卢 彬，胡立昂，钱 力，郭旭东，李永红

（河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北 石家庄 050300）

1 前言

总结已发生的案例，输水管道水力自激振发生的大概率条件为：①采用球阀的抽蓄机组；②因各种缺陷，导致球阀工作密封投入不严，投、退腔有串压；③该台机组在停机球阀关闭状态，同水道其他机组在工况转换期间发生的。发生自激振的现象时球阀现场有异常声音，球阀本体及管路有明显晃动。破坏自激振措施的简单有效，关键是及时发现，及时处置，一般可采取打开球阀旁通阀（确保管路及阀门安全的前提下，压力波动初期较小值时较安全）、投入检修密封等，其他如开机、开球阀、再投退工作密封可能存在预条件不满足无法有效执行的情况。球阀工作密封损坏是必然的，同一水道的机组以上运行方式也是必然的，关键是及时监测发现、及时自动采取应对措施。

2 概述

张河湾公司充分利用现有的球阀压差控制箱，将阀前/阀后压力、工作/检修密封投入腔压力、球阀X/Y方向位移集成在球阀压差控制系统内，在此控制系统内，不仅可以实时调取压差控制系统原有上下游压力值及压差值，而且可以实时调取球阀工作/检修密封投入腔压力、球阀X/Y方向位移等数值和历史曲线，方便维护人员监控球阀状态。球阀压差控制系统将球阀压力、位移信号上送至监控，方便运行人员监测球阀状态，遵循“提前预控、尽早判断、快速处置”的原则，及时发现球阀自激振现象，缩短球阀自激振的事故处理时间，避免事故扩大。

3 监测系统组成

3.1 张河湾公司主进水阀设备情况介绍

张河湾电站主进水阀采用双接力器油压操作式球阀结构，主要由阀体、阀芯、旁通管、旁通阀、伸缩节、接力器、油压装置组成。球阀设有上游侧检修密封、下游侧工作密封等两道密封；两道密封的投入水源均取自球阀上游侧压力管道，取水管路均设置有取水过滤器。工作密封投入腔的供排水由工作密封三通阀操作，三通阀在供水方向，压力水进入投入腔，工作密封投入；三通阀在排水方向，投入腔压力水卸掉，工作密封在上游水压（也可以理解为阀芯内压力水）作用下自动退出（见图1）；机组正常启停时，球阀油压系统控制工作密封三通阀来操作工作密封进行投退，球阀检修密封是手动操作，一般在机组检修时投入起隔离作用。

图1 工作密封投退示意图

3.2 压力监测

根据对球阀自激振现象的分析，为及时发现球阀有形成自激振的趋势，对球阀工作密封投退腔压力及球阀上游侧压力管道压力进行数据采集和监控。

（1）张河湾球阀压差控制系统工作原理为：将球阀阀前阀后压力引入控制系统做差运算后，与设定值做比较后输出开关量至监控系统，阀前阀后均装设有压力传感器，并有机械式压力表用来现地判断工作密封和检修密封的投入腔压力，球阀阀前和阀后压力只需要从球阀压差控制箱将阀前阀后压力值（4～20 mA模拟量）上送至监控即可。

（2）将球阀工作密封、检修密封投入腔机械式压力表替换为4～20 mA模拟量压力传感器。将传感器输出量引入监控，设置压力高报警值为4 MPa，添加报警出口条件：球阀在全关位置，防止出现开停机球阀工作密封投退及球阀开关时水力冲击误报警，传感器本身带数显，可在现地传感器显示字幕处读取压力值。

（3）退出腔压力值检测并不适用于张河湾电站，根据图2可见，张河湾电站球阀工作密封退出腔正常情况下就是球阀阀芯水压，在密封环投入时，退出腔也是存在水压的，其本质上也是上游压力水，即阀前压力水。

此项改造完成后，球阀阀前和阀后压力以及工作密封和检修密封投入腔压力，均通过球阀压差控制系统上送监控，并实现实时监测各数据的功能（见图 3）。

图2 工作密封结构图

图3 改造后的球阀压差传感器布置图

4 位移监测

球阀自激振的发生会伴随着阀体的震动，增加1套阀体位移检测装置，将球阀的阀体位移作为是否发生自激振的判断条件。选用瑞士埃默尔公司生产的位移传感器进行安装，与球阀压差控制系统兼容，可充分利用现有球阀压差控制系统的设备，仅增加一组位移传感器及配套信号传输电缆、信号转换模块、信号隔离模块。增设步骤如下：

将球阀位移传感器支架焊接在球阀安装基础板上，在球阀支腿的X/Y 2个方向分别安装2个位移传感器，位移传感器采用接触式位移传感器，上送4～20 mA模拟量至监控，设置报警值为正负1 mm（GE复核的张河湾球阀动水关闭最大位移量为 2.73 mm）。

图4 位移传感器布置示意图

球阀位移监控系统在球阀压差控制箱触摸屏实时显示，球阀位移量通过RS485将信号上送至球阀压差控制箱（见图6），在控制箱触摸屏可以实时查看球阀位移情况及历史位移数据曲线。球阀压差控制箱通过通信模块将压力、位移模拟量信号上送至监控系统。见图7。

图5 位移传感器现地布置图

图6 球阀位移控制原理简图

图7 球阀压差系统和位移系统显示主画面

此项改造完成后球阀X/Y方向位移量数据可以实时的送至监控系统操作员站，值守人员可以随时查看相关数据和历史曲线，并且球阀压差控制系统将实时的更新位移量最大值，设置报警值为±1 mm，可以有效的发现水力自激振发生的前期现象，为故障处理提供依据并赢取时间。

5 球阀自激振时的紧急处置措施

分析各类实例，进一步分析发生球阀自激振的紧急处理措施总结如下：

（1）我厂球阀工作密封的投入依靠密封环上下游侧的截面积不同形成的。当发生水力自激振现象时，可以首先退出工作密封，当工作密封投入腔无水压时，球阀阀芯内有水压时，工作密封可以可靠退出。

（2）我厂球阀设有旁通阀，在发现初期开启球阀旁通阀，球阀旁通阀开启可以通过远方操作，我厂旁通阀为液压阀，需要先启动油压系统，然后发令开启旁通液压阀。

（3）若旁通阀未正常开启或水力自激振动压力较大已影响到旁通阀的动作安全时，应禁止操作旁通阀，而投入自激源机组球阀检修密封。

（4）在水力自激振动初期投入球阀检修密封或退出球阀工作密封。若不确认哪台机组球阀引起水力自激振动的情况下可按逐台投入机组球阀检修密封。

（5）若以上方法仍无法消除自激振动现象，应开启球阀以消除自激振现象，在同一流道相邻机组具备开球阀条件时，可以开启同一流道的其他机组球阀。

（6）若机组在调相工况时发生水力自激振动，应先立即停止调相运行机组。

6 结论

张河湾公司充分利用现有的球阀压差控制箱，将阀前/阀后压力、工作/检修密封投入腔压力、球阀X/Y方向位移集成在球阀压差控制系统内，在此控制系统内，不仅可以实时调取压差控制系统原有上下游压力值及压差值，而且可以实时调取球阀工作/检修密封投入腔压力、球阀X/Y方向位移等数值和历史曲线，方便维护人员监控球阀状态。球阀压差控制系统将球阀压力、位移信号上送至监控，方便运行人员监测球阀状态，遵循“提前预控、尽早判断、快速处置”的原则，及时发现球阀自激振现象，缩短球阀自激振的事故处理时间，避免事故扩大。