溧陽抽水蓄能電站球閥開啓異常的分析及處理方法

溧陽抽水蓄能電站共安裝6臺單機容量爲250 MW的可逆式水泵水輪機-發電電動機組,機組採用“一洞三機”形式,即每3臺機組共用一條引水隧洞,共2條。尾水採用單機單管形式,每臺機組配備一臺主進水球閥,起到停機時隔斷上庫水源和發生事故時及時截斷水流的作用。

主進水球閥由閥體、活門、軸承、轉臂、密封、接力器及基礎附件等組成,與一般球閥不同的是,溧陽球閥採用單接力器單轉臂的結構。主進水球閥示意圖見圖1。

進水球閥的密封分爲檢修密封和工作密封,採用密封環和密封座壓合的形式,利用上遊壓力水源配合閥旁的密封控制櫃,通過液壓回路的切換實現密封的投入、退出動作。檢修密封爲現地手動操作,工作密封爲遠方自動操作。

爲保證密封和球閥的安全,球閥配有兩套機械液壓閉鎖裝置,即球閥未達到全關時密封不能投入或退出;密封投入時球閥不能開啓。

檢修密封和工作密封各配有3個密封指示裝置,指示裝置的探頭隨密封環投退而伸長或縮短,從而與限位指示開關接觸,便於監測密封的完全投入和退出狀態,防止球閥誤動作。

圖1 主進水球閥示意圖   下載原圖

球閥接力器採用油壓操作,帶動與活門相連接的轉臂,驅動球閥在0°～90°動作。球閥的活門轉動應靈活,與固定部件應有足夠間隙[1]。需要指出的是,水電站進出水球閥只能在全開和全關兩個位置,起到“通流”和“斷流”的功能,不能調節流量。

形式:臥式球閥

進口及出口直徑:ϕ3 050 mm

**淨水頭:348.4 m

設計壓力:4.66 MPa

試驗壓力:6.99 MPa

**流量:111.04 m3/s

接力器直徑:ϕ1～ϕ670 mm

接力器操作油壓:4.40～6.30 MPa

活門開關時間:40～120 s

旁通閥直徑:ϕ300 mm

空氣閥直徑:ϕ200 mm

2015年10月23日上午,溧陽6#球閥(首臺球閥)接力器節流孔板加工(由ϕ10 mm擴孔至ϕ15 mm)回裝後,在額定壓力下進行6#球閥開啓、關閉時間調整(時間調整至50±5 s)。通過實際動作情況來看,球閥開啓、關閉時間較未調整前有顯著縮短,但在接力器開啓末端約47 mm行程時,肉眼觀察球閥幾乎停止動作,在蝸殼內觀察球閥活門並未開啓至與上下遊流道水平。現場錄波曲線顯示接力器開啓腔壓力及關閉腔壓力同時突變升高且關閉腔壓力大於開啓腔壓力,此時接力器繼續以緩慢的速度開啓至全開。當球閥達到全開時,關閉腔壓力再次突變升高,在球閥達到全開的瞬間,接力器操作油管路有劇烈振動並伴有較大聲響。從錄波曲線上看,接力器關閉腔壓力峯值約爲11.25 MPa(現場採集數據用的壓力傳感器量程爲10 MPa,此時關閉腔壓力很可能已經超過傳感器量程),然後關閉腔壓力緩慢降低。現場初步分析認爲壓力異常是接力器關閉腔有空氣造成,但對關閉腔排氣後情況依然沒有好轉。

圖2爲現場錄製的球閥開啓、關閉時接力器“行程-壓力”曲線。

圖2中左側爲開啓波形,右側爲關閉波形。可以看出,**開啓階段,緩衝行程爲46.95 mm,時間約爲26.14 s,可以計算出此時接力器的動作速度約爲1.8 mm/s。需要指出的是,6#球閥接力器在流量沒調整之前(未鑽孔)是看不出壓力及行程異常的。圖3爲節流孔板未鑽孔前(ϕ10 mm)時現場錄製的接力器開啓“行程-壓力”曲線。

圖2 行程-壓力曲線圖(緩衝異常)   下載原圖

圖3 行程-壓力曲線圖(節流孔板未鑽孔前)   下載原圖

從圖3中可以看出,6#接力器之前的開啓時間爲111.4 s,全行程爲1 921 mm,從曲線上看接力器動作速度比較均勻,可以粗略計算出當時接力器的平均動作速度約爲17.24 mm/s,也就是說接力器流量增大後,緩衝區1.8 mm/s的速度是小於流量調節前的平均速度。但是這個緩衝現象並未在小流量時表現出來,可以認爲是在流量增大後纔出現了異常,並不是之前有異常而未被發現,節流孔板擴孔後,6#球閥在額定壓力下的關閉正常,時間爲52 s左右,其中緩衝時間約爲2 s,關閉時間已符合要求,也就是說擴孔尺寸是正確的。

10月23日下午,通過調整接力器換向閥,已經將開啓時間調整至62 s,其中緩衝時間爲16 s,但是壓力異常的情況依然存在。11.25 MPa的瞬間壓力對於接力器是破壞性的(接力器設計壓力爲7.5 MPa,強度耐壓試驗壓力爲設計壓力的1.5倍[2]),所以並未再多次試驗。

通過對球閥開啓、關閉的過程分析,緩衝異常的現象具有極高的可重複性,即每次都發生在開啓末端約47 mm行程,且關閉時並未發現此問題,按照現場經驗,考慮爲球閥接力器結構問題。

現場將接力器與球閥轉臂分解後,使接力器固定在豎直狀態。油壓操作接力器開啓、關閉後發現依然出現開啓緩衝異常問題,排除球閥本體碰撞或刮研,確定爲接力器緩衝區結構導致。緩衝區結構如圖4所示。

圖4 接力器開啓腔緩衝區結構   下載原圖

圖4中項20爲接力器開啓腔緩衝環,通過查找圖紙,緩衝環內孔尺寸爲ϕ286.2H8 mm,進入緩衝區的活塞桿尺寸爲ϕ286f8 mm,活塞桿與緩衝環爲基孔制的間隙配合,間隙**爲單邊0.21 mm,間隙*小爲單邊0.13 mm,從數值上來看,此間隙值與其他抽水蓄能電站情況類似。

將接力器活塞缸分解後,對活塞桿及緩衝環尺寸進行了反覆測量,數據均在設計公差允許範圍內。後經設計覈算,確定接力器緩衝區間隙在設計計算過程中代入公式錯誤,導致緩衝區設計間隙過小,從而影響緩衝回油,節流孔板擴孔後,接力器油流量增大,將緩衝效果“無限放大”,進一步造成接力器進入緩衝區後回油不暢,動作緩慢,壓力升高。

通過重新計算, 確定將接力器開啓緩衝環內孔重新加工,由之前的ϕ286.2H8 mm擴大至ϕ286.9H8 mm,加工過程中保證緩衝環其他加工參數滿足設計要求,回裝後重新進行試驗,波形見圖5。

從圖5中可以看出,總開啓時間爲46.32 s,其中緩衝時間爲1.58 s,並未出現緩衝過慢問題,開啓腔壓力由開啓過程中的0.87 MPa升至緩衝階段的3.39 MPa,**壓力峯值爲6.62 MPa且*終穩定在5.67 MPa。關閉腔壓力由開啓過程中0.65 MPa升至緩衝階段的3.62 MPa,**壓力峯值爲7.5 MPa且*終趨近於0。緩衝階段的關閉腔壓力相比之前試驗沒有出現較大峯值。

圖5 行程-壓力曲線圖(緩衝環內孔重加工後)   下載原圖

(1) 溧陽抽水蓄能電站主進水球閥採用單接力器單轉臂的結構形式,相比於雙接力器球閥,雖然在結構上有所簡化,但增加了接力器受力等參數的計算過程,是造成該接力器緩衝區間隙計算錯誤的原因之一。

(2) 建議將接力器設計成緩衝時間可調的結構,即將緩衝間隙設計得更大一些,在緩衝區設置回油管,在管路上安裝流量調節閥。利用閥門來調節緩衝時間,但增加了管路和閥門的同時,也就意味着增加了出現問題的風險性,應酌情考慮。

(3) 目前溧陽電站前3檯球閥無水調試已全部完成,遠方、現地動作正常,信號正確,開啓及關閉時間均在50±5 s範圍內,滿足機組的開機及工況轉換的時間要求。