惠州抽水蓄能電站進水閥關閉規律與軸套故障關系研究

林愷，李德武

(惠州蓄能水電廠，廣東惠州516100)

惠州抽水蓄能電站進水閥關閉規律與軸套故障關系研究

林愷，李德武

(惠州蓄能水電廠，廣東惠州516100)

惠州抽水蓄能電站進水閥原軸套在機組投運后不到一年即出現了故障，現場檢查發現軸套自潤滑材料脫落卡塞進水閥樞軸，以致進水閥無法正常開啟，對各種工況受力分析發現軸套在靜態下受力最大，說明原軸套的損壞與進水閥參與過渡過程調節無關。經排查原軸套制造工藝存在缺陷，導致自潤滑材料脫落。對軸套進行換型后已運行達一年，進水閥各項運行指標保持穩定，進一步驗證了進水閥參與過渡過程調節與原軸套故障無必然聯系。

進水閥；過渡過程調節；軸套故障；關閉規律

1 概述

惠州抽水蓄能電站 (以下簡稱惠蓄)位于廣東省惠州市博羅縣礤頭村，是一座周調節的純抽水蓄能電站。電站分A廠、B廠建設，A廠、B廠工程分別安裝4臺機組，單機容量 (發電工況)300MW，額定設計轉速為500 r/min，額定凈水頭為517.4m。主體工程于2004年10月正式開工，2009年5月首臺機組投產發電，2011年全部建成投產。

為了保證機組安全和可靠的運行，水輪機的入水口處均裝設有進水閥，上游與壓力鋼管連接，下游與水輪機進水蝸殼連接。一方面在水輪機及發電機組檢修時通過該閥切斷壓力鋼管內的水流，保證檢修的安全，另一方面在水輪機及發電機出現異常時可有效切斷水流，防止事故的發生〔1〕。

進水閥采用球閥形式，為橫軸雙密封結構，主要由閥體、閥芯、密封裝置和操作機構 (雙接力器)等組成，兩側分別連接上游壓力鋼管和下游延伸段，進水閥公稱直徑為2 m，設計壓力為7.6MPa。進水閥結構如圖1所示。

2 進水閥運行方式和軸套受力分析

機組正常開機時，進水閥線性開啟，導葉在進水閥開啟40%后分段打開，如圖2所示。在機組停機時，無論是正常停機還是跳機，進水閥和導葉均同時關閉，進水閥的關閉規律一致，而導葉關閉規律在不同的情況下卻不相同。由于操作油壓和機械過速裝置動作精度的影響，為保證機組過渡過程達到調節保證的要求，最終機組關閉規律調整至如圖3所示〔2-3〕。

5號機組2011年3月15日啟動調試后，2個月后即出現進水閥樞軸卡阻現象，7個月后進水閥完全無法打開。經現場檢查及分析后確認進水閥軸套存在故障。

由于軸套的損壞程度取決于其受力情況，因此選取了最惡劣的幾種停機工況和正常開機工況對進水閥軸套進行受力分析。計算結果如圖4所示，其中圖 (a)為4臺機組同在最高水頭下同負荷的工況；圖 (b)為4臺機組在最高水頭下同時甩負荷工況，其中1臺機組導葉無法關閉；圖 (c)為3臺機停水下的工況，1臺機組在最高水頭滿負荷運行時進水閥的動水關閉；圖 (d)為機組但正常開機工況。

從圖3中可以看出，軸套受力最大的時候是當進水閥關閉且下游密封處于投入狀態。在各種過渡過程工況中，進水閥動水關閉工況下受力最大，但該工況下軸套受力的最大值還不到進水閥處于靜態時軸套受力值的一半。

從圖3(d)中可以看出，導葉在進水閥開啟40%后打開，此時機組流量完全跟隨導葉的開度變化，說明進水閥在40%～100%這個開度區間對機組流量起不到調節作用，這與球閥在30%開度后受力迅速下降關系也是一致的〔4〕。結合圖2可以看出進水閥在正常停機過程也未對機組流量起到調節作用。因此說明在機組正常開停機過程，進水閥沒有用于截斷水流。

3 進水閥原軸套故障問題分析

從備品軸套的結構看出，進水閥軸套為青銅表面粘接共計24塊feroglideT814材料的自潤滑層，因此初步懷疑自潤滑層脫落卡塞樞軸導致進水閥無法開啟。

2012年初對5號機組進水閥軸套進行了更換，拆卸過程中發現其中1個軸套內壁粘結的自潤滑層已基本全部脫落，部分自潤滑層已被壓碎。

設備供貨商經過全面試驗、分析5號機組拆卸下來的軸套，認為自潤滑材料脫落的原因是制造過程工藝、質量控制存在漏洞，因為自潤滑材料的膠合過程對壓力和溫度有非常高的要求。

考慮到原軸套的結構形式存在固有風險，即粘結工藝要求高，且脫落后易卡澀軸套與樞軸間的縫隙導致進水閥無法操作，因此決定就軸套的設計進行修改。對國內外各種形式軸套進行調研并反復論證，最終選定銅基鑲嵌自潤滑材料軸套 (型號: OILES 500SP1－SL464LT)。該軸套抗拉強度為755 N·mm－2，屈服強度為345 N·mm－2，硬度為HB210，PV最大值為1.65 N/mm2·m/s。

4 軸套換型后運行情況

惠蓄于2012年底和2013年初分別完成A，B廠共8臺機組進水閥新軸套的更換工作。軸套換型運行1年后，各臺機組進水閥平均操作次數為740次 (進水閥開啟和關閉各算1次)，其中操作次數最多的6號機組達1 008次 (其中發電工況啟動315次，抽水工況啟動189次)。

測量4號機組進水閥開啟過程中接力器開啟腔的壓力，新軸套更換后和運行1年后的開啟腔壓力均保持在4.6MPa左右，較為穩定。各臺機組進水閥開啟和關閉時間保持33～35 s，未出現變化。

5 總結

惠蓄機組進水閥原軸套出現故障時，最初懷疑是與進水閥參與了過渡過程調節相關，但從進水閥軸套受力分析看出，過渡過程參與調節受到的作用力遠小于進水閥處于關閉狀態時的受力。經過對原軸套設計、制造等進行排查，發現原軸套的損壞是因為制造過程工藝、質量控制存在漏洞，進一步驗證了進水閥參與過渡過程調節與原軸套故障無必然聯系。

蓄能電站與常規電站在進水閥設計上不同，常規電站進水閥僅檢修時操作，而蓄能電站進水閥每次開停機均要進行開關，但通常不用于截斷水流。惠蓄機組進水閥在正常開停機過程中與導葉的開啟關閉相互配合也達到了不截斷水流的目的。但在機組出現甩負荷時，從電站安全角度考慮，進水閥應跟隨導葉隨動關閉。惠蓄進水閥所采用的先快后慢的關閉規律，可抑制機組進入 “S”區時因流量振蕩所引起的巨大水錘，避免危害水道系統的穩定〔5〕。

〔1〕張清雙，劉根節.水輪機進水球閥的結構設計 〔J〕.閥門，2009，(6):1-5.

〔2〕林愷.惠州抽水蓄能機組過渡過程實測結果與仿真分析 〔J〕.廣東電力，2011，24(6):14-17.

〔3〕劉立志，樊紅剛，陳乃祥.抽水蓄能電站導葉關閉規律的優化 〔J〕.清華大學學報 (自然科學版)，2006，43(11): 1 892-1895.

〔4〕趙冰燃，呂桂萍.球閥動水關閉應力分析 〔J〕.閥門，2011，(3):8-9.

〔5〕侯才水，程永光.高水頭可逆式機組導葉與球閥的協聯關閉〔J〕.武漢大學學報 (工學版)，2005，38(3):59-62.

Research on the relationship between bushing defect and closing law ofmain inlet valve in Huizhou Pum ped Storage Power Plant

LIN Kai，Li De-wu
(Huizhou Pumped Storage Power Station，Huizhou 516100，China)

The primary bushings ofmain intake valve in Huizhou Pumped Storage Power Station were found damaged in less than a year after the commercial operation.The site inspections showed that the self-lubricating material of the inlet valve bushing fell off and was jammed into the valve trunnion which caused the inlet valve cannot be opened normally.Through the forces analysis under all the differentoperation conditions，itwas found that the bushing bore the largest force in its static state，which indicated that，main inlet valve involved in the transition regulation was irrelevant to the bushing damage.The manufacturing defects were confirmed to be the main cause of the fallen self-lubricating material.In one year after the replacement of the new type bushings，all the operation conditions of the inlet valve were normal and stable，which further proved that the inlet valve involved in the transition regulation had nothing to do with the damage of primary bushing.

main inlet valve；transition regulation；bushing defect；closing law

TM752.1；TM614

B

1008-0198(2014)06-0010-03

林愷(1982)，男，福建浦城人。高級工程師，碩士，從事抽水蓄能電站生產管理工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.06.003

2014-04-22 改回日期:2014-07-07