动位移实测最大值如表2所示。

表2 不同工况球阀体、混凝土支墩及伸缩节控制点振动位移实测值 mm

根据试验过程中1号机组动水关球阀工况动位移监测结果，球阀体右侧产生的最大振动位移为0.909 mm，球阀体左侧产生的最大振动位移为0.918 mm，伸缩节最大动位移为0.998 mm，均发生在100%动水关球阀工况。

对比球阀体左右两侧动位移监测点的实测值可见，各种运行工况下球阀体两侧的振动位移值基本处于相同的位移水平，在所有运行工况中最不利工况下，计算球阀相对于混凝土支墩的滑动量和伸缩节前相对于伸缩节后的伸缩量，分别为右侧0.854 mm，左侧0.869 mm，伸缩量0.977 mm。表明 1号机组工作时球阀体没有产生较大的扭转变形。

根据球阀体、混凝土支墩及伸缩节系统振动试验统计数据显示，在100%负荷动水关球阀最不利工况下混凝土支墩(基础)最大振动位移为0.055 mm远小于基础结构允许界限。对比参考球阀生产厂家给出的球阀滑移工作允许值和伸缩节工作允许伸缩量，球阀滑动机构和伸缩节的工作振动位移没有超过1 mm，满足安全范围。

试验结果还表明，机组稳态运行时伸缩节也具有明显的减振效果，通过伸缩节前后压力钢管的动位移变化，可以看出当上游来水在主球阀系统引起较大脉动压力后，伸缩节前压力钢管的振动位移明显较大，通过伸缩节的缓冲作用后，伸缩节后压力钢管的振动位移显著减小。

通过上述试验过程中的监测结果，可以认为球阀基础下的滑动机构工作正常，可以避免球阀启闭动作时对混凝土支墩的冲击作用；球阀工作时，伸缩节可以有效缓冲上游球阀或脉动水流对蜗壳的冲击作用；混凝土支墩测点和伸缩节后测点与地下厂房的基岩基本处于一个大的弹性体上，上述测点振动位移都比较小表明深蓄电站地下厂房结构的抗振能力良好。

3 结 论

(1)机组负荷越大的情况下动水关球阀对应产生的动应力及振动位移也越大，100%负荷关球阀是最不利的工况。1号机组动水关球阀时，球阀混凝土支墩产生的最大拉应力为0.558 MPa，远小于混凝土材料抗拉设计值，而且具有足够的安全裕度，混凝土支墩结构强度校核满足设计要求。

(2)在机组动水关球阀最不利工况，球阀体系的振动位移是安全的，混凝土支墩基础的振动位移也是安全的。在机组动水关球阀最不利工况，球阀相对于混凝土中的最大滑移量、伸缩节的相对伸缩量远远小于生产厂家给出的允许值。在其它运行工况，振动位移也是在安全的范围内，而且具有较大的安全裕度。

此次深圳蓄能电站的球阀动水关闭试验监测结果表明，深蓄机组在任何运行工况下球阀均能动水关闭并且不会产生有害振动。球阀动水关闭时，球阀相对于混凝土支墩滑动装置工作正常，滑动量值小于设计要求；伸缩节工作正常，滑动量值小于生产厂家给出的允许值。球阀体相对于与球阀混凝土支墩之间的滑动，有效避免了混凝土支墩承受较大的“水锤”作用的影响；伸缩节系统对振动位移有较好的调节作用，可以较好保护蜗壳和机组，避免使之产生过大动应力与变形。