抽水蓄能電站水力自激振動保護設計策略研究與應用

曹永闖，趙 穎，宗懷遠，高 鑫，徐志壯

（河南天池抽水蓄能有限公司，河南 南陽473000）

0 概述

近年來，抽水蓄能電站水力自激振動（以下簡稱自激振動）現象時有發生，總結其原因：球閥處于關閉狀態時，球閥工作密封投入不嚴或密封投入、退出操作腔有串壓，易引發引水管道自激振動[1-3]。總結其現象：球閥前壓力鋼管壓力呈振幅逐漸增大的周期性波動，最大水壓可達2 倍靜水壓力，同時球閥本體及與壓力鋼管相連管路伴有明顯晃動及異常聲音[4-5]。總結其后果：發生自激振動時，必然造成球閥工作密封的損壞，極大威脅著同一引水隧道內球閥、引水管道及其連接部件的安全運行，嚴重時可引起球閥及壓力鋼管相連管路破裂導致大量噴水[6-8]。因此需要完善自激振動保護設計，加強現場應急處置能力，切實保障設備的本質安全。

1 自激振動要素剖析

為了精準地進行自激振動保護設計策略研究，首先應從自激振動產生的原因、現象，剖析可以通過哪些要素來監測、定性該現象，然后采取相應的策略設置保護，以此保證設備安全。

要素①球閥水平方向位移：發生自激振動時，球閥本體及與壓力鋼管相連管路伴有明顯晃動及異常聲音。

要素②球閥前壓力鋼管壓力：發生自激振動時，球閥前壓力鋼管壓力呈振幅逐漸增大的周期性波動，最大可達2 倍靜水壓力。

要素③球閥工作密封投入腔壓力（或投入狀態）：由于工作密封密封塊磨損或者投入腔壓力太低，會引起工作密封投入不嚴或反復投退，可引發自激振動。

要素④球閥工作密封投退腔壓差：工作密封投入、退出腔有串壓時，可引發自激振動。

2 自激振動保護設計

通過以上對自激振動要素分析，本文擬采取設置監測信號、設置保護邏輯、設置應急處置按鈕等措施來設置自激振動保護。

2.1 設置監測信號

針對要素①球閥水平方向位移：設置球閥本體位移監測裝置，并將位移量以模擬量（4～20 mA）接入監控系統，實時監測球閥本體X 軸、Y 軸方向位移量。傳感器精度等級應不低于0.5%、分辨率不低于10 μm。以BQ 電站為例，將球閥位移傳感器底座分別焊接至球閥X 軸、Y 軸底座平臺上，定義傳感器探頭初始位置后，輸出為12 mA；當正向位移為+2 mm 時，輸出電流為20 mA；當負向位移為-2 mm時，輸出電流為4 mA。

針對要素②球閥前壓力鋼管壓力：球閥上游壓力鋼管延伸段設置1 個精度等級不低于0.5%的壓力變送器，變送器的最大量程不應小于機組進水閥設計壓力的2 倍，壓力信號以模擬量接入監控系統，實時監測壓力鋼管壓力值。壓力變送器的信號水源取自壓力鋼管測壓總管，測壓總管與球閥上游壓力鋼管延伸段1 個斷面上均布的多個壓力測點相連通。壓力變送器及測壓總管應設置在便于維護、巡檢的地方，測壓總管上應設置排氣和排水裝置，測壓支管上應設置隔離球閥。

針對要素③球閥工作密封投入腔壓力（或投入狀態）：1）在球閥工作密封投入腔設置精度等級不低于0.5%的壓力變送器，以模擬量接入監控系統，實時監測工作密封投入腔壓力；2）在圓周方向均勻設置球閥工作密封位置檢測開關，且數量不少于3個，以開關量接入監控系統，監測球閥工作密封位置；3）設置工作密封備用水源，確保工作密封操作水源可靠，工作密封能可靠投入。

針對要素④球閥工作密封投退腔壓差：在球閥工作密封退出腔設置精度等級不低于0.5%的差壓變送器，另設置精度等級不低于0.5%的差壓變送器以監視球閥工作密封投入、退出腔的壓力差，將壓力值、壓差值以模擬量接入監控系統，實時監測球閥工作密封投入、退出腔壓力值及之間的壓差值，并將兩者相互校驗。

應在球閥系統監控畫面中增加自激振動保護畫面，并將球閥工作密封投退腔壓力、差壓、工作密封位置、壓力鋼管壓力及球閥本體位移監測等所有測量信號都集中在自激振動保護畫面中統一實時監測。

2.2 設置保護邏輯

針對要素①球閥水平方向位移，設置兩級球閥位移報警。以BQ 電站為例，球閥本體位移傳感器位移范圍為-2～2 mm，設置兩級球閥位移報警信號。一級報警：球閥全關+下限報警（-1.5 mm）/上限報警（1.5 mm）；二級報警：球閥全關+下限報警（-1.95 mm）/上限報警（1.95 mm）。

針對要素②球閥前壓力鋼管壓力，當球閥前壓力鋼管壓力值達到其最大靜水壓力的120%，發壓力脈動報警信號，若壓力脈動報警在20 s 內出現3次及以上時，則自激振動保護動作，同時該保護動作輸出打開球閥旁通閥（如有）或者退出球閥工作密封，以消除自激振動。以BQ 電站為例，球閥前壓力鋼管最大凈水壓力為6.4 MPa，設置7.68 MPa 為報警值，若壓力脈動報警在20 s 內出現3 次及以上時，則自激振動保護動作退出球閥工作密封（因該電站未設置球閥旁通閥）。

針對要素③球閥工作密封投入腔壓力（或投入狀態）：1）在監控中設置球閥工作密封投入腔壓力低報警，并具有自動復歸能力，BQ 電站球閥工作密封投入腔壓力正常為6.2 MPa 左右，設置壓力小于4 MPa 報警；2）機組處于停機或調相工況下，球閥工作密封投入信號丟失時，發報警信號；3）當20 s 時間內發生3 次及以上工作密封投入位置蠕動信號，則自激振動保護動作，同時該保護動作輸出打開球閥旁通閥（如有）或者退出球閥工作密封，以消除自激振動。

針對要素④球閥工作密封投退腔壓差，當球閥全關狀態下，球閥工作密封投入、 退出腔壓差異常時，發報警信號。對于投入、退出腔均有操作水源的電站，設置1 個壓差低定值即可，即兩腔壓差小于該定制時發報警信號。對于BQ 電站，球閥工作密封投/退通過工作密封投入腔操作水源的投/退實現，故無需設置此保護邏輯。

2.3 設置應急處置按鈕

當監測到自激振動現象發生時，除了設置保護邏輯自動動作外，還要增加手動應急處置按鈕作備用。應在自激振動保護畫面中設置投/退工作密封、開/關球閥旁通閥（如有）、開/關球閥的控制按鈕，還應在每臺球閥現地電氣控制柜上配置相同功能的手動應急處置按鈕。對于BQ 電站，將在下一步的自激振動異動計劃中完善以上應急處置按鈕的設置。

3 自激振動應急處置原則

（1）當引水管道發生自激振動時應根據壓力鋼管壓力、球閥工作密封過水聲音、監控報警信息等迅速判斷發生自激振動的機組。

（2）若機組在調相工況時發生自激振動，應立即匯報調度申請停機。

（3）采取開球閥旁通閥（如有）、退球閥工作密封、投球閥檢修密封、開球閥等單項或多項措施可消除自激振動。若不確認哪臺機組球閥引起自激振動，可對同一流道的球閥逐臺操作。

（4）若自激振動保護已經動作，則密切查看球閥旁通閥（如有）開啟情況或工作密封退出情況，確認自激振動現象已減弱直至消除，必要時通過應急處置按鈕快速消除自激振動。

（5）完成處置后對相應機組進行細致檢查，檢查內容包括：球閥本體及其連接管路、液壓操作系統管路、上庫閘門、上游壓力鋼管連接管路、閥體緊固件等設備設施。

4 其他注意事項

（1）對于新建電站來說，電站設計階段應配置自激振動保護裝置、優化設備選型布置。壓力鋼管、球閥設備設計選型時，強度應滿足機組發生自激振動情況下的安全裕度。球閥工作密封和檢修密封設計應可靠，應有保證在球閥工作密封投退腔串壓情況下投入腔壓力始終大于退出腔壓力的措施，如優化投入退出腔面積比。球閥工作密封和檢修密封的操作水源應設置備用水源，備用水源應取自不同輸水系統的壓力鋼管，水源間應設置隔離閥門和止回閥。

（2）對于在建電站來說，應嚴格控制設備安裝質量工藝，做好自激振動保護監測元器件的校驗。球閥安裝過程中，應嚴格做好工作密封、檢修密封件表面以及投入、退出腔密封面的防護。球閥工作密封、檢修密封供水管路所有焊縫應經無損檢測合格，管路應經壓力試驗合格。壓力變送器、壓力表、差壓變送器等壓力監測元件安裝前應校驗合格。

（3）對于投運電站來說，應完善自激振動保護，并對保護裝置定期維護校驗。對自激振動保護裝置設備如球閥工作密封供水過濾器、壓力變送器、壓力表、差壓變送器、球閥工作密封供水管路等應定期進行檢修、維護和校驗，對自激振動保護邏輯定期進行傳動試驗。應結合實際情況制定防自激振動專項應急預案，并定期進行演練。

（4）通過優化設備選型布置、管控安裝質量工藝、設置自激振動保護等措施，并不能從根本上上消除自激振動，只是從自激振動產生機理、現象出發，采取一系列應對措施，在一定程度上避免自激振動的發生，并在自激振動發生后通過設置保護邏輯或人為動作消除自激振動現象，以此保證設備安全，所以日常工作中仍要加強對自激振動的重視，維護好相關設備。

（5）本文所列保護措施設置較多，各電站可結合自身設備情況，合理搭配即可。BQ 電站通過設置以上保護措施中的多個組合，電站運維人員能在日常運維工作中，迅速發現并消除自激振動現象，為電站設備的安全運行提供了堅強保障，同時為其他電站的自激振動保護設計、改造提供了廣泛的參考價值。