某灯泡贯流式电站尾水闸门充水阀振动原因分析与处理

胡江伟

(江西赣能股份有限公司居龙潭水电厂，江西 赣州 341000)

灯泡贯流式电站由于具有其优点，近年来得到了快速的发展。为了机组检修的需要，在机组的进水口和尾水管出口处均设置了检修闸门。按照《水电工程钢闸门设计规范》(NB 35055-2015)[1]规定，闸门的平压设施采用设置于门体的充水阀。某灯泡贯流式电站的尾水闸门原设计为快速事故闸门，当机组发生事故丢弃所带负荷，且调速系统故障导叶无法关闭时，尾水闸门卷扬机在直流电源控制下打开制动器，闸门依靠重力的作用落下切断水流实现机组停机。后来在安全鉴定时，设计院根据专家建议对尾水闸门进行了修改，将尾水闸改为事故检修门，即只在机组检修时，落下尾水闸门，作为防止机组转动或流道排水的安全措施。设计变更后，在尾水闸门本体上设置2个直径为500 mm的充水阀(见图1)。

图1 尾水闸门充水阀图

2台尾水闸门及充水阀投运后，在不同工况下，先后多次发生异常振动现象，严重影响设备设施的安全，需查明原因，制定具体措施进行改进。

1.1 现象

在一次1号水轮机导叶反馈传感器更换工作中，由于进水口闸门为两扇叠门，进水口门机操作步骤繁琐，完全落下操作所用时间长(近2 h)，且该项工作无需对前后流道排水，故尚未落下进水口闸门，仅落下尾水闸门，当时上下游水位差(水头)为16 m。在导叶传感器更换完毕后，进行全行程调试，快速往返操作(开、关)的过程中，当导叶快速关闭时(关闭操作时间在50 s左右)，1号机组转轮室及尾水管和尾水闸门等处突然发生有规律的严重振动和异常声响(类似于机组启动的声响)，厂房地面也同步振动。值班人员立即对设备进行检查，发现水轮机导叶在全关状态，尾水管排气孔处间断性地有水流出，但水轮发电机组未转动。值班人员随后缓慢打开导叶10个开度，各部位的异常振动和声响逐渐消失。

另一次在2号机组检修前，操作落下尾水闸门即将到全关状态时，再次发生类似现象。当时上下游水位差(水头)为19 m，到现场检查发现尾水闸门及其充水阀处发生强烈振动和异常声响，并导致闸门拉杆销轴脱落。值班人员立即停止操作，布置安全措施后将闸门拉杆销轴装回。

1.2 原因分析

针对充水阀两次振动和异常声响情况，通过查阅尾水闸门的充水阀设计安装相关图纸(如图1所示)资料，初步分析1号机组尾水管等处发生振动的原因为：由于进水口闸门未落下，操作导叶时引起尾水管内水压波动，导致充水阀在关闭和打开状态之间变化(可能为水击)所致。2号机组的振动原因为：由于上下游水位差(水头)较大(19 m)，充水阀受到的水压力超过平衡梁配重，导致充水阀无法正常关闭，产生的不稳定水流通过充水阀时引起。

2.1 两种工况下充水阀受力分析

结合尾水闸门充水阀设计图纸、尾水闸门落到底时的状态，进一步对充水阀做受力分析，如图2所示。

图2 充水阀受力示意图

2个充水阀受到的配重力结果如表1。

表1 作用在2个充水阀上配重产生的重力计算值

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计算值

2个充水阀在水头为16、19 m受到的水压力如表3。

表3 水头为16、19 m时2个充水阀承受的水压力计算值

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；
圆周率π取3.14。

2个充水阀在水头为16、19 m时受到的压力差值如表4。

表4 水头为16、19 m时2个充水阀承受的压力差计算值

由表4计算值可知：

当水头为16 m时(以下简称工况1)，充水阀配重与水压力的差值为2 344.59 N，即配重大于水压力。尾水闸门落下后，在平衡梁和拉杆的重力作用下，充水阀可以正常关闭。但是在快速操作导叶，由全关到全开、全开到全关的过程中，由于尾水管排气孔高程(117 m)低于上游水位(119 m)，排气管中产生一定的水流量，该流量产生的水压力变化(水击波)，导致充水阀在尾水管水压力作用下，反复开启、关闭，最终使尾水管出现所描述的振动和异常声响。

当水头为19 m时(以下简称工况2)，充水阀配重与水压力的差值为-9 206.68 N，即配重小于水压力。尾水闸门落下的过程中，尽管导叶已经处于关闭状态，但在所漏的水产生的压力作用下，致使平衡梁和拉杆的重力小于充水阀受到的水压力，导致充水阀无法正常关闭，并且产生振动和异常声响。该现象从表4的数据已得到验证，即前文1.2分析所得结论，无需进一步分析研究。

2.2 对工况1进一步研究分析及理论计算

针对工况1，进一步分析水击波产生的压力变化数值，以验证前文1.2分析的结果。参考文献水击理论与水击计算[2]，对导叶快速关闭后尾水管处的压力变化值按如下公式计算：

(1)

式中：ΔH为水击压力，m；
α为水击波速，对于大直径钢管取1 100 m/s；
g为重力加速度，取9.81 m/s2；
V0为起始流速，m/s；
Vz为终了流速，m/s。

其中导叶处水流流速的计算式，根据参考文献水击理论与水击计算[2]，按如下公式计算：

(2)

式中：V为平均流速，m/s；
Q为过流量，m3/s；
A为过水断面，m2。

其中过流量为导叶在全开状态时的流量。在尾水闸门落下，正常情况该流量应为0。由前文可知，由于尾水管排气孔与上游水位存在高程差，当导叶打开时，排气管处产生了一定量的水流。由于尾水管排气管与导叶系串联管路，中间无其他分管，根据串联管道的水力计算的有关知识[3]，导叶处的流量与排气管的流量相等。查阅相关参数，按照有压管流流量计算公式可得：

Q=(H/sL)1/2

(3)

式中：H为上游水位与尾水管排气管出口的高程差，查原始数据，上游为119.75，排气孔出口117.00，取值2.75 m；
s为管道比阻，可用舍维列夫公式s=0.001 736/d5.3计算，排气管直径0.3 m，代入后得s为1.025；
L为尾水管排气管长度，实测值为23 m。代入式(3)，计算得导叶处过流量为0.341 m3/s。

将以上各相关数据代入式(1)、式(2)，结果如表5。

表5 水击波作用在2个充水阀压力计算值

进一步对水击波相关数据进行分析计算。参考文献水力学[3]有关内容，水击波传播速度按如下公式计算：

c=c0/(1+DK/δE)1/2

(4)

式中：c0为声波在水中的传播速度，取1 435 m/s；
D为管道直径，由于该段由转轮室、尾水管组成，故按两者的平均值计算，近似取6.4 m；
K为水的弹性系数，取1.96×106kPa；
E为管壁材料的弹性模量，钢管为1.96×107kPa；
δ为管壁的厚度，实测值0.012 m。

为分析该水击属性，根据水击相长定义及文献《溪洛渡水电站技术供水系统管道水锤特性分析》[4]，可知相长计算式：

Tr=2l/c

(5)

式中，l为管道长度，由于该段由转轮室、尾水管组成，实测值为26.5 m。

将以上各相关数据代入式4、式5，结果如表6。

表6 水击波速、相长计算值

由表6结果可知，将该水击波相长与导叶关闭时间(按前文1.1所述值，50 s)进行对比，导叶关闭时间大于水击波相长，根据参考文献[2]，可判定该水击为间接水击。

根据间接水击压强近似计算公式Δp=2ρV0l/Ts。式中，Ts为导叶关闭时间，按之后导叶全行程试验结果，取48 s。计算可得2个充水阀承受的水击压力为2 804.5 N，略大于前文表4计算的水头为16 m时充水阀承受的压力差值2 344.59 N。

综合以上计算结果，在快速关闭导叶时，尾水管中发生的水击现象，导致作用在2个充水阀水击压力超过平衡梁重力和浮力差，充水阀瞬间打开。又因水击相长只有0.27 s，按照水击理论，水击压力在此时间内由正转为负值，以致充水阀又瞬间关闭。如此反复，致使转轮室、尾水管和充水阀等处产生振动和异常声响。当手动打开导叶后，该水击波传递至上游水库，各处的振动和异响便自然消失，验证了前文1.2的分析结果。

由前文1、2原因分析和理论计算结果，可知由于该充水阀及相关设备存在以下两个问题导致振动和异常声响。一是尾水闸门充水阀配重不够，当上游库水位在最高水位时(水头超过19 m)，充水阀无法正常关闭；
二是尾水管排气管出口高程太低(117 m)，在进水口闸门未关闭，仅关闭尾水闸门且导叶打开时，排气管处产生了水流，此时操作导叶关闭过快(小于60 s)，该水流即发生间接水击，水击波导致充水阀在关闭和开启之间快速转换，引起尾水管、尾水闸门及其充水阀振动。

针对第一个问题，采取增加平衡梁配重解决。依据上述的理论计算结果，结合平衡梁的实际外形尺寸以及尾水闸门启闭机的载荷，按充水阀配重和水压力差值的4倍计算需要增加配重的质量。即：

(9 206.68×4)/9.81=3 753.99 kg

根据平衡梁外形结构和内部空间，便于放置配重块，按3 500 kg配置。购置3 500 kg铸铁材料，割开平衡梁侧面，将此配重放置于平衡梁内，并调整平衡。完成后在发电机停机状态下，选择上下游水位差为19 m左右。在进水口闸门未落下的情况下，落下尾水闸门，缓慢开启机组导叶，充水阀保持正常关闭，未再发生振动和异常声响现象，消除了设备隐患。

针对第二个问题，采取增加尾水管排气管高程解决。在完成问题一的改进措施后，按高于最高库水位122.00 m计算，在原有排气管出口(高程117 m)处焊接5 m的管路，防止导叶开启时产生水流，快速操作导叶时发生水击。完成改造后，落下尾水闸门，试验缓慢开、关导叶，未再发生水击现象，异常振动和声响问题得到解决。

在完成上述两项改进措施后，为进一步提高可靠性，对相关设备的操作方法也作出规定。即在仅落下尾水闸门的情况下需要操作导叶时，必须参考设计的导叶关闭规律进行操作[5](不小于60 s)，禁止快速开、关导叶。操作过程中要随时监视尾水闸门充水阀变化情况，一旦有异常情况要立即停止操作并分析原因，防止导致事故。

通过对某水电站尾水闸门充水阀振动和异常声响问题进行深入研究分析和理论计算，找出了根本原因。针对该原因以增加充水阀配重、加长排气管长度进行技术改进，并优化操作方法，彻底消除了尾水闸门落下时，充水阀无法正常关闭并产生振动也异响的隐患，有效保障了设备的稳定运行。