桐柏抽水蓄能电站球阀密封漏水引起的自激振动分析

蒋池剑

（华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江 杭州 310005）

桐柏抽水蓄能电站球阀密封漏水引起的自激振动分析

蒋池剑

（华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司，浙江 杭州 310005）

电站在投产近10年的时候发生了几次不同工况下的压力钢管自激振动现象，影响了设备的正常运行。本文通过对几次自激振动的原因分析，提出了解决问题的实际措施，为以后研究同类问题提供了参考。

抽水蓄能电站；球阀；自激振动

1　概述

水力振动可分为强迫振动引起的水力共振与自激振动两类。前者是在外界的扰动频率等于或接近于引水管道系统的某一阶的自由振动频率时,产生的水压力振荡;后者则因为水力系统本身是不稳定的,任何引入该系统的压力或流量的微小扰动都将导致随时间而不断增强的振动,即自激振动[1]。

2　自激振动出现的情况

桐柏抽水蓄能电站位于浙江省台州市天台县境内，安装有4套单机容量为300MW的立轴混流可逆式单级水泵水轮机-发电电动机组，总装机容量为1 200WM，以两回500 kV线路送入华东电网，在华东电网中承担调峰、填谷、调相、调频和事故备用。电站输水系统位于上下水库之间的山体内，采用一洞二机、斜井、尾部厂房布置方案，有两个相同的水力单元。其布置如图1。

从上水库进/出水口至高压支管钢衬末端输水道的长度1号至4号机组分别为874.2m、884.57m、872.85m、883.22m。4台机组依次排列呈一字形，每2台机组接一根压力管，每根支管上都设有一套内径为3.10m的球阀，用作正常断流和厂房检修期间的挡水设备。球阀设有两道密封：上游侧为检修密封，下游侧为工作密封。检修密封投退用水取自压力钢管，其设有6个机械锁定螺栓，需手动投退；工作密封投入用水取自球阀阀体，退出工作密封由球阀阀体压力水来实现；机组正常启停时，只有工作密封进行投退。桐柏抽水蓄能电站在投入运行10年后，曾经发生了多次压力管道自激振动，比较有代表性的有3次。

2.1 1号机、2号机在抽水调相开机时发生的自激振动

某日，1号机抽水调相已到稳态，2号机抽水调相正在开机过程中。1号机、2号机发生水力压差脉动时间在01:05:45开始，到01:06:26压力脉动引起球阀工作密封投退腔压差到达临界值，导致工作密封异常频繁投退。工作密封频繁投退引发压力脉动继续变大，到01:07：50到达稳定值。01：18：30值班人员将1号机、2号机球阀工作密封操作取水阀关闭后，水力压差脉动现象消除，工作密封恢复正常。

当时1、2号机压力钢管压力脉动如图2、图3。

2.2 3号机备用，4号机在发电停机后发生的自激振动

某日，3号机在备用状态，4号机正在停机过程中。16:56:42，4号机停机并球阀工作密封投入，16：59:03，4号机球阀工作密封开始发出投入与释放“信号，17:03:10，4号机开始出现压力钢管上游压力波动，为了消除压力钢管内部不稳定水力脉动，17:08: 00值班人员将3号机水轮机工况空载运行后3号机4号机压力钢管内部压力脉动消除。当时3、4号机压力钢管压力脉动如图4。

2.3 4号机备用，3号机在抽水调相开机后发生的自激振动

某日，4号机停机备用，3号机正在抽水调相开机过程中。00:10:41，3号机压力钢管压力波动最高值升至36.05 bar，正常值为32 bar。水力压差脉动开始产生。00:11:02，3号机压力钢管压力波动最高值升至49.98 bar，3号机球阀工作密封开始出现频繁投退现象。00:16:50，值班人员手动开启4号机球阀工作旁通阀后压力脉动消失。当时3、4号机压力钢管压力脉动如图6、图7。

3　自激振动产生的原因

桐柏抽水蓄能电站的球阀经过近10年的运行，通过平时的检查和机组的检修发现球阀的工作密封/检修密封的“投入”腔和“释放”腔之间以及“释放”腔和球阀本体之间存在渗漏。在2013年的1号机C修期间，对1号机球阀工作密封进行解体检修，处理了球阀工作密封固定外环内铝青铜表面划痕，划痕都是贯穿性磨损后水流冲刷留下的汽蚀痕迹。划痕长度约30mm，划痕深度有2mm左右，如图5所示，其他机组情况相似。

从检查结果来看，在球阀工作密封“释放”腔和“投入”之间、“释放”腔和球阀本体之间渗漏严重，导致“释放”腔和“投入”腔基本趋于均压，造成工作密封滑动环压紧处处于动作临界状态，由于系统扰动引起球阀工作密封滑动环压紧处会稍稍开放一点，形成一小股漏水，按照水击理论，漏水后，压力会降低，又会使压力钢管内产生很小的正压脉冲，它使球阀工作密封滑动环压紧处趋向关闭，引起漏水量的减小又使传向压力钢管的压力波增大。在一个半周期后由水库端反射回来的压力波到球阀处变为负压波，这个较低的压力使球阀工作密封滑动环压紧处重又开放，漏水量增大，负压增值；在下一个半周期后，低压从水库反射回来，又成为高压，促使球阀工作密封滑动环压紧处闭合，漏水量减小，如此反复交替，终于达到了某种状态，工作密封滑动环上的压力一会儿低，一会儿高，造成工作密封反复投退，导致产生水力自激振动现象。

4　自激振动的消除防范措施

球阀工作密封漏水处呈现柔性阀门特性,这种特性将导致自激振动迅速发展[2]。桐柏抽水蓄能电站的自激振动现象虽没有产生严重的后果，但其他许多电站发生过阀门引起的自激振动现象,产生了严重的后果[3]，因而，尽早的消除和防范自激振动很有必要。

4.1自激振动的特征

激发和维持自激振动的能源为不具有交变性质的稳定能源,例如有压水风惯性力、摩擦力等。激发和维持自激振动需要有一个控制反馈机构,通过它的运动或振动,周期地把稳定的能源输人到振动系统中去,使输人到振动系统中去的能量具有了周期性质。当周期地输人振动系统的能量超过一定值(足以克服系统的阻力)时,振动系统的振动就会加速,幅值增大,频率也逐步趋近于系统的固有频率,一直到振动系统的固有频率时稳定下来[4]。

在桐柏抽水蓄能电站发生自激振动时，激发和维持自激振动的能源是球阀工作密封滑动环处的水压,控制反馈机构是工作密封滑动环的的振动,通过水系统的相连输入到振动系统中，振动体为工作密封滑动环。

4.2自激振动的消除和防范措施

要从根本上消除自激振动，一是消除激发和维持振动的能源；二是控制反馈机构周期性的运行或振动；三是切断传递能量的途径。

在因球阀工作密封问题而产生的自激振动，振荡的全振幅在理论上可达到正常水压2倍[5]。从实际监测结果看，几次自激振动产生的压力钢管压力脉动最大值达到球阀上游净压力的2倍，危害极大。桐柏抽水蓄能电站在发生压力钢管自激振动后，从自激振动的几个特征着手，采取了多种预防自激振动的措施。

（1）为便于值班人员监测和尽快发现压力脉动情况，桐柏抽水电站利用原埋设在球阀前后的压力钢管内的监测设备，将信号接入监控系统，并增设报警。

（2）优化自动开启球阀旁通阀流程，一旦监测到球阀前钢管压力达到一定值，自动开启球阀旁通阀，破坏水击。

（3）对工作密封漏水缺陷尽快安排处理并联系厂家研究改进工作密封的结构、材料以彻底消除漏水问题。目前，4台机组球阀工作密封在按计划消除漏水缺陷，让工作密封问题引起的自激振动不能周期性运行。

（4）计划从不同压力钢管提供球阀工作密封的压力水水源，切断了止水环与压力管的联系。

5　结论

桐柏抽水蓄能电站球阀工作密封的漏水造成了危害极大的压力钢管自激振动，但只要采取恰当的措施，水力自激振动的危害完全可以控制，甚至消除。

[1]索丽生,周建旭,刘德有.水电站有压输水系统的水力共振[J].水力水电科技进展,1998（4）.

[2]梅祖彦.抽水蓄能技术[M].北京:清华大学出版社,1988.

[3]叶复萌,朱渊岳,樊红刚，等.抽水蓄能电站复杂管系的自激振动研究[J].水力发电学报,2007，26（4）：135-140.

[4]李启章，于纪幸，任绍成，等.江苏宜兴抽水蓄能电站水泵水轮机导水机构的自激振动[C]//第十八次中国水电设备学术讨论会论文集,2011.

[5]李国和.抽水蓄能电站可能出现的水力振动[J].华北电力技术,1996.

蒋池剑（1978-），男，工程师，从事抽水蓄能电站安全生产管理工作。

TV743

B

1672-5387（2015）11-0058-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2015.11.0020

2015-07-31