小天都水電站Φ1.6m球形閥的結構設計

2013-08-31 林洪德真空技術網整理

　　本文介紹了小天都水電站中Φ1.6m球形閥的性能、新結構及結構設計特點以及運行情況。這些新結構的使用，使成套球形閥的總體布局更加合理，性能更先進，既節約了材料，減少了制造工時，又為用戶運行和檢修提供了方便，同時也提高了球形閥的技術經濟指標，創造了良好的社會效果。

1、引言

　　小天都水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣內，是瓦斯河干流梯級開發的第二級，為低閘高水頭引水式電站。上游緊連龍洞梯級電站，下游與冷竹關梯級電站相接。閘首位于柳楊溝口上游約700m處，廠房位于熊家溝口下游約7O0m處，閘首上行約9km至州府康定，廠房下行約33km至滬定，經天全、雅安至成都，公路里程約315km。電站裝機容量為3×80MW。亞洲GE公司提供2臺套水輪發電機組，包括2臺套Φ1.5m球形閥。東方電機有限公司提供1臺套水輪發電機組及1臺套Φ1.6m球形閥。

　　小天都水電站水輪發電機組及輔助設備是我公司在2003年9月16日與四川華能康定水電有限責任公司簽訂的產品供需合同。

　　東方電機有限公司提供的球形閥(見圖1)是水輪機進水閥，球形閥作為水輪機的事故保護和檢修閥門，安裝在引水管下游端的電站廠房內，水平中心線高程為EL1756.5m，球形閥垂直中心線位于機組中心線的上游側7.4m。

圖1 球形閥布置圖

　　為了降低球形閥總體重量，使球形閥結構及性能達到國內外先進水平，我們對一些重要部件結構進行多方案對比分析，在滿足球形閥安全可靠運行的前提下，設計出了體積小、重量輕、符合該電站水輪機要求的Φ1.6m球形閥。設計是從2003年9月開始，于2004年3月25日完成圖紙設計。其間，于2003年11月20日至1月22日，在我公司召開了該機組的第1次設計審查及聯絡會，用戶同意了我公司提出的水輪發電機組及球形閥的設計方案，并協調了有關技術問題，取得了共識。于2004年2月25日至2月27日，在我公司召開了該機組的第2次設計聯絡會，協調了有關技術問題，達成了一致意見。小天都電站于2006年8月投入商業運行，機組及球形閥運行良好，受到用戶好評。

2、水輪機及球形閥的性能參數

　　(1)水輪機的性能參數

　　水輪機型號 HLD381b-LJ-265

　　最大水頭 392.9m

　　設計水頭 358.0m

　　最小水頭 351.5m

　　設計流量 25.13m3/s

　　額定出力 82.1MW

　　額定轉速 428.6r/min

　　旋轉方向俯視順時針

　　(2)球形閥的性能參數

　　球形閥型號 QF4OO.9-WY-160

　　球形閥名義直徑D 1600mm

　　水壓試驗壓力 6.9MPa

　　球形閥額定流量Q 25.13m3/s

　　球形閥最大工作水頭Hmax 400.9m

　　球形閥承受的最大升壓水頭H' 500m

　　接力器直徑Dc Φ650mm

　　接力器行程S 1190mm

　　球形閥開啟時間t 60~150s(可調)

　　球形閥動水關閉時間t 60-150s(可調)

　　接力器操作油壓p 3.6-4.OMPa

　　旁通閥直徑d1 無

　　空氣閥直徑d2 Φ100mm

　　球形閥的最大漏水量(初裝)q 0.01L/min

　　球形閥的油壓裝置型號 HYZ-4-4

　　球形閥的集油裝置 JS-250

　　電站臺數n 1臺

3、球形閥的工作原理

　　當球形閥要開啟時，首先解除檢修密封處的3套周圈均布的沿水流方向鎖錠檢修密封的鎖錠，然后在檢修密封的開啟腔通入壓力油，使檢修密封處于開啟狀態，上游檢修密封的行程開關的信號顯示開啟，在此狀況下，在下游工作密封的開啟腔通入壓力油，使工作密封處于開啟狀態，且下游工作密封的行程開關的信號顯示開啟，這樣，水流就通過上游檢修密封處的周圈間隙與下游工作密封的周圈間隙向蝸殼內充水;當活門前后壓力趨于平衡，控制球形閥的壓力傳感器和壓力開關的顯示達到設定值時，接力器轉動活門由全關旋轉到全開，球形閥開啟過程結束。當球形閥要關閉時，首先，接力器轉動活門由全開旋轉到全關，然后，在下游工作密封的關閉腔通入壓力油，使工作密封處于關閉狀態，且下游工作密封的行程開關的信號顯示關閉，水流被全部截斷，球形閥關閉過程結束。一般情況下，上游檢修密封始終處于開啟位置，只有當機組檢修或球形閥更換工作密封時，關閉球形閥檢修密封，并投入檢修密封的機械鎖錠。長時間停機或機組發生事故而導水機構不能關閉時，關閉球形閥工作密封。值得一提的是球形閥工作密封是要經常被操作、動作的，而檢修密封是很少動作的。另外，在引水鋼管充滿水的情況下，球形閥活門只能處于全關或全開位置，不允許停留在其他位置做調節流量用。

　　球形閥的操作：

　　(l)球形閥能在閥室或中控室以一個電器脈沖按規定程序自動地操作。操作時可以手動，亦可用開、停機繼電器。

　　(2)1臺球形閥用1套HYZ-4-4型油壓設備，其操作油源的額定壓力為3.6~4MPa。球形閥的開啟、關閉是通過油壓操作接力器來實現的。因此，當失去廠用電源，在油壓設備的主、備油泵都不供油的情況下，仍能安全地動水關閉球形閥。

　　(3)油壓設備備用油泵投入，油壓急劇下降及儲油箱油面不正常時，都可以發出警報信號。

4、球形閥結構設計特點及采用的新結構

　　球形閥本體由分半的前閥體、后閥體、活門、自潤滑軸承及檢修密封、工作密封、Φ650搖擺式接力器等零部件組成"附屬設備有上游連接管、下游伸縮節、作排氣和補氣用的Φ100空氣閥以及用于球形閥控制的水系統、油系統及自動化元件，球形閥控制系統的油壓設備系統。球形閥裝配圖見圖2。

圖2 球形閥裝配圖

　　本球形閥為橫軸型，活門中間流道直徑與上、下游引水管直徑相同，具有全開時阻力損失極小(可忽略不計)，全關時密封性能好的優點，是一種新型的雙密封環球形閥。

4.1、球形閥主密封

　　球形閥的檢修密封及工作密封采用相同的不銹鋼活塞式密封環，使其閥體的進口、出口加工尺寸完全相同，為制造加工帶來了極大的方便。閥體采用偏離軸孔斜分半整鑄結構，使閥體分半面周圈密封加工方便，密封效果好，閥體分半面螺栓分布均勻，受力好，避免了沿閥體軸孔中心線垂直分半所造成的軸孔兩側螺栓跨距大，把合力不足，合縫面錯牙漏水現象。閥體偏離軸孔斜分半結構是我公司研發的球形閥新結構。分別在漁子溪Φ1.6m球形閥改造項目上和卡杜里Φ1m球形閥，高橋Φ1m球形閥和華光潭Φ1.75m球形閥、瓦屋山Φ2.5m球形閥等上使用。上、下密封環采用改進后的國內較先進的密封環結構，消除了原來的止漏環受力不好而產生歪斜發卡的現象。前、后閥體密封環滑動處均堆焊有不銹鋼層，以防止運轉中產生銹蝕發卡和磨損橡膠密封圈。閥體的二軸孔是通過軸瓦承受旋轉部分重量以及作用在活門上的水壓力。

4.2、取消旁通閥及球形閥軸心充、排水閥

　　原招標書是要求設旁通閥的，在簽技術協議時，我們與用戶協商，同意取消旁通閥。GE亞洲公司的Φ1.5m球形閥上設置了旁通閥，多了1套系統，對球形閥運行有一定影響。由于球形閥上、下游密封均采用密封環結構，因此，原來球形閥采用密封蓋所用的向球形閥軸心充水和排水液壓閥及檢修液壓閥而設置的閘閥和管路自然取消。同時，利用球形閥下游密封環開啟間隙向蝸殼充水的流量，超過Φ150mm液壓閥充水的流量，所以，向蝸殼充水的液壓閥及為檢修液壓閥而設置的閘閥和管路也同時取消。這樣，使球形閥的結構及操作系統更加簡化。

4.3、活門及封水環

　　活門采用閥軸與整鑄活門焊接為一體的結構，閥軸與整鑄活門焊接為一體的結構也是我公司研發出的新結構，在漁子溪Φ1.6m球形閥和華光潭Φ1.75m球形閥上使用過。活門上、下游處加工有把合封水環的螺孔和止口，以便于封水環套上后把緊、定位，更換封水環也不用拆卸球形閥閥體。封水環與密封環是通過配研磨來達到緊密接觸止漏目的。封水環損壞后，可在不解體球形閥的情況下更換封水環。同時在球形閥制造中，封水環、密封環可單獨加工，成對研磨，為加工帶來方便。活門兩軸頸與軸瓦及密封接觸面為紅套并焊固的不銹鋼套，以防活門軸銹蝕，磨損軸瓦。

4.4、密封環位置顯示裝置

　　密封環為鑄造不銹鋼，在球形閥上、下游導環與閥體之間往復滑動，且帶有專業密封件廠家制造的組合密封圈。這種組合密封圈密封性能好，使用壽命長。密封環只能處于全開或全關位置，行程為8mm。在球形閥上、下游密封環上分別設置了位置行程開關，由電路接至中控室，以顯示密封環處在全關或全開位置信號，便于準確地操作接力器開、關球形閥活門。

4.5、關鍵密封采用進口元件

　　球形閥的密封環上的封油、封水密封圈及軸端封水密封圈采用專業密封件廠家的密封件，以保證密封的可靠性。

4.6、取消止漏蓋及其附屬零件

　　由于采用密封環代替止漏蓋，密封環比止漏蓋輕得多，大大節約了原材料及碟簧等零件，使得結構更加簡單，更有利于加工。

4.7、操作機構(接力器)大大簡化

　　接力器的直徑為Φ650mm，行程為1190mm。接力器的活塞桿通過臂柄與活門軸相連接。接力器的下端蓋與支座之間用銷軸鉸鏈連接，能自由擺動。

　　球形閥采用油壓操作接力器開啟、關閉。油壓設備的額定油壓為3.6-4MPa。上游檢修密封的圓周上設有3個手動機械鎖錠，在檢修機組時，除關閉球形閥檢修密封外，用手動機械鎖錠鎖住，另外，還需關閉操作接力器開啟腔管路上的截止閥，以保證機組在檢修時的絕對安全。

　　操作機構(接力器)簡化如下：

　　(1)取消金屬鉸鏈配油結構，采用金屬軟管結構，使接力器結構大為簡化、可靠。使加工工作量大為減少。

　　(2)接力器活塞桿密封采用專業密封件廠家的密封件，代替多層“V”型橡膠密封或石棉盤根密封，使密封性能提高。

　　(3)接力器活塞桿桿體部分鍍硬鉻，使活塞桿不至于生銹磨壞密封圈。

　　(4)接力器活塞密封采用2道孔用方形圈密封，替代原來的活塞環密封，這種組合密封的密封壓力高，密封壓力為0-4OMPa，經久耐用。而活塞環加工工序多，廢品率高，且工作時竄油量大，使油壓設備的油泵啟動頻繁，能耗大。

4.8、采用燒結自潤滑軸瓦

　　軸承及其密封裝置由燒結自潤滑瓦、鋼套、軸用回轉方形密封圈、壓墊蓋等零部件組成。兩端軸之間用回轉方形密封圈，該密封圈為專業密封件廠家的產品，用以密封通過軸瓦而來的壓力水。

　　球形閥活門軸瓦采用最新研制的燒結自潤滑軸瓦，以代替鋼背復合材料軸瓦和鑄錫青銅軸瓦，降低軸瓦造價，同時不需黃甘油潤滑，可取消銅瓦的注油杯，使加工方便，結構簡單，同時，該種軸瓦的摩擦系數小，提高了操作力矩的安全裕度。

4.9、球形閥上、下游密封環采用油操作

　　在球形閥上游檢修密封處于全開位置時，應首先開啟工作密封，向蝸殼內充水，當活門前、后水壓趨于平衡后(前、后壓差不大于30%)，球形閥即能平穩開啟。

　　由于電站水質差，用水操作需濾水器，且至今電站用的濾水器均不好用，所以采用油操作，從而可節省雙向濾水器，使操作更可靠、安全。為了不使密封環腔內含有水分的油回到油壓設備中去，污染油源，銹蝕自動化元件，故將密封環內的排油另接至用戶自備的廢油箱內。

4.10、空氣閥

　　空氣閥名義直徑為Φ100mm，裝在球形閥伸縮管的頂部。當蝸殼放水時，它就自動打開。當蝸殼充水時，其內部的空氣通過空氣閥排入大氣中。當球形閥動水關閉時，空氣閥向蝸殼及伸縮管補入空氣，以免產生真空而喪失穩定性。

4.11、伸縮節

　　伸縮節裝于球形閥后，與球形閥閥體法蘭和蝸殼法蘭連接。伸縮節既可補償管道的溫度變形，又便于檢修球形閥的工作密封和整體吊裝球形閥。

4.12、上游連接管

　　上游連接管裝于球形閥前，與球形閥閥體法蘭連接。另一端與上游引水管在工地焊接，焊縫進行射線探傷檢查。

5、廠內試驗

　　小天都球形閥在廠內做了閥體的打壓試驗，密封環的動作試驗，球形閥的漏水試驗(球形閥密封不漏水)，球形閥與接力器一起做動作試驗。各項試驗都良好通過。

6、運輸

　　由于小天都Φ1.6m球形閥整體尺寸較小，球形閥本體裝配整體發運工地。運到工地后，不再做試驗，直接移交給業主安裝。

7、電站試驗

　　球形閥安裝后，進行了無水操作試驗、油與水管路打壓試驗、有水操作試驗等一系列機組運行前的試驗。機組運行后，在業主認為合適的時候，由業主方主持，有各方代表參加的，在制造廠代表指導下進行的動水關閉操作試驗。球形閥的動水關閉操作試驗對球形閥來說是一種工況最惡劣環境的試驗，一般業主不愿意作此試驗，因此在國內做了球形閥動水關閉操作試驗的水電站并不多，今后應該會多一些，而對制造廠家來講，提供的球形閥設備應該具備此功能。

8、球形閥運行情況

　　小天都球形閥于2006年8月投入商業運行以來，已運行4年多了，球形閥檢修密封、工作密封動作靈活，不竄油、竄水。伸縮節不漏水，接力器操作自如，不整勁，沒有進行過消缺處理，總體運行很好，比同電站的GE公司帶有旁通閥的球形閥振動小，操作更簡單，深受用戶好評。球形閥正常開、關時間為120s;整定油壓為3.6MPa;Φ100mm空氣閥補、排氣正常;Φ650mm接力器操作容量足夠，能自如地轉動球形閥，包括動水關閉球形閥。這里應該提出的一點，接力器的尺寸設計過大，最初設計為Φ600mm接力器，而提供自動化設備的廠家提出油源經過控制柜的壓降就超過0.3MPa，再加上其他管道壓降，有可能在緊急工況下關閉球形閥的容量不夠，所以應業主方要求，接力器內徑由Φ600mm加大到Φ650mm，實際上Φ600mm接力器也就足夠了。

9、結論

　　球形閥作為機組的進水閥門，對機組的事故保護和對機組的檢修起著至關重要的作用，球形閥運行性能的好壞，直接影響電廠的經濟效益和社會效益，因此，電站對球形閥的結構性能要求也越米越高。像小天都水電站這種高水頭球形閥在設計、制造中，都有一定的難度，既要考慮球形閥的強度、剛度、變形、密封性能，又要考慮鑄件、鍛件、加工件廠家的設備能力，以及運輸條件。小天都水電站球形閥的成功設計制造及順利投運，標志著我公司在技術創新領域又邁上了新臺階，為我公司贏得了榮譽，提高了公司的市場競爭力，同時也為今后的設計制造工作積累了寶貴的經驗，打下了堅實的基礎。