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，近年來得到了快速的發(fā)展。為了機組檢修的需要，在機組的進水口和尾水管出口處均設置了檢修閘門。按照《水電工程鋼閘門設計規(guī)范》(NB 35055-2015)[1]規(guī)定，閘門的平壓設施采用設置于門體的充水閥。某燈泡貫流式電站的尾水閘門原設計為快速事故閘門，當機組發(fā)生事故丟棄所帶負荷，且調(diào)速系統(tǒng)故障導葉無法關閉時，尾水閘門卷揚機在直流電源控制下打開制動器，閘門依靠重力的作用落下切斷水流實現(xiàn)機組停機。后來在安全鑒定時，設計院根據(jù)專家建議對尾水閘門進行了修改，將尾水閘改為事故檢修門，即只在機組檢修時，落下尾水閘門，作為防止機組轉動或流道排水的安全措施。設計變更后，在尾水閘門本體上設置2個直徑為500 mm的充水閥(見圖1)。

圖1 尾水閘門充水閥圖

2臺尾水閘門及充水閥投運后，在不同工況下，先后多次發(fā)生異常振動現(xiàn)象，嚴重影響設備設施的安全，需查明原因，制定具體措施進行改進。

1 振動現(xiàn)象及原因分析

1.1 現(xiàn)象

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

另一次在2號機組檢修前，操作落下尾水閘門即將到全關狀態(tài)時，再次發(fā)生類似現(xiàn)象。當時上下游水位差(水頭)為19 m，到現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)尾水閘門及其充水閥處發(fā)生強烈振動和異常聲響，并導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

針對充水閥兩次振動和異常聲響情況，通過查閱尾水閘門的充水閥設計安裝相關圖紙(如圖1所示)資料，初步分析1號機組尾水管等處發(fā)生振動的原因為：由于進水口閘門未落下，操作導葉時引起尾水管內(nèi)水壓波動，導致充水閥在關閉和打開狀態(tài)之間變化(可能為水擊)所致。2號機組的振動原因為：由于上下游水位差(水頭)較大(19 m)，充水閥受到的水壓力超過平衡梁配重，導致充水閥無法正常關閉，產(chǎn)生的不穩(wěn)定水流通過充水閥時引起。

2 理論分析計算

2.1 兩種工況下充水閥受力分析

結合尾水閘門充水閥設計圖紙、尾水閘門落到底時的狀態(tài)，進一步對充水閥做受力分析，如圖2所示。

圖2 充水閥受力示意圖

2個充水閥受到的配重力結果如表1。

表1 作用在2個充水閥上配重產(chǎn)生的重力計算值

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算值

2個充水閥在水頭為16、19 m受到的水壓力如表3。

表3 水頭為16、19 m時2個充水閥承受的水壓力計算值

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個充水閥在水頭為16、19 m時受到的壓力差值如表4。

表4 水頭為16、19 m時2個充水閥承受的壓力差計算值

由表4計算值可知：

當水頭為16 m時(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，充水閥可以正常關閉。但是在快速操作導葉，由全關到全開、全開到全關的過程中，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)，導致充水閥在尾水管水壓力作用下，反復開啟、關閉，最終使尾水管出現(xiàn)所描述的振動和異常聲響。

當水頭為19 m時(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，盡管導葉已經(jīng)處于關閉狀態(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，導致充水閥無法正常關閉，并且產(chǎn)生振動和異常聲響。該現(xiàn)象從表4的數(shù)據(jù)已得到驗證，即前文1.2分析所得結論，無需進一步分析研究。

2.2 對工況1進一步研究分析及理論計算

針對工況1，進一步分析水擊波產(chǎn)生的壓力變化數(shù)值，以驗證前文1.2分析的結果。參考文獻水擊理論與水擊計算[2]，對導葉快速關閉后尾水管處的壓力變化值按如下公式計算：

(1)

式中：ΔH為水擊壓力，m；α為水擊波速，對于大直徑鋼管取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。

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

(2)

式中：V為平均流速，m/s；Q為過流量，m3/s；A為過水斷面，m2。

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

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，實測值為23 m。代入式(3)，計算得導葉處過流量為0.341 m3/s。

將以上各相關數(shù)據(jù)代入式(1)、式(2)，結果如表5。

表5 水擊波作用在2個充水閥壓力計算值

進一步對水擊波相關數(shù)據(jù)進行分析計算。參考文獻水力學[3]有關內(nèi)容，水擊波傳播速度按如下公式計算：

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，由于該段由轉輪室、尾水管組成，故按兩者的平均值計算，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，實測值0.012 m。

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

Tr=2l/c

(5)

式中，l為管道長度，由于該段由轉輪室、尾水管組成，實測值為26.5 m。

將以上各相關數(shù)據(jù)代入式4、式5，結果如表6。

表6 水擊波速、相長計算值

由表6結果可知，將該水擊波相長與導葉關閉時間(按前文1.1所述值，50 s)進行對比，導葉關閉時間大于水擊波相長，根據(jù)參考文獻[2]，可判定該水擊為間接水擊。

根據(jù)間接水擊壓強近似計算公式Δp=2ρV0l/Ts。式中，Ts為導葉關閉時間，按之后導葉全行程試驗結果，取48 s。計算可得2個充水閥承受的水擊壓力為2 804.5 N，略大于前文表4計算的水頭為16 m時充水閥承受的壓力差值2 344.59 N。

綜合以上計算結果，在快速關閉導葉時，尾水管中發(fā)生的水擊現(xiàn)象，導致作用在2個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，水擊壓力在此時間內(nèi)由正轉為負值，以致充水閥又瞬間關閉。如此反復，致使轉輪室、尾水管和充水閥等處產(chǎn)生振動和異常聲響。當手動打開導葉后，該水擊波傳遞至上游水庫，各處的振動和異響便自然消失，驗證了前文1.2的分析結果。

3 處理措施及效果驗證

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

針對第一個問題，采取增加平衡梁配重解決。依據(jù)上述的理論計算結果，結合平衡梁的實際外形尺寸以及尾水閘門啟閉機的載荷，按充水閥配重和水壓力差值的4倍計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)平衡梁外形結構和內(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)電機停機狀態(tài)下，選擇上下游水位差為19 m左右。在進水口閘門未落下的情況下，落下尾水閘門，緩慢開啟機組導葉，充水閥保持正常關閉，未再發(fā)生振動和異常聲響現(xiàn)象，消除了設備隱患。

針對第二個問題，采取增加尾水管排氣管高程解決。在完成問題一的改進措施后，按高于最高庫水位122.00 m計算，在原有排氣管出口(高程117 m)處焊接5 m的管路，防止導葉開啟時產(chǎn)生水流，快速操作導葉時發(fā)生水擊。完成改造后，落下尾水閘門，試驗緩慢開、關導葉，未再發(fā)生水擊現(xiàn)象，異常振動和聲響問題得到解決。

在完成上述兩項改進措施后，為進一步提高可靠性，對相關設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葉時，必須參考設計的導葉關閉規(guī)律進行操作[5](不小于60 s)，禁止快速開、關導葉。操作過程中要隨時監(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，防止導致事故。

4 結 語

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