高水头抽水蓄能电站球阀动水关闭试验研究_孙铭君.pdf

高水头抽水蓄能电站球阀动水关闭试验研究.高水头抽水蓄能电站球阀动水关闭试验研究孙铭君，刘 扬（中国水利水电科学研究院，北京）摘 要 高水头抽水蓄能电站机组进水口之前常安装有球阀，且球阀应具备在任何运行过程中动水关闭且不产生有害振动的能力。为检验球阀及其附属设备的动水关闭稳定性，本文进行球阀动水关闭试验。在机组带、（为额定功率）的情况下分别进行试验，对阀体和支座振动、阀体沿水流方向位移、阀前压力和转轮区压力脉动进行分析。结果表明，在导叶拒动的情况下，进水球阀能可靠地切断水流；机组各部件振动幅值较稳态工况更大，但都未发生异常振动。球阀在带 的最极端工况下仍能可靠关闭，且球阀及相关设备未产生有害变形和损坏。研究成果可为其他高水头抽水蓄能电站的球阀动水关闭试验提供参考。关键词 高水头抽水蓄能电站；电站球阀；动水关闭；振动幅值；压力脉动中图分类号 文献标志码 文章编号（），（，）：，；，：；基金项目：水力发电设备国家重点实验室开放课题（）前言抽水蓄能电站以其可发电、抽水双向运行的特性，在电网中担任着调峰、调频和紧急事故备用的重要作用，因此保证其安全、稳定、高效运行十分重要。对于高水头抽水蓄能电站，在水泵水轮机进水口之前常安装有球阀，用于：（）在导叶拒动的紧急情况下，快速切断水流，保证机组和压力管道安全；（）在机组检修时，阻挡水流以保证检修作业安全；（）在正常工况下，配合机组工况转换；（）在某些极端工况下，与导叶协联关闭以降低水击压力和飞逸转速。因此，进水球阀能否在紧急情况下安全、可靠地动水关闭至关重要。对球阀来说，在紧急情况下动水关闭是一种破坏性作业，威胁着引水系统、球阀自身和相关附属设备的运行安全。球阀动水关闭时，管道内水击压力所引发的压力脉动会造成阀门前、蜗壳进口和尾水管进.大 电 机 技 术口处的压力发生较大变化，机组和阀体剧烈振动，严重威胁管道和机组的运行安全。因此，需要进行球阀动水关闭试验，以检验在不关闭导叶的情况下，球阀能否可靠地切断水流；转轮区各处的压力变化、阀体和机组的振动情况是否满足调节保证计算要求，从而判断球阀动水关闭过程的安全程度及可靠性。在球阀安全运行方面，国内外学者已进行了大量研究，主要包括球阀 数值仿真和现场试验研究。李小芹等人通过内特性解析方法，等人采用外特性解析方法，仿真了球阀参与调节的水泵水轮机甩负荷过渡过程，导叶与球阀协联的合理关闭规律可有效改善机组的运行品质和减小水击压力。黄伟等人探究了球阀关闭规律对甩负荷时机组转速、蜗壳和尾水管进口压力的影响。基于 计算方法，和 等人模拟了球阀特性，探究了不同开度下阀体内流态和压力的变化规律。高慧等人采用非定常流数值模拟方法揭示了球阀内部高速流流态与阀体过流特性之间的关系。张飞等人探究了球阀动水关闭时机组和球阀主要特征频率的变化情况。胡勇健和唐拥军等人通过现场试验的方式，验证了在发电空载、带 负荷和带负荷情况下，目标电站的球阀能可靠地动水关闭。等人在稳态和非稳态条件下进行了球阀关闭试验，探究了阀体形状和球阀关闭速率对其过流特性的影响。王君，宋明亮和陈大森等人的试验结果表明，在最极端的甩 负荷情况下，目标电站的球阀阀体振动、阀体轴向位移、机组转速和各水压极值均满足规范要求。上述研究多集中于球阀参与调节的瞬态过程仿真、阀体过流特性模拟和动水关闭安全性试验验证等方面，而对于球阀在各种工况下动水关闭时各参数的动态变化过程还不甚清晰。在抽水蓄能机组朝着大容量、高水头方向发展的大背景下，机组的运行安全问题更加突出，而球阀作为除导叶之外的第二道保障措施，对保证机组的运行安全具有重要意义。因此，本文针对各工况下球阀动水关闭过程中各测点处的参数变化规律进行研究。本文以某抽水蓄能电站的 号机组、球阀及其相关附属设备为研究对象，阐述各种工况下球阀动水关闭试验的测点布置和试验方法，对测得的阀体位移和振动、机组振动、压力极值及脉动数据进行分析，验证试验机组进水球阀的动水关闭能力。球阀动水关闭试验简介进水球阀能在任何工况下实现动水关闭是水电机组可靠、稳定运行的关键。为揭示各工况下阀门动水关闭时阀体位移和振动、各测点压力极值及脉动数据的变化规律，本文进行了球阀动水关闭试验。.电站基本参数某抽水蓄能电站安装有 台 的混流式水泵水轮机，采用一管两机的布置形式。电站上库库容.，下库库容为.，上下游最大、最小水头差分别为 和 。管道系统总长近 ，其中上游引水系统和下游尾水系统各。电站机组和球阀的基本参数见表。表 机组及进水球阀基本参数名称参数数值水泵水轮机额定功率 额定流量（）.额定水头 额定转速（）设计压力.接力器设计压力.密封试验压力.进水球阀阀体试验压力.开启时间 关闭时间 开关方式双作用接力器，油压操作阀体向下游允许最大位移.为验证球阀切断水流的能力，试验时活动导叶保持开启状态，临时闭锁球阀非正常关闭引起的跳机信号，手动关闭球阀，在机组负荷满足试验要求时，分开发电电动机出口断路器，完成球阀动水关闭试验。.试验测点布置试验前，布置了部分稳定性测点（蜗壳进口、无叶区、转轮与泄水环间、尾水管进口）和阀体本身测点（接力器活塞腔压力、接力器活塞杆腔压力、阀体位移、接力器行程等），共有 个采样通道，采样时间间隔为.。测点布置情况如图 所示，测点描述见表。高水头抽水蓄能电站球阀动水关闭试验研究.图 阀体和水泵水轮机处的测点布置图.试验工况点本次球阀动水关闭试验在 、等四个工况点下，按照所带负荷从小到大的顺序逐次进行。每项试验结束后，对试验结果进行分析，经断定属于正常情况时，方可允许进行下一步试验。每次试验前、后均应对钢管、球阀和操作管路等进行一次安全检查。试验工况点的具体参数见表。表 测点描述测点编号描述传感器类型传感器型号阀前压力压力传感器蜗壳进口压力压力传感器接力器活塞腔压力压力传感器接力器活塞杆腔压力压力传感器阀体处阀体 方向位移位移型水平振动传感器阀体 方向位移位移型水平振动传感器接力器行程位移型垂直振动传感器接力器支座 方向振动速度速度型水平振动传感器接力器支座 方向振动速度速度型水平振动传感器接力器支座 方向振动速度速度型垂直振动传感器转轮与泄水环间压力压力传感器水泵水轮机处无叶区压力压力传感器尾水管进口压力压力传感器表 球阀动水关闭试验工况点参数表球阀动水关闭试验工况点上游水位.下游水位.导叶相对开度.机组有功功率.机组流量（）.机组相对转速.各工况下参数极值试验结果与分析球阀动水关闭试验前调整机组负荷至试验负荷并稳定运行一段时间，在机组运行正常后开始试验。导叶保持不动，球阀开始关闭，当有功功率减小到一定值后，手动按下紧急事故停机按钮，快速关闭导叶，机组停机。在不同负荷工况点下进行球阀动水关闭试验，并对测得的相关参数进行分析。.球阀阀体和接力器支座振动球阀动水关闭时，管道内水击压力升高，可能会导致阀体支座及阀体处的振幅增大，威胁阀体及管道的运行安全。通过安装的传感器获取 号机组各工况下球阀动水关闭时阀体和接力器振动参数极值，统计结果见表。表 球阀动水关闭时接力器支座和阀体的振动速度（）工况点关前稳定值过程最大值关前稳定值过程最大值关前稳定值过程最大值关前稳定值过程最大值接力器.接力器.接力器.阀体.阀体.阀体.大 电 机 技 术 球阀动水关闭至小开度情况下时，流态更不稳定，阀门处的水流力矩更大，较大的水流力矩使得球阀接力器和球阀阀体的振动情况加剧，且振动速度随着工况点负荷增加而整体呈现递增的趋势。由表 可知，随着所带负荷的不断增加，接力器支座振动速度相较于稳态值有所提升，但振动速度仍较小。对于球阀阀体，动水关闭时，阀体的振动速度增幅较大。随着所带负荷的增加，阀体振动速度峰值变化不大。.阀前压力上升率在球阀动水关闭时，随着阀门的不断关闭，阀体处出现了振幅较大的压力脉动，可能会威胁压力管道和阀体的运行安全。为探究在不同工况点下球阀动水关闭时阀前压力极值及其变化过程，测量并统计了阀前压力及上升率，见表。表 球阀动水关闭阀前压力上升率工况点球阀前压力 压力上升率 关前稳定值.过程最大值.关前稳定值.过程最大值.关前稳定值.过程最大值.关前稳定值.过程最大值.球阀大开度时过流较为缓和，小开度时过流较导叶更剧烈、过流流态更为紊乱。由表 可知，随着所带负荷增加，阀前压力变化不大。而球阀动水关闭时，随着阀门的不断关闭，球阀起到控流和增加水头损失的作用，阀体处出现了较大的水击压力，因此，阀前压力较稳态值有所上升。且随着所带负荷增加，对应工况点内管道流量的减小速率更快，阀前压力峰值不断增加，在带 时动水关闭球阀最为不利，阀前压力最大值达到了.，压力上升率为.。.试验结果分析在整个球阀动水关闭试验中，活动导叶拒动，水泵水轮机多次严重超出稳定工况运行，因此，各测点的位移和振动情况较为剧烈。整个试验过程的极值统计见表。由表 可知，在试验中，各测点参数极值均未超过允许值。其中，接力器杆腔最大压力最大，达到了，但仍有较大的安全裕度。类似的，接力器杆腔最大升压、蜗壳最大压力、蜗壳压力最大升压、阀体最大轴向位移等值也仍有较大的安全裕度，机组、阀体和压力管道运行安全。表 各工况下球阀动水关闭过程极值测量参数测量值允许值接力器杆腔最大压力 接力器杆腔最大升压 蜗壳最大压力 蜗壳压力最大升压 阀体最大轴向位移.球阀动水关闭动态过程分析由工程经验可知，球阀动水关闭时，机组所带负荷越大，阀体和机组处的压力脉动也越大，其中带动水关闭球阀时最为危险，可能会出现机组转速上升率过大、蜗壳进口压力极值过大、尾水管进口压力过小、阀体振动幅值或沿水流方向位移过大等问题。为探究目标机组在 工况下球阀动水关闭时机组和阀体的运行稳定性，本节对其展开研究。.机组稳定性分析球阀动水关闭时，导叶在前期不关闭，通过球阀切断水流，以保证机组和压力管道的安全。因此，阀门关闭时，可能会出现转速飞逸的不利情况。所以，有必要探究球阀的控流效果和机组转速的上升情况。当阀门动水关闭时，过程曲线如图 所示。由图 可知，动水关闭时，球阀全关的时长为。在球阀不断关闭的过程中，导叶开度先保持不变，然后，当机组所带功率达到某一特定值后快速关闭。球阀在大开度情况下的过流能力较强，因此，在球阀关闭前期，机组过流量减小速度较为缓慢；导叶开始关闭后，流量减速加快；最后，流量减小至零。机组转速在前期基本不变，在导叶开始关闭后，近似线性地快速减小。球阀动水关闭时，机组功率初值为.，随着试验进行，功率呈抛物线下降，当阀门开始关闭.后，功率减小至零。由图 中可知，球阀可以在 工况下可靠动水关闭，且导叶不关闭时，球阀能有效地控制流量。机组转速最大值上升较少，远小于调保计算要求，试验安全。.阀体沿水流方向位移情况分析在 工况下动水关闭球阀可能会造成引水管道内较大的水击压力，威胁阀门和管道的运行安全。阀体沿水流方向位移见表。高水头抽水蓄能电站球阀动水关闭试验研究.图 带 时进水球阀动水关闭综合曲线图表 阀体沿水流方向位移测试数据稳态过程最小 过程最大 停机 方向.方向.由表 可知，带 关闭球阀时，球阀阀体沿 方向位移的最大变幅为.，沿 方向位移的最大变幅为.，小于允许值.，阀体安全。.各测点压力脉动时、频分析在球阀动水关闭时，机组转轮叶片出水边可能会出现漩涡，并在泄水锥处开始出现螺旋漩涡，一直延伸到尾水管。漩涡的出现及发展可能会影响机组、厂房、蜗壳和尾水管处的振动情况，威胁机组的运行稳定性。因此，本节对蜗壳进口、转轮区、尾水管进口压力进行时、频分析，结果如图 所示。球阀动水关闭引起的管内水击可能会导致阀门和机组处出现较大的压力脉动，影响机组和管道的运行稳定性。阀门在第 开始关闭，在 时，阀门开度较小，近似以.开度缓慢关闭至。而在小开度情况下，球阀的过流情况较为剧烈，因此，各测点处压力脉动的幅值变大，并先后出现了极值。随着球阀不断关闭，阀门处的水力损失系数不断增加。因此，阀门处的水头损失先增加后减少，蜗壳进口压力整体则呈现出先减小，后增大，然后再减小的动态变化趋势，最大值为，满足允许值 的要求。当球阀开度小于.（约）后，随着球阀继续关闭，阀前压力的振幅增大；当球阀全关后，阀前压力趋于平稳。无叶区压力的变化趋势与蜗壳压力类似，最大值为.，安全裕度更大。图 蜗壳进口压力时频分析图（注：为实际分析频率，为机组转动频率，下同）.大 电 机 技 术图 阀前压力时频分析图图 无叶区压力时频分析图由图 中的频域分析结果可知，蜗壳压力、无叶区压力和阀前压力的脉动情况较为相似。在机组正常运行和球阀开始关闭的前 内，上述压力脉动的频率主要为 倍叶频，幅值约为 。当球阀关闭 时，球阀开度约为.，阀体处的过流较为紊乱，各压力的脉动频率分散为.倍，.倍和 倍叶频，其中蜗壳压力、阀前压力和无叶区压力的幅值分别约为，和。阀门全关之后，各测点压力的脉动情况逐渐减弱。转轮区与泄水环间压力的变化趋势与蜗壳压力也较为类似，先减小后增加，过程最大值为.，满足允许值的要求。在小开度时，压力脉动幅值更大。在阀门关闭前 内，压力脉动的主要频率为 倍叶频，幅值为，同时也存在着幅值为 的.倍，.倍和 倍叶频的压力脉动。当阀门关闭至小开度区域，过流变得紊乱之后，压力脉动变强、幅值增大。主要频率仍为 倍叶频，幅值上升为 左右；其他频率的压力脉动也得到了增强，幅值增加至。阀门全关之后，倍叶频的主要频率缓慢降低，近似线性地减小为 倍叶频。同时，倍叶频也缓慢减小为.倍叶频。如图 所示。图 转轮区与泄水环间压力时频分析图高水头抽水蓄能电站球阀动水关闭试验研究.尾水管进口压力在小幅上升后减小，然后大幅上升，过程最小值为.，满足尾水管真空度不大于 水柱（）的要求。尾水管压力的脉动情况较弱，幅值较低。在阀门关闭的整个过程中，尾水管压力脉动的主要频率为 倍，倍叶频，幅值约为。在球阀小开度情况下，尾水管进口压力的脉动情况变得紊乱，脉动频率变幅加大。球阀关闭后，压力脉动减弱。如图 所示。图 尾水管进口压力时频分析图试验结果表明，球阀小开度时的过流情况较为紊乱，各测点处压力脉动的幅值变大，并先后出现了极值。在试验前和阀门关闭的前期，压力脉动的主要频率为 倍叶频。当阀门关闭至小开度工况后，压力脉动情况变强，主要频率仍为 倍叶频，但陆续出现了一些其他频率的脉动。阀门全关后，压力脉动情况减弱。各项参数的极值和振动情况都随着所带负荷的增加而增加，因此在动水关闭前应尽量减小所带负荷，避免在满负荷情况下动水关闭。且阀门关闭时间越短，所造成的水击压力越大，阀体及其支座的位移也会增加。因此，球阀应在允许范围内尽可能慢地关闭，以减小蜗壳压力、阀前压力和提升尾水管进口压力。结论本文通过现场试验的方式，揭示了进水球阀在、等四个工况点下动水关闭时，压力管道、进水球阀和机组各测点位置处振动和压力脉动的变化规律，验证了动水关闭试验的稳定性和可靠性。通过本次球阀动水关闭试验，可以得到如下结论：（）球阀动水关闭时，机组各测量点的振动幅值较稳态工况更大，阀体振动明显增强；随着所带负荷增加，阀前压力上升率也不断增加，但尚未超过允许值。试验后，机组重新开机至稳态工况，球阀各部位振动幅值正常，表明球阀动水关闭试验未对球阀造成损害。（）试验时，机组各测点压力脉动幅值都有所增大，其中蜗壳进口压力脉动和转轮与顶泄流环间的压力脉动增幅最大，但都未超过允许值，机组及压力管道运行安全。（）试验时，机组各测点压力脉动的主要频率为 倍叶频，且随着球阀关闭至小开度工况，压力脉动情况变得更为复杂，频率组成成分更多，脉动幅值更大。阀门关闭后，压力脉动情况减弱。（）试验过程表明，目标球阀具有动水关闭能力，能可靠地切断水流。在后续运行过程中，进水球阀能够安全可靠地实现动水关闭。球阀动水关闭前，应尽量减小机组所带负荷，且使得球阀关闭速度在允许范围内尽可能慢，以减小机组和阀体处的水击压力。参 考 文 献 罗远翔，李鑫明，潘超，等 含风电的双馈抽水蓄能机组协调调频策略 电力系统保护与控制，（）：于辉，彭绪意，周建中，等 抽水蓄能电站甩负荷球阀动水关闭过程流固耦合研究 水电能源科学，（）：张亚武，郑凯，周建中，等 抽水蓄能电站甩负荷主进水阀动水关闭过程内部流场仿真 中国农村水利水电，（）：.大 电 机 技 术 温飞飞，尤建锋，陈泓宇，等 基于 的球阀关闭对水泵水轮机飞逸过程影响的分析 水电能源科学，（）：黄伟，杨开林，郭新蕾，等 抽水蓄能电站极端甩负荷工况球阀协同调节 清华大学学报（自然科学版），（）：韩伶俐 对抽水蓄能电站球阀参与机组甩负荷流量调节的几点看法 大电机技术，（）：冯雁敏，于粟 某抽水蓄能机组动水关闭球阀试验分析 东北电力技术，（）：宗树冬，朱冲，王国晨，等 水轮机进水球阀接力器爆管原因及改进 水电能源科学，（）：张涛，钟庆 仙游抽水蓄能电站球阀系统若干事件分析及处理 抽水蓄能电站工程建设文集 长沙：中国水力发电工程学会电网调峰与抽水蓄能专业委员会，：赵盛巍，郑冬飞，张彬 浅谈十三陵抽水蓄能电站 号机球阀改造设计研究 抽水蓄能电站工程建设文集 北京：中国水力发电工程学会电网调峰与抽水蓄能专业委员会，：，（）：李小芹，常近时，李长胜，等 抽水蓄能电站中球阀协同导叶关闭的水力瞬变过程控制方式 水利学报，（）：，（）：，：，：，（）：高慧，唐学林，李小芹，等 水电站大口径进水球阀流动特性的数值模拟研究 水电站机电技术，（）：张飞，唐拥军，王国柱，等 球阀动水关闭过程中球阀与机组稳定性分析 振动与冲击，（）：胡勇健，李展，张晖，等 深圳抽水蓄能电厂球阀动水关闭试验研究 水力发电，（）：唐拥军，张飞，邓磊，等 张河湾抽蓄水电站球阀动水关闭试验分析 水电能源科学，（）：，（）：王君，曹春永，何忠华，等 黑麇峰抽水蓄能电站球阀动水关闭试验分析 水电站机电技术，（）：宋明亮，曹扬，郜斌，等 溧阳抽水蓄能电站进水球阀动水关闭试验 水力发电，（）：陈大森，李明 某抽水蓄能电站球阀动水关闭试验分析 人民黄河，（）：于浩 基于粒子群算法与自适应 控制的给水系统优化研究 节能技术，（）：，李任飞，李海军，刘振龙，等 六喷嘴冲击式水轮机的飞逸特性研究 节能技术，（）：收稿日期 作者简介孙铭君（），年毕业于吉林大学，硕士研究生，现主要从事水泵水轮机性能试验及相关分析计算工作，工程师。