浅析某水电站水电站球阀动水关闭试验

高健1邓宇辰2

2瑞丽江一级水电站云南昆明650214）

摘要：某水电站水电站工程采用引水式开发，机组为立轴混流式。电站装机容量6×100MW，总容量60万千瓦，设计平均发电量为40.33亿千瓦时。电站最大水头331m，设计水头299m，最小水头299m，发电死水位717.0m。引水系统采用一条引水隧洞经过调压井后分为两根压力钢管，每根压力钢管连接三台机组（一管三机）。每台机组对应配置一个进水阀（球阀），球阀型号为QF400-WY-180，两台球阀共用一套油压装置。

球阀动水关闭试验是为了评价球阀及相关设备抗震性能和安全性,通过不同负荷下模拟水轮发电机组在发生事故而导致导水机构不能关闭情况下,检验球阀在动水中紧急关闭的能力,且球阀本体不产生损坏或有害变形。

关键词：球阀；动水关闭

一、球阀的基本结构及作用

1.1球阀的基本结构

球阀由以下基本部分组成：（1）阀门本体结构（包括：阀体、活门、阀轴、轴承（套）密封装置等）；（2）阀门操作机构（含接力器，臂柄等部件用于操作活门全关或全开）；（3）旁通阀；（4）空气阀；（5）伸缩节；（6）连接管；（7）阀门自动操作系统等。

1.2球阀的作用

球阀是水轮发电机组必不可缺少的重要部件，安装在水轮机组的进水管道上，它的作用是：（1）进水管道或机组检修时关闭阀门以切断水流；（2）机组长期停机时关闭阀门以减少水量的漏损；（3）机组发生事故而导水结构不能关闭时，紧急关闭阀门，以防止事故的进一步扩大。某水电站水电站球阀有关技术参数如下：

表1.1球阀有关技术参数

二、试验目的

2.1试验开展的必要性

水轮机组进水主阀是水电厂重要的事故保护设备之一，其设计、制造、安装质量的好坏直接影响电站的安全运行，云南省内大中型机组中常见的主阀类型有球阀、球阀和筒阀，未设置主阀的机组一般在进水口设有事故快速闸门。

基于主阀在电站安全保障方面的重要性，国家有关标准要求主阀必须具备动水关闭的能力(GB/T14478-2012大中型水轮机进水阀门基本技术条件第4.2条机组在任何运行工况下，进水阀门应能动水关闭且不产生有害振动)。

然而主阀是否具备动水关闭的能力，能否在事故发生时真正起到保护作用，仅仅通过机组正常开停机过程观察主阀启闭状况，是无法真正检验和掌握其实际运行状况的。而动水关闭试验就是在做好安全措施的前提下，人为创造动水关闭的条件，从静水到动水、从低负荷到高负荷，有步骤的检验主阀在动水关闭过程中关闭时间、阀体位移、阀体及钢管振动、水压等相关参数是否满足设计要求和厂家技术条件。此外，在工况相对恶劣但风险可控的前提下对主阀进行动水关闭考验，能够及早发现并暴露主阀隐藏的问题和缺陷，比如：焊缝缺陷、连接法兰漏水、阀体基础螺栓松动变形、伸缩节伸缩量及主阀振动异常等。

因此，从国家标准要求及电站安全运行等方面考虑，机组有必要开展进水球阀动水关闭试验。

2.2试验主要有以下目的:

1）检验球阀在动水关闭过程中，伸缩节、上下游钢管、球阀本体、球阀基础支墩是否满足设计规范要求、是否会出现超过允许值的振动响应或位移异常现象；检验球阀伸缩节的抗振能力；检验进水口引水钢管外包混凝土的承载能力；主厂房结构抗振能力初步评估。根据上述试验结果，参照中华人民共和国相关标准及其它标准，对某水电站电站的有关结构进行评估。

2）验证在给定运行工况下，球阀在规定时间内完成动水关闭操作的可靠性；

3）测定有关油路的实际操作油压，分析球阀的操作力矩是否符合要求；

4）监测机组振动状态，评价水轮发电机组的振动量是否满足要求；

5）为制定球阀开、关安全操作规程提供参考资料；

6）为电站安全运行提供技术资料和决策依据。

三、试验方法和步骤

3.1试验方法

首先在导叶全关、机组停机时完成球阀静水启闭试验，要求开启、关闭操作正常，球阀启闭到位，控制柜状态指示灯显示正确，开启、关闭时间满足设计要求，启闭过程球阀监视无异常。静水试验完成后机组带负荷进行球阀动水关闭试验，试验按25%、50%、75%、100%额定负荷依次进行(试验次数经各方协商后再决定，如：可以只按50%、100%额定负荷进行两次，也可增加空载下动水关闭试验)。现地操作球阀控制柜，关闭球阀，球阀活门逐渐由全开向全关转动，机组有功功率相应逐渐减小，当负荷接近0MW时通过按动机组LCU紧急停机按钮跳发电机出口断路器和励磁系统灭磁开关、动作调速器紧急停机电磁阀，最终球阀全关，机组完成停机过程。每次试验完毕后分析测试数据，评估球阀动水关闭能力，若在安全控制指标以内，方可进行下一次负荷试验，直到试验结束为止。

3.2试验步骤

3.2.1静水试验

（1）球阀静水启闭试验

试验条件：进水口闸门开启，机组处于停机状态，导叶全关且锁锭投入，导叶漏水量满足要求，机组制动风闸投入，球阀检修密封退出，球阀锁锭拔出，球阀油压装置工作正常，压力及油位处于正常工作范围之内。

当测试设备启动后，旁通阀打开平压，现地手动操作开启球阀，用活门转角位移传感器记录开启行程，测定开启时间；试验过程中观察活门是否正常，全开后行程开关信号是否正常开出。

开启时间测试完成后完成关闭时间测试，记录关闭时间，观察活门是否关闭到位，行程开关信号是否正常。为确保在厂用交流电消失的情况下球阀启闭的可靠性，人为切除油泵电机交流电源，进行球阀启闭试验，记录油压装置油压下降情况，观察启闭过程是否正常。电源消失的情况下，球阀能够正常启闭的次数应能满足厂家的技术要求。

（2）紧急停机回路球阀传动试验

待球阀开关机时间测定完成后，进行紧急停机回路传动试验。

试验条件：机组处于停机状态，导叶全关且锁锭投入，导叶漏水量满足要求，机组制动风闸投入，球阀锁锭拔出，紧急停机回路工作正常，球阀处于全开位置。

待测试设备启动后，按下现地LCU柜“紧急停机”按钮，观察球阀和导叶动作是否正常，检验紧急停机回路中联动关闭导叶和球阀的正确性。试验结束进行相应复归。

（3）紧急停机回路导叶传动试验

待紧急停机回路球阀传动试验完成后，进行紧急停机回路导叶传动试验。

试验条件：进水口闸门开启，机组处于停机状态，球阀全关且锁锭投入，导叶全开，机组制动风闸投入，调速系统油压装置工作正常。

待测试设备启动后，按下现地LCU柜“紧急停机”按钮，观察导叶是否正常关闭。试验完成后复归LCU紧急停机信号及紧急停机电磁阀。

（4）进水闸门动作试验

为避免出现事故时，进水闸门能够快速落下，在静水情况下进行闸门的动作试验。

试验条件：机组处于停机状态，导叶全关且锁锭投入，球阀处于全关状态且工作密封和锁锭投入。

操作启闭装置将进水闸门提起，解除锁锭后放入门槽内，观察事故闸门能否正常落下，用秒表记录关闭时间。试验完成后将闸门提起，恢复闸门全开状态。

3.2.2动水试验

所有静水试验全部完成且测试正常后才能进行动水试验。

球阀动水关闭试验条件：所有电气设备工作正常，所有保护均正常投入，机组满足开机条件，正常自动开机并网后至发电状态（有功可略微增加，避免机组调相运行）。

试验步骤：动水关闭试验按25%、50%、75%、100%额定负荷依次进行，每次试验结束后经数据分析及现场检查后确定下次试验是否进行。在整个试验阶段中若发现异常情况应立即终止试验，有较大安全隐患时，现场指挥应立刻启动应急措施。

具体操作如下：机组带负荷至试验工况，现场测试人员准备工作完成后由试验总指挥下令手动操作球阀控制柜关闭球阀，待有功将减至接近0MW时，由工作人员操作机组现地LCU紧急停机按钮，使机组进入紧急停机流程，机组停机后进行相应复归，并完成数据分析，同时工作人员检查球阀及前后钢管焊缝等是否正常，确认安全后方可开机进行下一次的动水关闭试验。

四、主要测试参数的测点布置

4.1主要测试参数

1）、球阀支墩动应力、动位移；

2）、球阀进水口压力钢管动应力、动位移、振动速度；

3）、球阀出水口压力钢管动应力、动位移、振动速度；

4）、球阀体动位移；

5）、球阀支墩动应力、动位移；

6）、球阀进水口压力钢管外包混凝土动应力；

7）、厂房结构各楼层振动位移；

4.2测点布置图

4.2.1球阀混凝土支墩测点布置

球阀支墩（混凝土）动应力与动位移测点布置示意图见图1。

支墩动应力测量采用电阻应变计进行，共布置6枚应变计，测点布置在混凝土支墩的上游面（或下游面）、侧面。通过测量结构的动应力，检验动水关球阀时球阀基础的抗振能力是否满足设计要求。

支墩动位移测量采用低频高灵敏度位移传感器进行。共布置６枚动位移传感器，测点布置在支墩的顶面。通过测量混凝土结构的动位移，了解振动位移的大小并评价球阀支墩的振动变形是否超过规定标准。

4.2.2钢管动位移、速度、动应力测点布置

钢管动位移、速度、动应力测点布置示意图见图2。

钢管动应力测量选择三个断面进行（见图2）。钢管动应力测量仍采用电阻应变计进行，共布置6枚应变计，主要测量引水钢管环向和轴向的变化规律。通过测量钢管结构的动应力，了解球阀关闭过程中对机组进水口钢管压力的影响，比较Ⅰ、Ⅱ断面的动应力了解伸缩节的减振能力。

钢管动位移、速度测量采用低频高灵敏度位移传感器进行。共布置9枚动位移、9枚速度传感器，测点布置在引水钢管的顶面，测量方向包括垂直、轴向、环向三个方向。通过测量钢管的动位移，了解钢管振动位移的大小，检验伸缩节的性能，并评价引水钢管的振动变形是否超过规定标准。

4.2.3厂房结构动位移测点布置

厂房结构振动位移测点主要布置在发电机层、中间层、水轮机层的楼板中靠近吊物孔附近，共3个测点。

4.2.4进水口压力钢管外包混凝土测点布置

为了了解进水口压力钢管外包混凝土的抗振能力，并分析压力钢管与外包混凝土联合受力的分配比例，拟在外包混凝土靠近压力钢管的部位布置测点。测点沿压力钢管切向布置，共2～3个测点。

图1.球阀支墩（混凝土）动位移、速度、动应力测点布置示意图

图2.引水钢管动应力和动位移测点位置示意图

五、试验方法及技术要求

5.1试验方法

检测采用电测法，动应力及动位移试验框图如图3和图4所示。

动应力检测流程：

图3.动应力检测框图

动位移检测流程：

图4.动位移检测框图

5.2试验技术要求

(1）动应力测量技术要求

①放样把试验方案确定的布置图上的测点落实到被检测结构物上；

②每个测点进行清洗后，布置电阻应变计；检查绝缘度，钢管测点要求绝缘电阻R＞100MΩ，混凝土测点绝缘电阻R＞20MΩ，绝缘度不合要求者要采取适当措施，必要时铲除重贴；

③敷设测量导线、检查和调试仪器

把所有统一编号的导线与测点一一焊好，导线另一端接到测站仪器接口位置，如果使用长导线要注意导线的测量干扰问题。全部测点接线完成之后，调试仪器，逐点检查，对质量不好的测点，要查出原因予以更正，必要时重新贴片。

测点布置与仪器调试工作须在试验前完成。

应保证测量系统连接处接触电阻的稳定性，应将连接点妥善固定，仪器接地，采用稳压电源，确保测试信号干扰小于3%，测试系统测量误差小于3%，控制零漂。

（2）动位移、速度测量技术要求

①动位移测量包括钢管位移、混凝土支墩水平位移等内容，根据位移测点布置图，凡是考虑要布置测点的地方，都要作必要的位移计定位准备。传感器与被测量构件的表面接触良好，不应产生安装频率而影响测试结果的分析

②位移、速度测点准备好以后，在试验前应进行现场模拟试验，反复熟悉读数过程，一方面消除残余位移，同时检验测试系统的可靠性。

六、结语

本文主要对球阀动水关闭试验的必要条件和具体试验步骤进行阐述，在试验进行中存在以下几种危险因素尤其值得注意。(1)动水关球阀过程中水锤引起的机组抬机量过高导致事故;(2)反水锤引起输水系统压力聚升,输水管路破裂,导致水淹厂房;(3)机组超速,引起发电机飞逸。

针对以上因素,一定要求对试验的整个过程进行全程监控,如若出现压力过高或转速超值则立即停止试验,处理妥当后方可继续试验。甩负荷工况是电站运行的不利工况，必须在有条件的情况下，才能进行相关试验。

参考文献：

[1]Q/YUPD-28-2012瑞丽江一级水电站《运行规程》，云南联合电力开发有限公司发布，2012.

[2]《瑞丽江球阀动水关闭试验现场试验大纲》，哈尔滨电机厂有限公司.

[3]《瑞丽江一级水电站机组动水关球阀试验大纲》，武汉大学.

[4]《瑞丽江一级水电站球阀动水关闭试验专项应急预案》，云南联合电力开发有限公司.