蓄能機組泵工況啟動過程中球閥動水力矩分析

李長勝，董政淼，羅 胤

（天池抽水蓄能有限公司，河南省南陽市 473000）

蓄能機組泵工況啟動過程中球閥動水力矩分析

李長勝，董政淼，羅 胤

（天池抽水蓄能有限公司，河南省南陽市 473000）

本文針對國內(nèi)某抽水蓄能電站機組在抽水調(diào)相轉(zhuǎn)抽水工況過程中多次出現(xiàn)球閥開啟失敗的現(xiàn)象，分析當時工況下水力相關(guān)數(shù)據(jù)，查找球閥開啟失敗原因，給出相關(guān)結(jié)論并提出防止類似事件發(fā)生的解決方案，對抽水蓄能電站球閥的設(shè)計制造、運行控制有重要借鑒意義。

蓄能機組；球閥；動水力矩；分析

1 概述

抽水蓄能電站中球閥作為機組啟動、停機或檢修時截斷水流的設(shè)備，安裝在壓力鋼管與水泵水輪機蝸殼進口延伸段之間。國內(nèi)某抽水蓄能電站機組在抽水調(diào)相轉(zhuǎn)抽水工況轉(zhuǎn)換過程中多次出現(xiàn)球閥開啟失敗的現(xiàn)象，本文簡要論述該事件過程，分析該工況下動水力矩對球閥開啟過程的影響。

該電站球閥結(jié)構(gòu)型式及相關(guān)參數(shù)：臥軸雙密封，雙接力器，油壓操作兩側(cè)直缸搖擺式主閥；額定操作油壓6.4MPa， 最大工作水頭394m，最大動壓水頭510m。接力器活塞直徑240mm。

2 過程簡述

從電站生產(chǎn)運行記錄查詢到，該電站在2015年1月11日至2月16日，該機組泵工況啟動39次，發(fā)電工況啟動43次，共發(fā)生4次球閥開啟失敗，均發(fā)生在抽水啟動工況，抽水失敗率為10.3%。事件記錄見表1。

表1 機組泵工況失敗記錄

3 現(xiàn)象分析

故障發(fā)生后，現(xiàn)場運維人員從球閥控制回路和機械動力回路兩方面入手查找原因。

控制方面從位置開關(guān)松動、位置信號無反饋、信號繼電器未正常動作等一系列可能出現(xiàn)的因素進行分析并逐一排除。

機械動力回路從球閥接力器缸體竄油、球閥接力器供排油管路阻塞、電磁閥故障導(dǎo)致油路不暢、球閥活門與閥體間異物卡澀、球閥下游密封退出不到位或發(fā)生形變導(dǎo)致與活門接觸卡澀、球閥樞軸軸套內(nèi)壁形變或脫落阻塞開啟等6個方面分析并逐個排除，通過采集球閥開啟正常和失敗時的開啟腔、關(guān)閉腔壓力曲線進行分析（每格5s紅色為開啟腔、藍色為關(guān)閉腔）。

1月11日：開啟腔起始壓強5.7MPa，持續(xù)20s后，再經(jīng)20s逐漸上升至6.4MPa。關(guān)閉腔起始壓強6.8MPa，維持在6.4MPa（見圖1）。

圖1

2月8日：開啟腔起始壓強5.7MPa，持續(xù)18s后，再經(jīng)20s逐漸上升至6.4MPa。關(guān)閉腔起始壓強6.7MPa維持在6.4MPa（見圖2）。

圖2

2月15日：開啟腔起始壓強5.7MPa，持續(xù)20s后，再經(jīng)18s逐漸上升至6.4MPa。關(guān)閉腔起始壓強6.7MPa維持在6.4MPa（見圖3）。

圖3

2月16日：開啟腔起始壓強5.7MPa，持續(xù)18s后，再經(jīng)20s逐漸上升至6.4MPa。關(guān)閉腔起始有抖動，最高達 9.5MPa，2s后降至 6.7MPa，維持在 6.4MPa（見圖 4）。

圖4

1號機水泵工況開啟成功：開啟腔起始壓強5.7MPa，持續(xù)28s后，上升至6.4MPa。關(guān)閉腔起始壓強在6.8MPa，維持在6.4MPa（見圖5）。

圖5

經(jīng)過曲線比對分析發(fā)現(xiàn)：4次球閥開啟失敗時，球閥接力器開啟腔壓力均滿足球閥正常開啟要求，壓力曲線雷同，持續(xù)約20s后開啟腔壓力達到額定壓力（6.4MPa），而開啟成功的時候開啟腔壓力持續(xù)28s后達到額定壓力（6.4MPa），與球閥正常開啟時平均值30s相近。

現(xiàn)場人員聯(lián)同主機設(shè)備廠家依次對壓力曲線和相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，最終確定動水力矩的影響是導(dǎo)致球閥在抽水啟動過程中開啟失敗的主要原因。

4 動水力矩原理

根據(jù)動力學原理， 動水壓力與動水力矩和水流流速的平方成正比，方向為朝著有利于閥門關(guān)閉的方向。而幾何相似和位置相似的物體， 其所有表面作用力與表征尺寸的平方成正比，作用力矩則與表征尺寸的立方成正比。這樣水頭損失H、動水壓力Pa和動水力矩Ma為：

D—— 活門直徑（封水直徑），此電站球閥活門直徑2700mm；

v—— 活門不同轉(zhuǎn)角下閥門進口斷面的水流平均速度，m/s。

式中：H——計算水頭；

ξ（0）——活門全開時阻力系數(shù)；——活門全開時流速，m/s；

Q——活門全開時通過的流量。

將式（2）代入式（1）中：

表2為模型球閥試驗雙面密封球閥的實驗系數(shù)。

表2 模型球閥試驗雙面密封球閥的實驗系數(shù)

得出動水力矩關(guān)系和額定流量關(guān)系曲線，見圖6。

圖6 額定流量下，動水力矩與活門開度關(guān)系曲線

5 結(jié)論推斷

該電站機組泵工況啟動監(jiān)控流程為：關(guān)閉蝸殼平衡閥→判斷蝸殼平衡閥、充氣閥關(guān)閉→調(diào)用排氣回水程序、發(fā)球閥開命令→判斷球閥開度≥40%及濺水功率≥-40MW→開導(dǎo)葉。球閥PLC開啟控制邏輯為：收到監(jiān)控給出的開啟球閥命令后，打開旁通閥，退出球閥下游密封，球閥控制柜在收到下游密封三個位置的退出信號和球閥上下游平壓信號后，開啟球閥本體。

結(jié)合以上動水力矩原理及故障現(xiàn)象進行分析，對比球閥開啟失敗與成功的時間記錄（見表3）。

表3 球閥開啟發(fā)令與反饋時間記錄

從表3可知，球閥旁通閥開啟時間基本不變，在10～12s之間；下游密封退出時間為82s、35s、44s、46s、6s，球閥開啟失敗發(fā)生在下游密封退出時間較長的情況，在30s以上。

球閥下游密封退出速度正常時：當進水閥開啟到40%時，由于導(dǎo)葉未開啟，濺水功率還不滿足要求，等到濺水功率達到-40MW時，導(dǎo)葉才開始動作，此時球閥開度已達到100%；球閥在靜水中開啟，無動水力矩影響。

球閥下游密封退出速度較慢時：濺水功率已達到-60MW，球閥在40%開度后，水流通過球閥，有較大動水力矩，動水力矩阻止活門開啟，無法使球閥達到全開。

6 驗證及處理

為驗證此結(jié)論，3月3日在1號機組抽水試驗時，運維人員模擬下游密封退出延遲現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)球閥開度至50%～80%時，開啟遲緩、不順暢，至開度90%左右停止不動，現(xiàn)地測量球閥接力器長度為1840mm，而正常全開長度應(yīng)為1980mm（現(xiàn)象與此前球閥開啟失敗現(xiàn)象雷同）。現(xiàn)場手動停機。此次試驗，驗證了下游密封退出延遲，致使球閥在開啟過程受到較大動水力矩，阻礙球閥正常開啟的分析結(jié)論是成立的。

經(jīng)理論計算，蓄能機組泵工況啟動過程中，球閥在動水力矩影響的條件下，初始開度需大于70%方可保證球閥正常開啟。

現(xiàn)場工作人員判斷下游密封退出延遲為內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形所致，在此期間為保證該機組抽水調(diào)相轉(zhuǎn)抽水工況啟動的成功率，結(jié)合理論計算值，優(yōu)化該機組監(jiān)控程序如下：將原判斷球閥開度≥40%及濺水功率≥-40MW后開導(dǎo)葉，改為判斷球閥開度≥70%及濺水功率≥-40MW后開導(dǎo)葉，避免球閥在動水中開啟。

該機組監(jiān)控程序修改完畢后，工作人員多次模擬泵工況啟動過程中下游密封退出延遲現(xiàn)象，球閥均成功開啟。

7 經(jīng)驗教訓(xùn)

該類型球閥液壓原理為：發(fā)出開啟球閥命令，電磁閥（AD510）帶電，其閥芯移至交叉位后驅(qū)動球閥配壓閥（AQ510）動作，使壓力油管路、球閥接力器開啟腔管路和球閥接力器關(guān)閉腔管路連通。

開啟時球閥接力器上下端面在相同壓強作用下，由于其下端面受力面積為接力器缸體截面面積。上端面受力面積為接力器缸體面積減去活塞桿截面面積，故上下斷面受力截面差為活塞桿截面面積，在此作用力下球閥緩慢開啟，直至全開。

根據(jù)球閥開啟原理分析，若在動水力矩的影響下成功開啟有以下三種方案：

（1）增大接力器活塞桿直徑。

（2）增大接力器操作油壓。

（3）改變電磁閥結(jié)構(gòu)，使球閥開啟時候開啟腔帶壓，關(guān)閉腔不帶壓。

8 結(jié)束語

動水力距的存在影響到球閥的安全穩(wěn)定運行，在球閥接力器操作力矩的設(shè)計中需將動水力矩的影響因素考慮在內(nèi)。本文通過實際事例闡述了動水力矩對球閥的影響，對類似水電機組球閥的設(shè)計制造、運行控制邏輯具有重要借鑒意義。

李長勝（1979—），男，碩士研究生，高級工程師，主要從事水電站機電設(shè)備管理。E-mail：huashui318@163．com

董政淼（1987—），男，大學本科，工程師，主要從事水電站電氣二次管理。

羅 胤（1986—），男，大學本科，工程師，主要從事水電站電氣二次管理。

Analysis on MIV Hydraulic Torque during Pumped Storage Unit Startup under Pump Mode

LI Changsheng，DONG Zhengmiao，LUO-Yin
（Henan Tianchi Pumped Storage Co.，Ltd.，Nanyang 473000，China）

For MIV opening failure phenomena PC-PU mode in domestic pumped storage power station, the article makes analysis on the hydraulic torques under these conditions in order to find out the reason of MIV opening failure. It gets relevant conclusions and provides solutions to prevent similar problems from happening. It is very important for reference in MIV design, manufacture& operation control of pumped storage power station.

energy storage unit, MIV; hydraulic torque; analysis