某燈泡貫流式電站尾水閘門充水閥振動(dòng)原因分析與處理

胡江偉

(江西贛能股份有限公司居龍?zhí)端姀S，江西 贛州 341000)

燈泡貫流式電站由于具有其優(yōu)點(diǎn)，近年來得到了快速的發(fā)展。為了機(jī)組檢修的需要，在機(jī)組的進(jìn)水口和尾水管出口處均設(shè)置了檢修閘門。按照《水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB 35055-2015)[1]規(guī)定，閘門的平壓設(shè)施采用設(shè)置于門體的充水閥。某燈泡貫流式電站的尾水閘門原設(shè)計(jì)為快速事故閘門，當(dāng)機(jī)組發(fā)生事故丟棄所帶負(fù)荷，且調(diào)速系統(tǒng)故障導(dǎo)葉無法關(guān)閉時(shí)，尾水閘門卷揚(yáng)機(jī)在直流電源控制下打開制動(dòng)器，閘門依靠重力的作用落下切斷水流實(shí)現(xiàn)機(jī)組停機(jī)。后來在安全鑒定時(shí)，設(shè)計(jì)院根據(jù)專家建議對(duì)尾水閘門進(jìn)行了修改，將尾水閘改為事故檢修門，即只在機(jī)組檢修時(shí)，落下尾水閘門，作為防止機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)或流道排水的安全措施。設(shè)計(jì)變更后，在尾水閘門本體上設(shè)置2個(gè)直徑為500 mm的充水閥(見圖1)。

圖1 尾水閘門充水閥圖

2臺(tái)尾水閘門及充水閥投運(yùn)后，在不同工況下，先后多次發(fā)生異常振動(dòng)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響設(shè)備設(shè)施的安全，需查明原因，制定具體措施進(jìn)行改進(jìn)。

1 振動(dòng)現(xiàn)象及原因分析

1.1 現(xiàn)象

在一次1號(hào)水輪機(jī)導(dǎo)葉反饋傳感器更換工作中，由于進(jìn)水口閘門為兩扇疊門，進(jìn)水口門機(jī)操作步驟繁瑣，完全落下操作所用時(shí)間長(近2 h)，且該項(xiàng)工作無需對(duì)前后流道排水，故尚未落下進(jìn)水口閘門，僅落下尾水閘門，當(dāng)時(shí)上下游水位差(水頭)為16 m。在導(dǎo)葉傳感器更換完畢后，進(jìn)行全行程調(diào)試，快速往返操作(開、關(guān))的過程中，當(dāng)導(dǎo)葉快速關(guān)閉時(shí)(關(guān)閉操作時(shí)間在50 s左右)，1號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪室及尾水管和尾水閘門等處突然發(fā)生有規(guī)律的嚴(yán)重振動(dòng)和異常聲響(類似于機(jī)組啟動(dòng)的聲響)，廠房地面也同步振動(dòng)。值班人員立即對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)導(dǎo)葉在全關(guān)狀態(tài)，尾水管排氣孔處間斷性地有水流出，但水輪發(fā)電機(jī)組未轉(zhuǎn)動(dòng)。值班人員隨后緩慢打開導(dǎo)葉10個(gè)開度，各部位的異常振動(dòng)和聲響逐漸消失。

另一次在2號(hào)機(jī)組檢修前，操作落下尾水閘門即將到全關(guān)狀態(tài)時(shí)，再次發(fā)生類似現(xiàn)象。當(dāng)時(shí)上下游水位差(水頭)為19 m，到現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)尾水閘門及其充水閥處發(fā)生強(qiáng)烈振動(dòng)和異常聲響，并導(dǎo)致閘門拉桿銷軸脫落。值班人員立即停止操作，布置安全措施后將閘門拉桿銷軸裝回。

1.2 原因分析

針對(duì)充水閥兩次振動(dòng)和異常聲響情況，通過查閱尾水閘門的充水閥設(shè)計(jì)安裝相關(guān)圖紙(如圖1所示)資料，初步分析1號(hào)機(jī)組尾水管等處發(fā)生振動(dòng)的原因?yàn)椋河捎谶M(jìn)水口閘門未落下，操作導(dǎo)葉時(shí)引起尾水管內(nèi)水壓波動(dòng)，導(dǎo)致充水閥在關(guān)閉和打開狀態(tài)之間變化(可能為水擊)所致。2號(hào)機(jī)組的振動(dòng)原因?yàn)椋河捎谏舷掠嗡徊?水頭)較大(19 m)，充水閥受到的水壓力超過平衡梁配重，導(dǎo)致充水閥無法正常關(guān)閉，產(chǎn)生的不穩(wěn)定水流通過充水閥時(shí)引起。

2 理論分析計(jì)算

2.1 兩種工況下充水閥受力分析

結(jié)合尾水閘門充水閥設(shè)計(jì)圖紙、尾水閘門落到底時(shí)的狀態(tài)，進(jìn)一步對(duì)充水閥做受力分析，如圖2所示。

圖2 充水閥受力示意圖

2個(gè)充水閥受到的配重力結(jié)果如表1。

表1 作用在2個(gè)充水閥上配重產(chǎn)生的重力計(jì)算值

平衡梁在水中受到的浮力如表2。

表2 平衡梁在水中的浮力計(jì)算值

2個(gè)充水閥在水頭為16、19 m受到的水壓力如表3。

表3 水頭為16、19 m時(shí)2個(gè)充水閥承受的水壓力計(jì)算值

表1、表2、表3中重力加速度g取9.81 N/kg；水的比重ρ取1.0×103kg/m3；圓周率π取3.14。

2個(gè)充水閥在水頭為16、19 m時(shí)受到的壓力差值如表4。

表4 水頭為16、19 m時(shí)2個(gè)充水閥承受的壓力差計(jì)算值

由表4計(jì)算值可知：

當(dāng)水頭為16 m時(shí)(以下簡稱工況1)，充水閥配重與水壓力的差值為2 344.59 N，即配重大于水壓力。尾水閘門落下后，在平衡梁和拉桿的重力作用下，充水閥可以正常關(guān)閉。但是在快速操作導(dǎo)葉，由全關(guān)到全開、全開到全關(guān)的過程中，由于尾水管排氣孔高程(117 m)低于上游水位(119 m)，排氣管中產(chǎn)生一定的水流量，該流量產(chǎn)生的水壓力變化(水擊波)，導(dǎo)致充水閥在尾水管水壓力作用下，反復(fù)開啟、關(guān)閉，最終使尾水管出現(xiàn)所描述的振動(dòng)和異常聲響。

當(dāng)水頭為19 m時(shí)(以下簡稱工況2)，充水閥配重與水壓力的差值為-9 206.68 N，即配重小于水壓力。尾水閘門落下的過程中，盡管導(dǎo)葉已經(jīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，但在所漏的水產(chǎn)生的壓力作用下，致使平衡梁和拉桿的重力小于充水閥受到的水壓力，導(dǎo)致充水閥無法正常關(guān)閉，并且產(chǎn)生振動(dòng)和異常聲響。該現(xiàn)象從表4的數(shù)據(jù)已得到驗(yàn)證，即前文1.2分析所得結(jié)論，無需進(jìn)一步分析研究。

2.2 對(duì)工況1進(jìn)一步研究分析及理論計(jì)算

針對(duì)工況1，進(jìn)一步分析水擊波產(chǎn)生的壓力變化數(shù)值，以驗(yàn)證前文1.2分析的結(jié)果。參考文獻(xiàn)水擊理論與水擊計(jì)算[2]，對(duì)導(dǎo)葉快速關(guān)閉后尾水管處的壓力變化值按如下公式計(jì)算：

(1)

式中：ΔH為水擊壓力，m；α為水擊波速，對(duì)于大直徑鋼管取1 100 m/s；g為重力加速度，取9.81 m/s2；V0為起始流速，m/s；Vz為終了流速，m/s。

其中導(dǎo)葉處水流流速的計(jì)算式，根據(jù)參考文獻(xiàn)水擊理論與水擊計(jì)算[2]，按如下公式計(jì)算：

(2)

式中：V為平均流速，m/s；Q為過流量，m3/s；A為過水?dāng)嗝?，m2。

其中過流量為導(dǎo)葉在全開狀態(tài)時(shí)的流量。在尾水閘門落下，正常情況該流量應(yīng)為0。由前文可知，由于尾水管排氣孔與上游水位存在高程差，當(dāng)導(dǎo)葉打開時(shí)，排氣管處產(chǎn)生了一定量的水流。由于尾水管排氣管與導(dǎo)葉系串聯(lián)管路，中間無其他分管，根據(jù)串聯(lián)管道的水力計(jì)算的有關(guān)知識(shí)[3]，導(dǎo)葉處的流量與排氣管的流量相等。查閱相關(guān)參數(shù)，按照有壓管流流量計(jì)算公式可得：

Q=(H/sL)1/2

(3)

式中：H為上游水位與尾水管排氣管出口的高程差，查原始數(shù)據(jù)，上游為119.75，排氣孔出口117.00，取值2.75 m；s為管道比阻，可用舍維列夫公式s=0.001 736/d5.3計(jì)算，排氣管直徑0.3 m，代入后得s為1.025；L為尾水管排氣管長度，實(shí)測(cè)值為23 m。代入式(3)，計(jì)算得導(dǎo)葉處過流量為0.341 m3/s。

將以上各相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(1)、式(2)，結(jié)果如表5。

表5 水擊波作用在2個(gè)充水閥壓力計(jì)算值

進(jìn)一步對(duì)水擊波相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算。參考文獻(xiàn)水力學(xué)[3]有關(guān)內(nèi)容，水擊波傳播速度按如下公式計(jì)算：

c=c0/(1+DK/δE)1/2

(4)

式中：c0為聲波在水中的傳播速度，取1 435 m/s；D為管道直徑，由于該段由轉(zhuǎn)輪室、尾水管組成，故按兩者的平均值計(jì)算，近似取6.4 m；K為水的彈性系數(shù)，取1.96×106kPa；E為管壁材料的彈性模量，鋼管為1.96×107kPa；δ為管壁的厚度，實(shí)測(cè)值0.012 m。

為分析該水擊屬性，根據(jù)水擊相長定義及文獻(xiàn)《溪洛渡水電站技術(shù)供水系統(tǒng)管道水錘特性分析》[4]，可知相長計(jì)算式：

Tr=2l/c

(5)

式中，l為管道長度，由于該段由轉(zhuǎn)輪室、尾水管組成，實(shí)測(cè)值為26.5 m。

將以上各相關(guān)數(shù)據(jù)代入式4、式5，結(jié)果如表6。

表6 水擊波速、相長計(jì)算值

由表6結(jié)果可知，將該水擊波相長與導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間(按前文1.1所述值，50 s)進(jìn)行對(duì)比，導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間大于水擊波相長，根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]，可判定該水擊為間接水擊。

根據(jù)間接水擊壓強(qiáng)近似計(jì)算公式Δp=2ρV0l/Ts。式中，Ts為導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間，按之后導(dǎo)葉全行程試驗(yàn)結(jié)果，取48 s。計(jì)算可得2個(gè)充水閥承受的水擊壓力為2 804.5 N，略大于前文表4計(jì)算的水頭為16 m時(shí)充水閥承受的壓力差值2 344.59 N。

綜合以上計(jì)算結(jié)果，在快速關(guān)閉導(dǎo)葉時(shí)，尾水管中發(fā)生的水擊現(xiàn)象，導(dǎo)致作用在2個(gè)充水閥水擊壓力超過平衡梁重力和浮力差，充水閥瞬間打開。又因水擊相長只有0.27 s，按照水擊理論，水擊壓力在此時(shí)間內(nèi)由正轉(zhuǎn)為負(fù)值，以致充水閥又瞬間關(guān)閉。如此反復(fù)，致使轉(zhuǎn)輪室、尾水管和充水閥等處產(chǎn)生振動(dòng)和異常聲響。當(dāng)手動(dòng)打開導(dǎo)葉后，該水擊波傳遞至上游水庫，各處的振動(dòng)和異響便自然消失，驗(yàn)證了前文1.2的分析結(jié)果。

3 處理措施及效果驗(yàn)證

由前文1、2原因分析和理論計(jì)算結(jié)果，可知由于該充水閥及相關(guān)設(shè)備存在以下兩個(gè)問題導(dǎo)致振動(dòng)和異常聲響。一是尾水閘門充水閥配重不夠，當(dāng)上游庫水位在最高水位時(shí)(水頭超過19 m)，充水閥無法正常關(guān)閉；二是尾水管排氣管出口高程太低(117 m)，在進(jìn)水口閘門未關(guān)閉，僅關(guān)閉尾水閘門且導(dǎo)葉打開時(shí)，排氣管處產(chǎn)生了水流，此時(shí)操作導(dǎo)葉關(guān)閉過快(小于60 s)，該水流即發(fā)生間接水擊，水擊波導(dǎo)致充水閥在關(guān)閉和開啟之間快速轉(zhuǎn)換，引起尾水管、尾水閘門及其充水閥振動(dòng)。

針對(duì)第一個(gè)問題，采取增加平衡梁配重解決。依據(jù)上述的理論計(jì)算結(jié)果，結(jié)合平衡梁的實(shí)際外形尺寸以及尾水閘門啟閉機(jī)的載荷，按充水閥配重和水壓力差值的4倍計(jì)算需要增加配重的質(zhì)量。即：

(9 206.68×4)/9.81=3 753.99 kg

根據(jù)平衡梁外形結(jié)構(gòu)和內(nèi)部空間，便于放置配重塊，按3 500 kg配置。購置3 500 kg鑄鐵材料，割開平衡梁側(cè)面，將此配重放置于平衡梁內(nèi)，并調(diào)整平衡。完成后在發(fā)電機(jī)停機(jī)狀態(tài)下，選擇上下游水位差為19 m左右。在進(jìn)水口閘門未落下的情況下，落下尾水閘門，緩慢開啟機(jī)組導(dǎo)葉，充水閥保持正常關(guān)閉，未再發(fā)生振動(dòng)和異常聲響現(xiàn)象，消除了設(shè)備隱患。

針對(duì)第二個(gè)問題，采取增加尾水管排氣管高程解決。在完成問題一的改進(jìn)措施后，按高于最高庫水位122.00 m計(jì)算，在原有排氣管出口(高程117 m)處焊接5 m的管路，防止導(dǎo)葉開啟時(shí)產(chǎn)生水流，快速操作導(dǎo)葉時(shí)發(fā)生水擊。完成改造后，落下尾水閘門，試驗(yàn)緩慢開、關(guān)導(dǎo)葉，未再發(fā)生水擊現(xiàn)象，異常振動(dòng)和聲響問題得到解決。

在完成上述兩項(xiàng)改進(jìn)措施后，為進(jìn)一步提高可靠性，對(duì)相關(guān)設(shè)備的操作方法也作出規(guī)定。即在僅落下尾水閘門的情況下需要操作導(dǎo)葉時(shí)，必須參考設(shè)計(jì)的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行操作[5](不小于60 s)，禁止快速開、關(guān)導(dǎo)葉。操作過程中要隨時(shí)監(jiān)視尾水閘門充水閥變化情況，一旦有異常情況要立即停止操作并分析原因，防止導(dǎo)致事故。

4 結(jié) 語

通過對(duì)某水電站尾水閘門充水閥振動(dòng)和異常聲響問題進(jìn)行深入研究分析和理論計(jì)算，找出了根本原因。針對(duì)該原因以增加充水閥配重、加長排氣管長度進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，并優(yōu)化操作方法，徹底消除了尾水閘門落下時(shí)，充水閥無法正常關(guān)閉并產(chǎn)生振動(dòng)也異響的隱患，有效保障了設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。