抽水蓄能電站一洞四機同時甩負荷進水閥動態監測分析

陳泓宇，景逸鳴，黃萌智，程振宇，何偉晶

（1.清遠蓄能發電有限公司，廣東省清遠市 511853；2.浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江省仙居縣 317300）

抽水蓄能電站一洞四機同時甩負荷進水閥動態監測分析

陳泓宇1，景逸鳴2，黃萌智1，程振宇1，何偉晶1

（1.清遠蓄能發電有限公司，廣東省清遠市 511853；2.浙江仙居抽水蓄能有限公司，浙江省仙居縣 317300）

進水閥系統是抽水蓄能電站整個廠房結構安全的關鍵設備，本文通過介紹一種振動監測的方法，監測進水閥系統在甩負荷試驗過程中的振動參數，利用振動參數分析評價進水閥體系的安裝質量，以清遠蓄能電站四臺機組同時甩負荷試驗過程測量進水閥相關參數為例，對進水閥系統制造質量、安裝質量進行評估，為進水閥使用長期穩定安全安全運行提供依據，為后續電站提供參考。

抽水蓄能；進水閥；四機同時甩負荷；振動監測；安裝質量

0 引言

進水閥系統是抽水蓄能電站整個廠房結構安全的關鍵設備，根據《抽水蓄能可逆式水泵水輪機運行規程》（DL/T293—2011）要求，進出水閥（設置在機組蝸殼與引水輸水系統之間的進水閥）在機組遇到突發情況時能夠快速關閉，防止事故進一步擴大。另外機組檢修時，進水閥可以阻斷上游來水對機組系統的磨損，保護水輪機和蝸殼免受各種外界荷載的不利影響。進水閥的安裝過程中，安裝單位一般遵循《水輪發電機組安裝技術規范》（GB8564—2003）標準和廠家技術要求，進水閥體系安裝調試后的質量評價和安裝精度的評價，目前電站開展得較少，為此引進一種結構動態力學性能評估的方法，在機組運行各種工況時，監測主進水閥系統的動態力學參數值以及這些動態力學參數在機組運行過程中隨時間變化的規律，利用這些參數在運行過程中的表征，分析進水閥系統可能出現的問題[1]。

清遠抽水蓄能電站于2016年8月30日全面投產運營，為了檢驗電站機組在甩負荷過程中的可靠性，在8月旬進行一次四臺機組同時甩負荷試驗，四機甩負荷試驗在國內尚屬首次，對電站實體工程質量和進水閥是個較大考驗，在試驗過程通過測量進水閥閥體移動、進水閥混凝土支墩的振動位移和振動應力等參數，對進水閥系統制造質量、安裝質量進行評估，為進水閥使用長期穩定安全安全運行提供依據[2]。

1 清遠抽水蓄能電站主進閥簡介

清遠抽水蓄能電站輸水系統采用一管四機方案，每臺機組蝸殼進口前設置一臺進水閥，一臺機組檢修，不影響其他機組正常運行。進水閥采用日本東芝公司設計，位于蝸殼的延伸管上游側，通過伸縮節與蝸殼延伸管相連接。進水閥上游側設計一個延伸管，延伸管通過兩節湊合節與壓力鋼管連接，采用焊接方式連接。進水閥本體由閥體、閥芯、閥軸、閥軸密封、自潤滑軸承及工作密封、檢修密封等零部件組成。進水閥的下游側設有伸縮節，其上游側與閥體把合，下游側與蝸殼把合[3]。主要設計參數：

直徑：?2376mm；

設計水壓：780m；

接力器直徑：?660mm；

接力器操作方式：水壓操作；

接力器數量：1；

開啟時間：30～80s可調；

關閉時間：30～80s可調。

2 動態力學性能評估試驗設計

動態力學性能評估試驗即在發電機組運行各種工況時，監測主進水球閥系統的動態力學參數值以及這些動態力學參數在機組運行過程中隨時間變化的規律，并結合相關標準評價主進水閥系統的設計、制造、安裝是否合理。同時利用這些參數在運行過程中的表征，分析主進水閥系統可能出現的問題。

2.1 試驗內容與參數

（1）進水閥體移動；

（2）進水閥混凝土支墩的振動位移和振動應力；

（3）進水閥與混凝土支墩之間的滑動量；

（4）伸縮節的位移和應力。

2.2 試驗工況

（1）機組發電開機；

（2）機組抽水開機；

（3）機組抽水關機；

（4）機組穩態運行；

（5）機組泵工況100%甩負荷；

（6）機組水輪機工況25%甩負荷、50%甩負荷、75%甩負荷、100%甩負荷[4]。

2.3 試驗監測點

圖1為振動位移測點布置示意圖，其中1號、3號、5號、7號為進水閥振動位移測點，2號、4號、6號、8號為進水閥振動位移測點，9號和10號測點為伸縮節測點；圖2為應變計測點布置示意圖，其中1～16號為混凝土振動應力監測點，17號與18號為壓力鋼管振動應力監測點。

3 試驗結果分析

3.1 振動位移結果與分析

（1） 試驗結果表明（見表1），四臺機組甩75%負荷時，進水閥沿水流方向最大振動位移為0.572mm；混凝土支墩沿水流方向最大振動位移為0.385mm；四臺機組甩100%負荷時，進水閥沿水流方向最大振動位移為0.641mm；混凝土支墩沿水流方向最大振動位移為0.455mm。圖3給出了4號機組在不同甩負荷工況下進水閥振動位移和混凝土支墩振動位移變化規律。根據甩負荷試驗實測結果，進水閥和混凝土支墩的振動位移隨甩負荷時的功率增加而增加，這表明機組所帶負荷越高，甩負荷時產生的振動位移越大。監測結果與實際情況相符。

圖1 進水閥與支墩振動位移測點布置示意圖Fig.1 Inlet valve and piers vibration displacement measuring point layout diagram

圖2 進水閥與支墩動應力測點布置示意圖Fig.2 Inlet valve and piers dynamic stress measuring point layout diagram

圖3 不同甩負荷工況進水閥和混凝土支墩振動位移變化規律Fig. 3 Different load rejection condition of inlet valve and concrete piers vibration displacement change rule

比較4號機組左、右兩側振動位移，除個別工況外大多數情況下，進水閥閥體兩側的振動位移比較接近，說明進水閥在流道內水流脈動壓力作用下基本沿水流方向振動，沒有明顯的扭轉現象，這對使用單邊接力器的進水閥是比較有利的。

（2）進行了水泵工況四臺機組100%甩負荷試驗，試驗結果表明，泵工況甩負荷時，4號機組進水閥最大振動位移0.088mm，100%甩負荷工況，沿進水閥水流方向；支墩最大振動位移0.107mm，100%甩負荷工況，進水閥水流方向。水泵工況進水閥、支墩振動位移相對規律與發電工況不同，主要是進水閥的振動位移小于支墩振動位移。這說明泵工況100%甩負荷時，對主進水閥系統而言，尾水產生的振動能量大于進水閥水道流激振動產生的振動能量。試驗結果表明，泵工況100%甩負荷時，各測點振動位移明顯小于發電工況甩負荷時的振動位移，進水閥閥體產生的振動位移一般不超過0.1mm，因此，泵工況甩負荷對進水閥閥體以及機組結構產生的影響也較小，機組振動監測也證明了這一點。

（3）由于泵和水輪機的開機或關機是機組運行的常態化的過渡過程，該過程進水閥體系也會產生較大振動，而且出現的概率遠遠高于甩負荷等工況，因此應該給予關注。試驗監測了發電開機、泵開機、泵關機等工況的振動位移，表2給出了實測值。實測結果表明，上述工況振動位移極大值一般在0.150～0.300mm的范圍內。實測振動位移最大值為0.323mm，發電開機工況。與甩負荷工況比較，開、關機過程產生的最大位移與四臺機組（發電工況）50%甩負荷產生的振動位移值接近，表明機組開機或關機工況（包括泵和水輪機兩種運行狀態）產生的振動能量與四臺機組50%甩負荷產生的振動能量相當。

表1 四臺機組甩負荷工況進水閥體系振動位移實測值（單位：mm）Tab .1 The measured value of the vibration displacement of the water inlet valve of the four unit load rejection

表2 其他工況進水閥體系振動位移實測值（單位：mm）Tab.2 Other working condition of inlet valve system vibration displacement measured values

（4）機組關機過程是先關導葉、再關進水閥。表2中比較了兩者動作過程產生的振動位移。結果表明，關進水閥產生的振動明顯大于關導葉，可見關機過程對機組系統影響更大，而對進水閥影響相對較小[5]。

（5）監測了機組穩態發電過程進水閥系統的振動位移，從表2最后一行可見，機組穩態運行時振動位移普遍較小。對整個系統沒有不良影響。

3.2 振動應力結果與分析

根據結構外觀檢查，混凝土支墩存在部分裂縫，集中在二期混凝土，且靠近進水閥支墩的螺栓孔口四周，方向為豎直方向。進水閥支墩下部混凝土（一期混凝土）基本完好，沒有明顯可見的裂紋。甩負荷試驗時，應力監測分別針對上述兩部分混凝土結構進行。第一類為二期混凝土結構裂縫部位，包括測點1、測點3、測點5、測點9、測點13～測點16；第二類為進水閥支墩一期混凝土結構，監測點主要為支墩下部結構的應力控制點，包括測點2、測點4、測點8、測點12，另外測點6、測點7、測點10、測點11主要為了監測一二期混凝土結合面的應力情況。為了評價伸縮節的工作情況，測點17、測點18布置在伸縮節前后的壓力鋼管上，用于監測壓力鋼管的動應力。

表3為不同甩負荷試驗工況進水閥體系各測點振動應力實測結果。表4為各種水泵或水輪機正常運行工況各測點振動應力實測結果。根據試驗結果：

（1）進水閥支墩二期混凝土動應力監測結果。

二期混凝土監測結果表明，甩負荷時混凝土支墩部分測點的最大應力值已超過混凝土（C30混凝土）抗拉強度設計值1.43MPa《混凝土結構設計規范》（GB 50010—2010），如測點9在進行100%甩負荷試驗時，拉應力值達到4.57MPa，這說明支墩混凝土的這些部位抗拉強度能力較弱，測點應力處于發散狀態，從施工角度來看，二期混凝土沒有配筋，是素混凝土，這部分混凝土不用承受抗拉力，從承重來看，在二期混凝土澆筑前球閥已就位，大部分的力由下部與一期混凝土連接的支撐部位承擔。在機組抽水開機、發電開機等過渡過程運行工況，這些監測點的動應力都超過了混凝土抗拉強度設計值，說明球閥與基礎之間摩擦力較大。

（2）進水閥支墩一期混凝土動應力監測結果。

一期混凝土控制點動應力實測結果表明，最大拉動應力值為1.21MPa，混凝土支墩上游面的底部12號測點，四機100%同時甩負荷工況。實際上，在發電開機或抽水開機工況，也有部分測點的動應力值超過了1MPa，應力值小于規范規定的設計強度值，一期混凝土在甩負荷工況、發電開機、抽水開機等過渡過程工況應力普遍偏大，但在設計強度值范圍。

表3 各種甩負荷工況振動應力實測值（單位：MPa）Tab.3 Various working condition of vibration stress measured load rejection

表4 正常運行工況振動應力實測值（單位：MPa）Tab.4 Normal operation condition vibration stress measured values

表5 伸縮節前后壓力鋼管各測點動應力值（單位：MPa）Tab.5 Expansion after the first pressure steel pipe of each measuring point dynamic stress values

比較進水閥混凝土支墩上游面（測點8號、測點12號）、下游面（測點2、測點4號）動應力實測結果，上游面動應力值明顯大于下游面動應力值，這說明進水閥混凝土支墩上游面的抗拉強度設計要求更高。

比較上游面底部兩測點測點8號、測點12號可見，動應力值分別為0.64MPa、1.21MPa，兩者之間存在較大差異，說明混凝土支墩在甩負荷時仍存在扭轉現象。

（3）泵工況四機甩負荷與水輪機工況甩負荷動應力的比較。

還進行了泵工況四機100%甩負荷試驗。從振動大小看，一期混凝土水泵工況甩負荷產生的振動應力最大值為0.62MPa（測點12號），該量值僅為水輪機工況100%甩負荷動應力值的50%，可見泵工況甩負荷產生的振動應力小于水輪機工況的動應力，其他測點和工況情況基本一樣。這與振動位移監測結果一致。

（4）穩態運行是機組常態化運行工況，監測了機組穩態運行時各測點的動應力。結果表明，機組在穩定運行工況，動應力最大值為0.16MPa，顯然機組穩態運行時混凝土支墩的動應力遠小于甩負荷或機組啟動運行時的動應力，即使在二期混凝土測點動應力值也很小，而且所有測點的最大動應力都遠遠小于混凝土結構的強度設計極限。可見機組穩定運行時的振動應力對結構安全沒有影響。

（5）進水閥支墩一期與二期混凝土結合面被認為是混凝土支墩的薄弱環節，為此監測一二期混凝土結合面的動應力，測點6號、7號和測點10號、11號分別布置在結合面兩端豎向。試驗結果表明，一二期混凝土結合面動應力最大動應力為0.37MPa，100%甩負荷工況。發電開機和抽水開機結合面最大動應力值也在0.35MPa左右?？梢娀炷两Y合面動應力普遍小于混凝土的設計強度值1.43MPa，所以說，混凝土結合面的強度是有保證?？梢娨蜻M水閥安裝工藝要求，對進水閥混凝土支墩分期澆筑所形成的一二期混凝土結合面沒有強度方面的問題。

（6）通過監測動應力評估伸縮節功能。

表5給出了伸縮節前（17號測點）、伸縮節后（18號測點）壓力鋼管動應力監測結果。監測結果表明，泵工況、發電開機工況、甩負荷工況等水力學過渡過程伸縮節前后的振動應力有明顯差異，一般情況下，伸縮節后壓力鋼管測點的振動應力約為伸縮節前壓力鋼管振動應力的一半，這表明機組在過渡過程運行時，伸縮節可以緩沖50%的水擊脈動壓力。伸縮節工作狀態較好[6][7][8]。

4 結束語

清遠抽水蓄能電站通過四臺機組同時甩負荷引入動態力學性能評估試驗測量進水閥相關參數，對進水閥系統制造質量、安裝質量進行了評估，為進水閥使用長期穩定安全運行提供依據，為后續電站提供參考。

（1） 甩負荷時進水閥混凝土支墩一期混凝土強度小于混凝土強度設計值（沒有考慮混凝土支墩的預壓力），結構滿足抗拉能力。

（2）進水閥安裝后通過試驗手段來驗證安裝質量是有必要的，并與實驗結果對比進水閥安裝是否滿足設計要求。

（3）進水閥相對混凝土支墩滑動比較均勻，說明進水閥移動沒有偏移。

（4）泵工況開機或關機、發電工況開機或關機的振動位移也較大，一般與50%甩負荷工況產生的振動位移相當。

（5）泵工況100%甩負荷產生的振動位移小于發電工況100%甩負荷產生的振動位移。

（6）根據一、二期混凝土結合面的應力監測結果，兩者上下應力接近，混凝土結合面是安全的。

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Pumped Storage Power Station and a Hole Four Load Analysis of Dynamic Monitoring of Water Inlet Valve

CHEN Hongyu1, JING Yiming2, HUANG Mengzhi1, CHENG Zhenyu1,HE Weijing1
(1.Qingyuan Pumped Storage Power Generation Co., LTD.,Qingyuan 511853, China; 2.Zhejiang Pumped Storage Power Co.,Ltd., Xianju 317300, China)

The inlet valve system is the key equipment of pumped storage power station of the whole plant structure safety， this paper introduces a method of vibration monitoring， monitoring of water in load rejection test in the process of vibration parameters of valve system， installation quality analysis and evaluation system of water inlet valve using vibration parameter， in Qingyuan pumped storage power station four units at the same time load rejection test the process of measuring the inlet valve parameters as an example，the manufacturing quality， installation quality evaluation system for the water inlet valve， inlet valve using long stable safe operation to provide a basis to provide reference for future power station.

pumped storage; the inlet valve; at the same time four load rejection ；vibration monitoring; the installation quality

TV732.7

A

570.30

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.01.011

國家重點工程項目（發改能源〔2009〕731號）；南方電網電力建設重點項目（南方電網計〔2010〕19號）。

2016-10-09

2016-01-03

陳泓宇（1975—），男，工程師，主要研究方向：電力系統運行檢修和基建工作。542120791@qq.com

景逸鳴（1999—），男，主要研究方向：電力系統運行檢修水力測量。

黃萌智（1987—），男，學士，清遠蓄能發電有限公司，主要研究方向：電站基建和電廠技術管理工作。

程振宇（1988—），男，學士，清遠蓄能發電有限公司，主要研究方向：電站基建和電廠技術管理工作。E-mail：359028830@qq.com

何偉晶（1941—），男，助理工程師，主要研究方向：電力系統運行檢修和基建工作。E-mail：942101682@qq.com