惠州抽水蓄能电站球阀动水关闭试验研究

时间：2024-07-28

林恺，蒋寅军

(1．惠州蓄能水电厂，广东惠州 516100;2．武汉大学，湖北武汉 430072)

进水阀门能否在紧急情况下实现动水关闭，是水轮发电机组或水泵能否正常可靠运行的关键。《大中型水轮机进水阀门基本技术条件》中规定:“机组在任何工况下，进水阀门应能动水关闭”。机组运行过程中，紧急状态下关球阀既是对球阀工作情况的考验，也是对机组引水系统及相关设备(球阀、伸缩节、压力钢管、混凝土球阀支墩等)承载能力的考验。动水关球阀瞬间，由于“水击”的作用，上游水道的水流压力会产生急剧变化，压力钢管动应力可能达到静水压力的几倍甚至数10倍，球阀基础板将承受球阀惯性力与接力器动作而产生的竖向和水平向作用力，进而引起支墩结构的一系列动力响应，甚至有可能引起厂房结构产生不利振动。由于抽水蓄能电站运行的特殊性以及“水击”作用的随机性，“水击”作用下球阀、伸缩节、压力钢管、球阀支墩等结构的抗振设计没有现行规范，一般都根据经验通过提高安全系数的方式进行处理，既不经济也不科学。因此有必要在动水关闭球阀的过程中，测量上述各类构件的动力特性 (频率等)和动力响应 (加速度、动位移、动应力等)，以此评估它们的抗振性能和安全性，可以为电站的安全运行提供管理依据。

本次试验对象为惠州抽水蓄能电站B厂5号机组球阀。电站水轮机工况设计最大水头553.67 m，额定出力306.12 MW;水泵工况最大扬程 566.12 m，最大入力 330 MW，额定转速500 r/min，其引水支管采用600 MPa高强钢板内衬。球阀支墩二期浇筑钢筋混凝土结构，混凝土设计强度为C25。

1 试验情况

1.1 测点布置

图1，2表明，试验布置在球阀和球阀支墩上应变测点18个，加速度测点5个，位移测点13个，其中球阀支墩应变测点1布置在二期混凝土底部，测点2，3布置在支墩一、二期混凝土施工缝上下侧。

图1 球阀测点示意图

图2 球阀支墩测点示意图

1.2 试验工况

试验时球阀处于全开位置，水轮机导叶开度保持不变，发电工况并带指定负荷 (空载、50%负荷、100%负荷)时操作球阀关闭按钮，实现动水关闭球阀。当球阀开度指示灯确认球阀已全关时，立即将导叶关闭使机组进入调相运行或停机。

2 试验结果与分析

2.1 动应力

图3为典型动应力时程曲线。

各种工况下引水管道各构件与球阀混凝土支墩的动应力最大值如表1和表2所示。

动应力实测结果表明:

图3 100%负荷关球阀工况典型动应力时程曲线

表1 上下游钢管、球阀动应力最大值 MPa

表2 球阀支墩动应力最大值 MPa

(1)钢管动应力时程曲线反映了钢管动应力随球阀关闭过程的变化情况。球阀关闭时，出现一个明显的冲击波如图3，表明在关球阀的过程中，压力钢管受到水击作用，球阀全部关闭后，动应力迅速减小。各工况各测点时程曲线上冲击波持续时间约35～60s，而球阀动水关闭所经历时间约30s，表明球阀关闭之后，水击作用还会持续一定时间。各测点环向动应力与轴向动应力相位差180°，表明水击作用使钢管变形呈现一张一弛的特点。

(2)负荷越大时动水关球阀，对应压力钢管的动应力越大，100%负荷关球阀工况是最不利工况 (动位移与加速度试验结果有相同结论)。如表1该工况下，钢管的环向动应力最大值为46.51 MPa;轴向动应力最大值为27.66 MPa。叠加根据水道充水试验结果推算出设计水位 (▽762.00 m)下压力管道的轴向静应力63.68 MPa、环向静应力143.42 MPa，得到压力钢管承受的实际最大轴向应力91.34 MPa，最大环向应力189.93 MPa，均小于钢管材料的允许应力 (610 MPa)，满足强度要求。

(3)球阀上、下游压力钢管的动应力分布规律完全不同。如100%负荷关球阀工况，球阀上游压力钢管轴向动应力约为其环向动应力的1倍;而球阀下游端压力钢管则是环向动应力远远大于轴向动应力。根据管道管壁环向应力还可得到管壁承受的冲击压力 (表3)，表明球阀下游端压力钢管承受的环向水击压力远大于球阀上游端压力钢管。

表3 100%负荷关球阀时水击对管壁的压力MPa

(4)伸缩节后的轴向动应力比伸缩节前的轴向动应力大，而二者环向动应力接近。表明伸缩节可以显著调节伸缩节前后压力钢管轴向动应力，而对改变钢管的环向动应力作用不显著。

(5)球阀本体动应力水平很低，而且远远小于其它部位。表明其设计满足安全性要求，日常运行维护应当重点关注球阀运行的灵活性与可靠性。

(6)球阀混凝土支墩最大动应力也发生在100%负荷关球阀工况。将水道充水试验获得的混凝土支墩对应部位最大静应力与实测动应力结果叠加，得到球阀混凝土支墩底部承受的最大拉应力值为0.925 MPa、分缝处最大拉应力为0.597 MPa，上述应力值小于支墩混凝土轴心抗拉强度 (1.27 MPa)。也小于取最不利疲劳强度修正系数γp=0.74时对应的轴心抗拉疲劳强度设计值fft=0.74×1.27=0.940 MPa。混凝土支墩满足强度要求。

(7)位于球阀混凝土支墩施工缝的两侧的测点2，3动应力量值非常接近，表明动应力对施工缝影响不大。利用推算的水击冲击力对球阀支墩产生的推力，推算得到100%负荷关球阀时施工缝所承受的水平剪应力约为0.052 MPa，表明动水关球阀时产生的水平推力，对施工缝剪切作用也很小。

(8)动水关球阀过程属于瞬态的过渡过程，而机组正常运行是稳态过程，50%负荷和100%负荷2种稳态运行工况下的动应力值测试结果表明，机组稳态运行时，各测点的动应力变化很小，环向和轴向动应力也比较接近，压力钢管承受的最大环向动应力为1.71 MPa，最大轴向动应力为1.32 MPa，远远小于瞬态过程的动应力。表明机组在正常运行工况下，引水管道的应力满足设计要求。

3.2 动位移

机组在运行过程中，动位移是评价引水系统各构件抗振性能重要指标。不同运行工况下各测点的动位移最大值如表4所示。

表4 机组引水系统各构件动位移最大值 mm

动位移实测结果表明:

(1)建筑物设备和基础结构动位移允许值为〔u〕=0.406 mm。试验测得机组正常运行时，压力钢管最大水平向动位移0.128 mm;最大轴向动位移0.098 mm;最大垂直动位移0.084 mm，球阀和混凝土支墩的动位移小于0.016 mm，均在允许范围内。而在瞬态过渡过程中，压力钢管动位移均大于允许值。球阀混凝土支墩除在100%负荷关球阀工况下垂直动位移 (0.728 mm)大于允许值，其它工况动位移均小于允许值。

(2)球阀上游压力钢管的轴向动位移远大于垂直和水平方向动位移，球阀与伸缩节之间压力钢管轴向和水平向动位移远大于垂直方向动位移，经过伸缩节后压力钢管3个方向的动位移接近，表明伸缩节对关球阀产生的水击作用有明显的缓冲作用。

(3)各构件垂直方向的动位移一般要明显小于其它2个方向上的动位移。说明水击作用对垂直方向的作用较小，这与引水系统垂直方向的约束较强有关。水平方向动位移较大可能对伸缩节的长期安全运行不利。

(4)球阀前压力钢管的轴向与水平向动位移(特别是水平向动位移)小于球阀后压力钢管的相应动位移，表明球阀上游水击作用被缓冲，而球阀后的压力钢管情况则不同。

(5)设计要求球阀基础与混凝土支墩之间应该允许相对滑动，以此消除可能通过球阀传递到混凝土支墩上的巨大推力以及机组运行对支墩产生的交变荷载的影响。50%负荷与100%负荷关球阀工况下，球阀与混凝土支墩的相对位移分别为0.4 mm与0.9 mm，表明球阀与混凝土之间存在明显的相对滑移。而且混凝土支墩垂直方向动位移大于水平方向的动位移，表明球阀与混凝土支墩之间的滑移减弱了水击对混凝土支墩的水平冲击作用，混凝土支墩垂直振动主要是由于引水系统的垂直振动引起的。

2.3 加速度

各工况各加速度测点实测结果如表5所示。

表5 上下游钢管、球阀加速度最大值g

加速度实测结果表明:

(1)负荷越大时关球阀，结构的加速度响应越大。关球阀时引水系统最大加速度为1.675 g，出现在100%负荷工况，球阀前端引水钢管。而且球阀前端引水钢管的加速度值在任何工况下都是最大，伸缩节后端的加速度明显小于其前端的加速度值，表明关球阀瞬间，进水口压力钢管首先受到冲击，通过球阀和伸缩节的作用，惯性作用逐渐减小，伸缩节具有明显的缓冲作用。

(2)在动水关球阀各种工况，球阀两端加速度值比较接近，说明球阀整体基本上是刚体振动。可以根据加速度实测结果近似推算球阀承受的惯性力。如100%负荷关球阀时，取球阀体质量m=64 000 kg，加速度a=12.2 m/s2(球阀体上下游端加速度平均值)，可得F=ma=781 kN(其中189 kN传递到混凝土支墩)。