國(guó)內(nèi)某抽水蓄能電站安裝有4 臺(tái)單機(jī)容量為300MW 的可逆式抽水蓄能機(jī)組，機(jī)組在發(fā)電工況甩負(fù)荷時(shí)球閥參與水力過(guò)渡過(guò)程調(diào)節(jié)。文章介紹了設(shè)計(jì)單位和制造廠商提供的機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算成果，以及現(xiàn)場(chǎng)機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果，探討了球閥參與機(jī)組甩負(fù)荷流量調(diào)節(jié)的利弊，并給出了建議。

　　國(guó)內(nèi)某抽水蓄能電站安裝4 臺(tái)單機(jī)容量為300MW的可逆式蓄能機(jī)組，屬日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，上游水庫(kù)正常蓄水位789.60m，死水位為758.00m；下游水庫(kù)正常蓄水位260.00m，極端死水位220.00m。水泵水輪機(jī)毛水頭/毛揚(yáng)程范圍570.4m～494m，額定轉(zhuǎn)速500r/min，水輪機(jī)工況額定水頭510m，額定流量67.58 m3/s，吸出高度-70m，轉(zhuǎn)輪直徑3.86m(高壓側(cè))。水泵水輪機(jī)進(jìn)水閥為球閥。

　　電站輸水系統(tǒng)由兩套上游引水系統(tǒng)和下游尾水系統(tǒng)組成，每個(gè)引水系統(tǒng)設(shè)有2 臺(tái)機(jī)組。引水系統(tǒng)從上庫(kù)進(jìn)/出水口閘門(mén)井中心線至引水鋼筋混凝土岔管中心線長(zhǎng)分別約1229.5m(1#洞)、1262.4m(2#洞)，引水隧洞內(nèi)徑為6.5m，岔管后接高壓鋼支管直徑3.5～2.3m，長(zhǎng)約98.79～121.37m。尾水系統(tǒng)(包括下水庫(kù)進(jìn)/出水口)長(zhǎng)885.1～897.2m，尾水支管管徑為4.4m，尾水隧洞洞徑為8.2m。壓力鋼管設(shè)計(jì)取用的最大內(nèi)水壓力值為864.5mH2O。

1、電站過(guò)渡過(guò)程計(jì)算分析及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果

　　1.1、水泵水輪機(jī)合同規(guī)定的機(jī)組調(diào)節(jié)保證值

　　機(jī)組招標(biāo)過(guò)程中，根據(jù)中標(biāo)廠商提供的電站水力過(guò)渡過(guò)程初步分析結(jié)果，并結(jié)合設(shè)計(jì)單位的計(jì)算成果，水泵水輪機(jī)合同中規(guī)定的機(jī)組調(diào)節(jié)保證值為：發(fā)電電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2 不小于3750t·m2(不包括水泵水輪機(jī)的GD2)，在最不利工況下，蝸殼進(jìn)口中心的最大水壓力不大于800mH2O，尾水管進(jìn)口的最小壓力不小于0mWC(包括導(dǎo)葉拒動(dòng)工況)，機(jī)組最大瞬態(tài)轉(zhuǎn)速不大于1.5 倍額定轉(zhuǎn)速(導(dǎo)葉拒動(dòng)除外)，且輸水隧洞全線洞頂處的最小壓力不得小于2mH2O。

　　1.2、針對(duì)原輸水系統(tǒng)主機(jī)廠提供的電站過(guò)渡過(guò)程計(jì)算成果

　　電站水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)完成后，2008 年4月制造廠商根據(jù)合同要求提交了電站水力過(guò)渡過(guò)程分析結(jié)果，主要控制工況的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，計(jì)算采用的導(dǎo)葉及球閥關(guān)閉規(guī)律如圖1 所示。

表1 制造廠商2008 年4 月提供的過(guò)渡過(guò)程計(jì)算成果表

圖1 制造廠商最初建議的導(dǎo)葉及球閥關(guān)閉規(guī)律

　　從計(jì)算結(jié)果可以看出，蝸殼進(jìn)口最大壓力和尾水管進(jìn)口最小壓力不能滿(mǎn)足合同的要求，但小于壓力鋼管和蝸殼的設(shè)計(jì)壓力值。業(yè)主及設(shè)計(jì)單位要求制造廠商作進(jìn)一步計(jì)算和分析，以使機(jī)組調(diào)節(jié)保證值滿(mǎn)足合同要求。制造廠商提出，根據(jù)機(jī)組調(diào)試期間的甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果再進(jìn)行復(fù)核和分析。

　　1.3、第一次現(xiàn)場(chǎng)甩負(fù)荷試驗(yàn)

　　2009 年7 月份，1#、2#機(jī)組進(jìn)行了雙機(jī)甩100%負(fù)荷試驗(yàn)，導(dǎo)葉開(kāi)度和調(diào)節(jié)保證主要參數(shù)的過(guò)程線如圖2 所示。

圖2 1#、2#機(jī)組雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)圖

　　從圖2 可見(jiàn)，在當(dāng)時(shí)水位組合下同時(shí)甩去全負(fù)荷后，1#、2#機(jī)蝸殼進(jìn)口最大壓力分別達(dá)到816mH2O(80bar)、800.7 mH2O(78.5bar)，超過(guò)了合同保證值，但小于壓力鋼管的設(shè)計(jì)壓力值；尾水管進(jìn)口最小壓力和機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升率均滿(mǎn)足合同要求。

2、球閥參與抽水蓄能機(jī)組甩負(fù)荷調(diào)節(jié)的幾點(diǎn)看法

　　2.1、第二次甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果分析

　　一般說(shuō)來(lái)，輸水系統(tǒng)水流慣性常數(shù)增大后，機(jī)組調(diào)節(jié)保證值會(huì)惡化，設(shè)計(jì)單位和制造廠商的復(fù)核計(jì)算也予以了證實(shí)。根據(jù)制造廠商提供的第二次甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果，輸水系統(tǒng)局部洞段加鋼襯及球閥關(guān)閉規(guī)律調(diào)整后，蝸殼進(jìn)口最大壓力值較球閥關(guān)閉規(guī)律調(diào)整前的小，尾水管進(jìn)口的最小壓力值增加，與一般規(guī)律不符。經(jīng)對(duì)制造廠商提供的原始錄波圖進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)制造廠商對(duì)第二次提供的甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了濾波處理：蝸殼進(jìn)口壓力保留頻率小于150Hz 的測(cè)量信號(hào)，球閥進(jìn)口壓力保留頻率小于20Hz 的測(cè)量信號(hào)。根據(jù)制造廠商提供的雙機(jī)同時(shí)甩滿(mǎn)負(fù)試驗(yàn)原始錄波圖，其蝸殼進(jìn)口和球閥進(jìn)口壓力實(shí)測(cè)最大值分別約為800m、910m。

　　制造廠商提供的濾波方法有不足之處。根據(jù)機(jī)組葉片數(shù)和機(jī)組轉(zhuǎn)頻，保留頻率小于150Hz 的測(cè)量信號(hào)是基本合適的，而球閥進(jìn)口壓力僅保留頻率小于20Hz的測(cè)量信號(hào)，經(jīng)濾波分析處理后的數(shù)值與實(shí)測(cè)值相差較大，不能真實(shí)反映球閥進(jìn)口處最大壓力值。

　　2.2、球閥參與機(jī)組甩負(fù)荷調(diào)節(jié)的原因

　　可逆式機(jī)組轉(zhuǎn)速變化對(duì)機(jī)組過(guò)流量影響較大，由于其轉(zhuǎn)輪流道狹長(zhǎng)、轉(zhuǎn)輪直徑大，其相應(yīng)的離心力也大，特別對(duì)于高水頭和高揚(yáng)程的可逆水泵水輪機(jī)，即使在水輪機(jī)工況運(yùn)行時(shí)，也可能因水泵的離心效應(yīng)產(chǎn)生阻止水流進(jìn)入轉(zhuǎn)輪的作用力，當(dāng)水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到飛逸轉(zhuǎn)速時(shí)，離心力急劇加大，可逆式水泵水輪機(jī)進(jìn)入全特性曲線的“S”形區(qū)域，盡管此時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速和導(dǎo)葉開(kāi)度變化很小，但機(jī)組流量和轉(zhuǎn)輪前后壓力將出現(xiàn)較大幅度的振蕩，從而引起蝸殼內(nèi)較大的壓力脈動(dòng)。機(jī)組甩負(fù)荷過(guò)程中管道內(nèi)水錘的產(chǎn)生來(lái)自流量變化。對(duì)常規(guī)水輪機(jī)，其流量變化基本取決于導(dǎo)葉開(kāi)度的變化；對(duì)可逆式水泵水輪機(jī)，其流量受導(dǎo)葉開(kāi)度和機(jī)組轉(zhuǎn)速雙重影響。機(jī)組在甩負(fù)荷時(shí)首先動(dòng)作球閥、延時(shí)關(guān)閉導(dǎo)葉，可以讓轉(zhuǎn)輪前(蝸殼)后(尾水管進(jìn)口)流量及壓力變化只受機(jī)組轉(zhuǎn)速變化的影響，再在合適的時(shí)機(jī)(過(guò)機(jī)流量較小時(shí))關(guān)閉導(dǎo)葉，可避免水泵水輪機(jī)工況進(jìn)入小開(kāi)度“S”形區(qū)域，改善轉(zhuǎn)輪前后流量及壓力振蕩幅值，以降低蝸殼壓力和尾水管真空度。

　　2.3、球閥參與機(jī)組甩負(fù)荷調(diào)節(jié)的缺陷

　　(1)球閥由機(jī)組防飛逸的后備保護(hù)措施變?yōu)閰⑴c機(jī)組甩負(fù)荷流量調(diào)節(jié)。

　　按照目前國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)理念，水輪機(jī)進(jìn)水閥動(dòng)水關(guān)閉是作為機(jī)組防飛逸的后備保護(hù)措施。而機(jī)組制造廠家要求在機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)先關(guān)閉進(jìn)水閥、延時(shí)關(guān)閉導(dǎo)葉，以滿(mǎn)足機(jī)組調(diào)節(jié)保證要求，這與目前進(jìn)水閥作為備用措施的設(shè)計(jì)理念不一致。

　　(2)球閥參與機(jī)組甩負(fù)荷流量調(diào)節(jié)需進(jìn)行動(dòng)水關(guān)閉，其動(dòng)水關(guān)閉的運(yùn)用頻率較常規(guī)水電站的使用高出很多，無(wú)疑提高了對(duì)球閥自身的技術(shù)要求。

　　(3)球閥參與機(jī)組甩負(fù)荷流量調(diào)節(jié)對(duì)球閥的長(zhǎng)期安全運(yùn)行不利。

　　與導(dǎo)葉相比，球閥的過(guò)流量與開(kāi)度(接力器行程)線性度差，加之動(dòng)水條件下關(guān)閉形成湍流的影響，球閥在動(dòng)水關(guān)閉時(shí)的流量特性很難確定，因此電站過(guò)渡過(guò)程計(jì)算結(jié)果與實(shí)際值會(huì)存在偏差。從第二次雙機(jī)甩負(fù)荷試驗(yàn)分析，雖然球閥參與機(jī)組甩負(fù)荷流量調(diào)節(jié)在控制蝸殼內(nèi)水壓力方面效果明顯，但球閥前的壓力上升較多，其運(yùn)用條件惡化，將導(dǎo)致球閥自身的應(yīng)力水平快速且急劇升高，將使傳力部件和軸承承受較高的動(dòng)應(yīng)力，且球閥動(dòng)水關(guān)閉時(shí)的振動(dòng)、噪音也較大。

　　電站運(yùn)行過(guò)程中，球閥樞軸銅軸套內(nèi)壁粘合的自潤(rùn)滑材料發(fā)生過(guò)脫落，導(dǎo)致樞軸卡塞、球閥無(wú)法開(kāi)啟。經(jīng)分析，制造廠商認(rèn)為球閥銅軸套的生產(chǎn)工藝和檢驗(yàn)過(guò)程存在失誤，造成自潤(rùn)滑材料不合格所致。但球閥參與機(jī)組甩負(fù)荷流量調(diào)節(jié)引起的軸承傳力部件較高動(dòng)應(yīng)力會(huì)加速其損壞。

3、球閥參與抽水蓄能機(jī)組甩負(fù)荷流量調(diào)節(jié)的建議

　　為減輕水輪機(jī)工況甩負(fù)荷過(guò)程中蝸殼、導(dǎo)葉后轉(zhuǎn)輪前、尾水管的壓力脈動(dòng)對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響，球閥參與機(jī)組甩負(fù)荷流量調(diào)節(jié)是一種不得已采用的手段。對(duì)于球閥參與機(jī)組甩負(fù)荷流量調(diào)節(jié)，為了保證電站安全、穩(wěn)定和長(zhǎng)期運(yùn)行，應(yīng)在以下方面予以注意：

　　(1)應(yīng)關(guān)注球閥前壓力上升值。球閥參與機(jī)組甩負(fù)荷流量調(diào)節(jié)，球閥以及與球閥相接的壓力鋼管的最大水壓力可能較蝸殼內(nèi)的最大水壓力大許多，壓力鋼管設(shè)計(jì)強(qiáng)度應(yīng)足夠。

　　(2)球閥應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，應(yīng)能滿(mǎn)足多次動(dòng)水關(guān)閉的要求。應(yīng)要求制造廠商在球閥合同文件中對(duì)動(dòng)水關(guān)閉次數(shù)進(jìn)行保證；宜參照《混流可逆式水泵水輪機(jī)基本技術(shù)條件》GB/T 22581-2008 中4.2.2.4條關(guān)于水泵水輪機(jī)主要受力部件的工作應(yīng)力要求提出對(duì)球閥主要部件的強(qiáng)度要求。

　　(3)合理選擇球閥軸承的結(jié)構(gòu)型式。高水頭/揚(yáng)程抽水蓄能電站球閥參與機(jī)組甩負(fù)荷調(diào)節(jié)，球閥關(guān)閉時(shí)間較常規(guī)水電站的快得多，軸承傳遞的作用力也大得多，因此應(yīng)合理選擇軸承的結(jié)構(gòu)型式，避免軸承部件在較高的動(dòng)應(yīng)力下發(fā)生破壞。

　　(4)球閥的油壓裝置應(yīng)具有足夠的容量，應(yīng)如水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)一樣，應(yīng)保證接力器在低油位下至少能完成3 個(gè)全行程操作，以確保機(jī)組及電站在電力系統(tǒng)中的調(diào)峰、調(diào)頻功能。

　　(5)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)球閥運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。球閥參與機(jī)組甩負(fù)荷流量調(diào)節(jié)使其承受的水壓力高，一旦發(fā)生漏水和破壞則可能使事故快速發(fā)展，威脅電站安全，因此應(yīng)加強(qiáng)對(duì)球閥及球閥室的監(jiān)測(cè)。