基于球閥動水試驗及預防措施的幾點探討

張偉　楊應武

【摘要】隨著我國經濟的快速發展，全球氣候變暖及能源枯竭問題備受人們關注。清潔能源尤其是水電機組的發展能夠解決經濟發展與環境之間的矛盾，球閥動水實驗的研究對球閥評價及相關設備安全穩定性，經過大量的實踐表明，采用不同負荷來對水電機組進行事故模擬，在水機構無法關閉的情形下，檢驗球閥在動水中關閉的能力大小，并對球閥的形變量及破壞程度進行研究。本文首先分析了球閥的動水實驗的前提條件，并結合實際案例給出了事故預想防范措施，希望本文的工作能為從事相關工作的人員提供一定的指導和幫助。

【關鍵詞】球閥動水實驗；實驗預先準備；案例分析

1、球閥動水實驗的準備工作

球閥動水實驗對水輪機的質量驗證具有至關重要的作用，在實驗開始時需要進行多方面的準備工作：（1）考慮到球閥動水關閉試驗影響范圍較大，屬于強力破壞性試驗，因此，應高度重視技術條件，并做好事故預想，并有相應的應對措施。對可能造成嚴重后果的預想應進行演練，確保所有參與人員具備相依的應急能力。（2）水輪機設備檢查。水輪機轉輪無異常，主軸密封工況良好，軸承油位油質、冷卻水、頂蓋排水、頂蓋補氣、導水機構、頂蓋把合螺栓等關鍵部位應無異常。（3）發電機及調速設備的檢查工作。發電機設備檢查：轉子、定子絕緣、直阻滿足要求，制動系統工況正常，軸承油位、油質滿足要求，冷卻水系統滿足要求，上機架基礎檢查、結構檢查無異常、推力軸承無異常，推導軸承瓦溫可控；調速設備檢查：主配壓閥、事故配壓閥、過速裝置、分段關閉裝置、接力器必須確保工作正常，調速器油壓裝置工作正常，油位、壓力滿足要求。必須進行機械過速模擬試驗，確保相應設備響應正確。（4）球閥設備及勵磁系統的檢查。關閉、開啟流程必須無誤，球閥活門、接力器、密封無異常，球閥上下游連接管、旁通管焊縫應無重大缺陷，球閥油壓裝置工作正常，油位、壓力滿足要求。相比與球閥設備檢查，勵磁系統的檢查偏于簡單，只需要確定勵磁回路絕緣正常，勵磁變壓器、勵磁調節柜、功率柜、滅磁開關柜確保工作正常，滅磁及過壓保護單元滿足要求。（5）廠房排水系統及監控系統的檢查。廠房排水系統主要檢查通道是否阻塞，并根據實際情況來增加排水管道數量。監控系統對于全面了解水電機組有很大幫助，因此實驗之前需要檢查集控中心、毛爾蓋電站上位機主機運行正常，通訊正常，開入、模入量、SOE量等數據與現地及各LCU一致。（6）模擬實驗。首先模擬在球閥動水關閉試驗期間的事故低油壓、瓦溫、冷卻水等事故停機試驗，此時應保證調速器能在相應開度關閉導葉。由于事故停機流程退出，主要驗證調速器壓力油罐的壓力及油量能滿足全關導葉即可，導葉關閉采用“急?！狈绞交蚴謩涌焖訇P閉方式進行。然后，退出電氣一級過速保護，模擬電氣二級過速及機械過速保護動作正常。最后，關閉導葉，靜水進行啟閉球閥試驗。試驗時，測量啟閉時間，滿足關閉時間要求，根據廠家試驗方案，其時間按廠家要求進行調整。

2、球閥動水試驗

該試驗的具體步驟為：（1）保證各部位人員到位，退出1F機組計算機監控系統有功閉環功能，并將機組無功降到最低運行狀態。另外，為了保證實驗的真實性，需要將PSS及一次調頻功能退出，且調速器控制切至“現地手動”狀態，調速器事故停機流程已經退出。（2）檢查其余保護均已投入無誤，通知運行人員，現場具備試驗條件，向省調申請試驗（試驗期間申請機組調頻運行），具備試驗條件后由現場指揮下達試驗開始命令，由運行人員按照球閥廠家要求，現地關閉球閥，值得一提的是閉過程中調速器人員應觀測頻率穩定及負荷變化情況，相關人員進行記錄。當球閥關閉時振動較大，水輪機紊流嚴重，因此球閥監測人員應進行各部位監測，在關閉過程中出現異常情況應立即按監控LCU A1柜內的“緊急停機”按鈕，跳開出口斷路器，關閉導葉，避免事故擴大。發生焊縫破裂嚴重的，球閥關閉后應立即通知調壓井人員落檢修閘門，切斷水源，避免事故擴大。（3）機組未能按預期跳開出口斷路器（編號：1DL）或關閉導葉時，按照如下處理方式進行應急處理：首先，負荷降至5至10MW區間時，LCU柜“緊急停機”按鈕不能跳開出口斷路器（編號：1DL）（響應時間應不得大于：3s），手動跳開斷路器（編號：1DL），然后，負荷降至5～10MW區間時，LCU柜“緊急停機”按鈕按下，導葉及出口斷路器未響應，應人工斷開出口斷路器（編號：1DL），手動快速關閉導葉，最后關閉球閥過程中機組出口斷路器（編號：1DL）斷開，轉速上升至一級電氣保護（應保證不動作），再上升電氣二級保護，此時調速器應能動作，關閉導葉，進入停機流程，并關閉球閥過程中機組出口斷路器（編號：1DL）斷開，轉速上升至一級電氣保護（應保證不動作），再上升電氣二級保護仍不能動作，在上升至145%機械過速，此時機械過速應動作，響應時間滿足要求。（4）實驗完成后的處理。對水工建筑進行全面檢查，水工專業監測流道及調壓井水工數據，并形成報告，全面檢查機組及電氣設備，完成上述試驗并試驗合格，全面檢查無誤，辦理結束工作票。

試驗所用傳感器參數為：速度傳感器采用本特利生產的330505型低頻速度傳感器，靈敏度20mV/mm/s，頻響范圍0.5～1000Hz（-3.0dB）、1～200Hz（-0.9dB）；速度型位移傳感器采用豪瑞斯生產的MLS/V-9型傳感器，靈敏度為8mV/um，頻響范圍為0.5～600Hz（-3dB）；電渦流位移傳感器采用本特利330180型傳感器，靈敏度8V/mm，頻響范圍0～10kHz（-3dB）；壓力傳感器采用通用生產的PTX5072型傳感器，精度為±0.2%，頻響范圍0～5kHz（-3dB）。

為進一步探究兩倍葉片過流頻率的傳遞情況，分別在穩態工況下繪制轉輪與底環壓力、轉輪與頂蓋間壓力、尾水進口壓力、蝸殼進口壓力、球閥上游側壓力測點的頻譜圖，并對頻譜根據以下原則進行歸一化：步驟1分別獲得每個測點的頻譜數據，并提取相應的兩倍葉片過流頻率幅值；步驟2計算全部測點兩倍葉片過流頻率幅值的最大值，以該最大值作為基礎進行歸一化操作；上述操作本質上是對兩倍葉片過流頻率幅值進行的歸一化，在歸一化時，由于轉頻的倍頻成分較100Hz幅值大，因此繪圖處理時，將大于1的幅值部分強制為1。

3、事故預想及防范措施

3.1機組防飛逸措施

機組飛逸轉速為550r/min，即167%過速。機組電氣二級過速保護為142%，機械過速保護為145%。將電氣二級保護投入及機械過速保護投入可以確保機組不發生飛逸現象。為了保證機組飛逸，確保安全，建議調速器只退出事故停機流程，緊急停機流程應投入，且確保正常。緊急停機流程啟動條件為以下5個條件任意一個滿足即啟動：（1）緊急停機按鈕動作；（2）機組機械過速保護動作；（3）機組轉速142%Ne且115%Ne；（4）事故停機過程中剪斷銷剪斷；（5）緊急關球閥按鈕。

3.2防抬機措施

機組進行動水關閉球閥時其關閉時間長，尾水迅速產生真空，形成真空抬機現象機率較小，但由于動水關閉其流速較大，壓力較大，小開度時水流紊流嚴重，如果在關閉過程中出現真空則真空效應比較大，其抬機后果應比較大。首先，應仔細檢查頂蓋把合螺栓，不得出現疲勞損傷現象，預緊力滿足圖紙要求。再次，應觀測關閉球閥期間尾水真空度及機組上浮量，當機組上臺量及尾水真空急劇增加時應立即按LCU柜“緊急停機”按鈕或手動快速關閉導葉進入停機流程。上抬量控制應以主軸密封及轉轉梳齒密封間隙確定。與此同時，由于導葉未關閉，因此要充分利用上游進水閥后真空破壞閥及頂蓋補氣閥。在試驗前應對兩只閥門進行專項檢查，確保工況正常。

3.3電氣保護部分

勵磁調節柜、功率柜、滅磁開關柜應設置專人監視，當關閉進水球閥時，跳開機端斷路器之后，為防止出現異?，F象導致機端過電壓、轉子過電壓等其他情況損害機組絕緣，應手動進行逆變滅磁，緊急情況下還可采用跳滅磁開關滅磁。

試驗前應對發電機保護裝置進行檢查，檢查保護裝置保護功能完善，保護定值正確，保護壓板按試驗要求投入，應保證電氣設備在保護范圍內。同時還應對主變壓器保護、廠變保護進行全面檢查。

3.4防倒送電措施

機組在帶負荷時關閉進水球閥，機組負荷逐漸降低，當負荷降至0以后，會由發出有功變為吸收系統有功。為防止出現上述現象損壞發電機組，發電機電氣保護不能退出，確保出現異常情況時能夠起到保護發電機的作用。同時，采用低負荷（約5～10MW負荷）急停，進入急停流程（按下LCU柜“緊急停機”按鈕），自動斷開出口斷路器。如果按下LCU柜“緊急停機”按鈕后，調速器未響應，其出口斷路器未斷開，機組未進入停機流程，現場監護人員應迅速手動斷開出口斷路器，并通知調速器監護人手動快速關閉導葉。

3.5防止水淹廠房措施

防止水房倒淹的措施有多種，具體為以下幾點：第一點，試驗前對廠房滲漏排水系統進行檢查，應進行水泵聯動試驗，確保滲漏排水泵能自動動作，排水能力滿足要求，且應能保證2F、3F機組在熱備用狀態，出現緊急情況時，及時開2F、3F機組于空轉，在消除水錘同時可以滿足過水能力，減輕泄水壓力。第二點，試驗時，球閥本體及尾水錐管測量建議采用探頭遠程控制，防止出現異常情況人員不能及時撤離，造成事故擴大化在出現異常情況，應立即按LCU柜“緊急停機”關閉導葉，終止試驗，并撤離現場，同時應通知調壓井人員落檢修閘門。如果事態不能控制，應同時通知進口水口人員落進水口事故閘門。第三點，根據公司事故應急處置程序，當發生異常情況時，現場指揮應立即啟動水淹廠房的應急預案。

4、結束語

由于引水系統在水平方向上對水的約束力較小，導致動位移較大，對球閥的啟閉系統有很大影響，后期運行過程中需要在該點進行強化監督和管理。另外，使用之前對球閥的動水實驗也是十分必須的，只有從這幾方面充分考慮，才能確保水電機組的球閥滿足工程實際要求。

參考文獻：

[1] GB/T 14478-2012《大中型水輪機進水閥門基本技術條件》

[2] DL/T 1068-2007 《水輪機進水液動水閥選用、試驗及驗收導則》

[3] 洪勉成 陸培文 高鳳琴主編 閥門設計計算手冊[M].北京，中國標準出版社，2015

作者簡介：張偉，（1980——），男，大專，從事水電站電氣維護工作。