洪屏抽水蓄能電站進水閥系統設計特點分析

王康生，姜澤界，韓 波

(1.江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西靖安330603；2.華東天荒坪抽水蓄能有限責任公司，浙江安吉313302；3.湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北羅田438600)

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洪屏抽水蓄能電站進水閥系統設計特點分析

王康生1，姜澤界2，韓 波3

(1.江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西靖安330603；2.華東天荒坪抽水蓄能有限責任公司，浙江安吉313302；3.湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北羅田438600)

從取消旁通閥、球閥主密封、密封導向面堆焊不銹鋼、銅基自潤滑軸套、閥體為可浮動式等方面介紹了洪屏抽水蓄能電站進水閥系統的設計特點，并描述了廠內進水閥出廠驗收的試驗過程。通過經驗總結提出點焊固定密封環螺釘、在球閥頂部增設排氣閥消能器及排水設備、對重要模擬量傳感器增加斷線保護等建議。

進水閥；設計特點；洪屏抽水蓄能電站

1 工程概況

江西洪屏抽水蓄能電站(以下簡稱“洪屏電站”)裝機容量1 200 MW，裝設4臺單機容量300 MW的立軸單級可逆混流式水泵水輪機組。電站建成后，年平均發電量17.43億kW·h，平均年抽水耗電量22.93億kW·h，以500 kV一級電壓、2回出線接入華中電網，在系統中擔任調峰、填谷、調頻、調相作用和事故備用等任務。

洪屏電站機組進水閥類型為球閥，其結構為橫軸雙面密封型式，油壓操作。球閥公稱直徑2 100 mm，接力器操作油壓4.6～6.3 MPa，球閥開啟、關閉時間為40～100 s可調，閥體水壓試驗壓力為12.5 MPa。

2 球閥結構設計特點

2.1 取消旁通閥

按照GB/T 14478—2012規范規定，旁通閥的公稱直徑一般為進水閥門公稱直徑的10%，即210 mm，對于887 m設計水頭的球閥來說，在球閥上下游鋼管開設過多的孔是不利的，同時也有研究表明，采用旁通閥平壓方式，水對伸縮節會產生集中沖擊力，使機組發生較大振動，而利用球閥活動密封環開啟間隙向蝸殼充水的平壓方式，水對伸縮節沖擊力小從而機組振動較小[3- 4]，故廠家采用球閥工作活動密封與活門上固定密封間隙進行開機前的平壓，通過計算，該活動密封環的行程為10.12 mm，當活動密封環打開后，其相當于245 mm直徑的旁通閥，完全可滿足使用要求。洪屏電站設計取消了旁通工作液壓閥及檢修液壓閥系統，同時簡化了球閥操作系統。

2.2 球閥主密封

洪屏電站球閥工作、檢修密封都采用“T”形，其材料為不銹鋼316 L，活動密封環與固定密封環存在20 HB硬度差，此類型活動密封環因端面尺寸大，而具有較好的剛性，壓力變形小，最大活門擾度變形0.2～0.4 mm，故采用固定密封環預變形方式加工來補償活門在受壓工作狀態擾度變形。球閥密封結構如圖1所示，投退腔由三道密封圈組成。

與常規設計相比，洪屏電站球閥區別在于，一是其操作介質采用水，在正常情況下，檢修密封為退出狀態，當工作密封投入腔進壓力水退出腔排水時，工作活動密封環與固定密封環緊密接觸，密封環處于關閉位置，起到止漏水作用；工作密封退出過程與之相反。二是三道密封圈采用的是聚氨酯“D”型截面密封圈，此類密封圈為進口材料，優點在于當密封圈裝入密封槽后，活動密封環往復移動過程中，密封圈不至于在槽內扭曲翻轉而損壞，失去密封效果，并與“O”型密封圈相比，其具有更好的密封性，壽命也比之長。

2.3 密封導向面堆焊不銹鋼

2.4 銅基自潤滑軸套

抱瓦主要是因軸套材質選擇不當，目前國內外軸套形式主要分為4類[6,7]，而洪屏電站球閥軸套采用材質為以鋼基和deva.bm制成的滑動層組成，其特點為由高性能的鋼背層和含有均勻彌散的固體自潤滑顆粒的銅合層組成，從而保證了其高性能和低摩擦系數，摩擦系數μ=0.1～0.18，其使用的溫度范圍為-190～280°C，并能在高靜載、高動載下工作。

2.5 軸套防轉銷釘同鉸

偏磨是因球閥上下游所承受的壓力不同，一般上游側壓力往往是下游側壓力的幾倍，而樞軸與軸套、軸套與樞軸座都是間隙配合的，故球閥樞軸具有向下游靠死的趨勢，故球閥在開機過程中，下游側的摩擦力要大一些，當磨損過大到一定程度后，會使軸套與軸座產生相對滑動，基于此，球閥在制造過程中，在軸套與軸座上設計了4顆防轉銷釘，在裝配的過程中進行同鉸。

圖1 球閥密封

2.6 閥體為可浮動式

壓力鋼管由于水推力作用和熱膨脹效應會在水流方向有一定的位移，根據洪屏電站球閥基礎載荷設計說明書，在泵工況時，球閥受到向上的2.4 mm的位移量，而在球閥關閉時，因產生水錘作用，此時產生一個5.6 mm向下的位移量，球閥地腳螺栓應設計為橢圓孔以補償此位移量，如圖2所示，可達到18 mm的補償量。

(3)?(1): 對任意x ∈ X,由定義1.1和命題1.1知，x ≤ (x → 1) → 1.由引理2.2得， ?另一方面，由(3)知，

圖2 橢圓基礎板(單位：mm)

3 電氣邏輯與液壓回路設計特點

3.1 緊急關閉閥

(1)自動緊急關閉電磁閥。球閥控制系統回路由直流和交流雙回路供電，球閥控制回路在電源正常情況下“得電關閉”的液壓控制回路，配有得電關閉電磁閥，又有在冗余電源均消失的情況下“失電關閉”的液壓控制回路，配有失電關閉電磁閥，實現球閥的“得電關閉”和“失電關閉”雙回路冗余控制，以保證安全。

(2)手動緊急關閉閥。當控制回路切換至現地手動操作或其他原因，導致電磁閥無法關閉時，在現地通過手動操作緊急關閉閥，以切斷主控制閥開啟回路的油路，從而達到關閉球閥的作用。

(3)機械過速保護裝置緊急關閉閥。當機組轉速到達128%額定轉速時，機械過速保護裝置切換液壓油路，溝通球閥關閉油路，實現球閥緊急關閉。

3.2 密封環位置開關傳感器選擇及布置

工作密封和檢修密封各設計3個活動密封環位置開關顯示裝置，采用位移信號監測活動密封環所處位置，通過傳感器靠位移信號器與活動密封環的間隙變化而產生的電信號變化轉換為活動密封環的位移變化，從而顯示活動密封環是否處在全開位置信號，從而準確地操作接力器開關球閥活門，按照設計留有1.5 mm距離。

3.3 油管路集成設計

與以往埋入式球閥集油箱不同，洪屏電站所有集油箱均設計成地面式，球閥集油箱尺寸為3 000 mm×2 500 mm×1 850 mm，比類似電站的尺寸要大，一是為滿足設計要求，二是因將球閥液壓控制系統中接力器、工作密封開啟關閉閥及油壓管路集成在集油箱的側面，優點在于能減少管路漏油幾率和布置緊湊，美觀，操作方便。

4 球閥廠內驗收

4.1 閥體的靜壓試驗

通過兩工具悶頭將球閥上游延伸段和下游伸縮節進行封堵，活門及檢修、工作密封活動密封環均為開啟狀態，按照圖3曲線要求做閥體試驗，試驗過程中檢查閥體是否有部件損壞、有害變形、漏水等結構缺陷。經廠內閥體的靜壓試驗，閥體無任何部件損壞、有害變形、滲漏水等結構缺陷。

圖3 靜壓試驗曲線

圖4 活動密封環充水試驗加壓曲線

4.2 活動密封環滲漏試驗

用悶頭封堵上游延伸段，活門、檢修活動密封環關閉，按照圖4曲線進行充水加壓試驗；再將工作活動密封環關閉，同樣按照圖4曲線進行工作活動密封環滲漏試驗。試驗過程中檢查活門是否有部件損壞、有害變形、漏水等結構缺陷。廠內試驗后，未發現有部件損壞、有害變形、漏水等結構缺陷。

4.3 活門及密封環動作試驗

將閥體內的試驗壓力水排空，采用工具樞軸進行活門的開關動作，往復3次，廠內試驗表明，無發卡、動作靈活。往檢修、工作密封環內的投退腔內打壓力水，觀測密封環位置開關傳感器是否正常亮起。廠內布置的3個密封環位置開關傳感器信號燈先后亮起，主要原因是做試驗時，只用了一個壓力供排水口進行密封腔的投退動作，造成在整個腔內的壓力不均勻。

5 總 結

根據洪屏電站本體設計結構及現場裝配跟蹤學習，以及其他電站運行經驗，針對類似的球閥結構提出以下幾點建議：

(1)固定密封環螺釘采用點焊防松或焊螺釘擋板防松。

(2)為了避免高壓傷人和球閥表面流出的水導致操作人員摔倒引起高空墜落的危險。建議在球閥頂部排氣閥處加長管路引至適當位置，并在管路出口安裝小球閥隔離閥和消能器，將球閥本體充水溢出水流引至地面。

(3)球閥閥體一般采取鑄造的方式，制造廠家目前一般采用重力鑄造和壓力鑄造，易在其內部形成氣孔，且出廠時不會對鑄件進行無損檢測，針對此情況，建議在合同簽訂時或設備驗收過程中，進行一定比例的無損檢測，對所有的焊縫應進行100%的無損檢測。

(4)保證伸縮節安裝要求。

[1]周嘉元， 鄭慧娟. 抽水蓄能電站投產初期主進水閥消缺技改分析[J]. 水力發電， 2014， 40(4)： 65- 68．

[2]GB/T 14478—2012 大中型水輪機進水閥門基本技術條件[S].

[3]林洪德， 張利民， 杜江. 黑麋峰蓄能機組φ2.8 m球形閥的設計[J]. 東方電機， 2009(4)： 19- 27．

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

[5]尹襄， 周小南， 夏曉坤， 等. 大型球閥制造技術研究及應用[J]. 東方電機， 2009(2)： 15- 25．

[6]王丹偉， 李德武， 林愷， 等. 惠州抽水蓄能電站進水閥新軸套的設計與應用[J]. 廣東電力， 2014 (9)： 16- 19．

[7]林愷， 李德武. 惠州抽水蓄能電站進水閥關閉規律與軸套故障關系研究[J]. 湖南電力， 2014(6)： 10- 12．

[8]王慶年， 隋忠祥， 張明喆， 等. 國外某些金屬基自潤滑復合材料的開發與進展[J]. 摩擦學學報， 1997 (1)： 89- 96．

(責任編輯 焦雪梅)

Analysis on Design Features of Inlet Valve System of Hongping Pumped-storage Power Station

WANG Kangsheng1, JIANG Zejie2, HAN Bo3

(1. Jiangxi Hongping Pumped Storage Power Co., Ltd., Jing’an 330603, Jiangxi, China;2. East China Tianhuangping Pumped Storage Co., Ltd., Anji 313302, Zhejiang, China;3. Hubei Bailianhe Pumped Storage Co., Ltd., Luotian 438600, Hubei, China)

The design features of inlet valve system in Hongping Pumped-storage Power Station are introduced from the aspect of cancelling bypass valve, main valve seal, stainless steel welding on seal guide surface, copper-based self-lubricating bushing and floating valve body, and the acceptance process in station is also described. Some suggestions are proposed that the screws on seal ring should be fixed by spot welding, the exhaust valve dampers and drainage equipment should be increased at the top of inlet valve and the disconnection protection of important analog sensors should be added.

inlet valve; design feature; Hongping Pumped-storage Power Station

2016- 06- 08

王康生(1987—)，男，江西吉安人，工程師，從事水電站維護與技術管理工作．

TV734.1(256)

A

0559- 9342(2016)08- 0077- 03