抽水蓄能機組進水球閥上下游密封活動環密封選型研究

鄭 智，胡廣恒，黃 坤

（1.南方電網調峰調頻發電公司廣州蓄能水電廠，廣東省廣州市 510950；2.國網新源控股有限公司，北京市 100761）

抽水蓄能機組進水球閥上下游密封活動環密封選型研究

鄭 智1，胡廣恒1，黃 坤2

（1.南方電網調峰調頻發電公司廣州蓄能水電廠，廣東省廣州市 510950；2.國網新源控股有限公司，北京市 100761）

本文介紹了廣州蓄能水電廠二期機組進水球閥的結構和工作原理，以及自投產以來上下游密封活動環密封損壞的問題。從活動環密封的材料、結構到日常運行狀況幾個方面分析了問題產生的原因，重點介紹選型研究和改造后效果。

活動環密封；內漏；選型

0 引言

廣州蓄能水電廠（以下簡稱廣蓄）位于廣東省廣州市從化境內，整個電站分兩期建設，一、二期工程分別安裝4×300MW可逆式抽水蓄能機組，單機容量（發電工況）300MW，總裝機容量2400MW。一期（稱A廠）工程于1994年全部建成，四臺機組命名為1～4號機組。二期（稱B廠）工程于1999年全部建成，四臺機組命名為5～8號機組。一、二期工程于2000年3月全部投產。8×300MW機組投產后，已成為當今世界最大的抽水蓄能電廠。

1 B廠球閥的作用

可逆式抽水蓄能機組在啟動、停機操作上都靈活方便，在電網峰荷時放水發電，在低谷負荷時利用系統多余的電能抽水，在電網中起到了調峰填谷的積極作用，使系統中的各種電站的負荷趨于均勻，提高了整個電力系統的經濟運行。

廣蓄電站是高水頭、長引水管道、采用一洞四機引水方案的大型抽水蓄能電站，在水輪機蝸殼前必須設置球閥，其作用如下：

（1）開停機時開啟或關閉球閥，開通或關斷水流。

（2）機組檢修時隔離機組與上游水道，保證檢修安全與其他機組的正常運行。

（3）當機組發生故障時關閉球閥，截斷水流，防止發生飛逸事故。

（4）投產初期，用做未投產機組壓力鋼，迅速管的堵頭，保證廠房安全。

2 B廠球閥結構

球閥為橫軸式雙密封結構，主要球閥閥體、接力器和拐臂、延伸管和伸縮節、閥芯、軸頸和軸瓦、上下游密封等組成。

上下游密封由嵌入閥體內側空腔內的活動密封環與相鄰閥芯上的固定密封環組成。當球閥關閉時，通過來自上游鋼管的水產生的壓力，使不銹鋼活動密封環在嵌入閥體的鋁青銅表面滑動，使其接觸或分離固定密封環，從而起到投、退密封的目的。

球閥上、下游側各有一套密封。上游密封為檢修密封，手動投退，帶有機械鎖錠裝置。其作用：

（1）當需要檢修下游密封或閥芯軸封時，投入上游密封及其鎖錠裝置，無需排空上游水道。

（2）當機組轉動部分需維護或需進入尾水管時，投入上游密封及機械鎖錠，作為安全隔離措施。

下游密封為工作密封，自動液壓操作。其作用：機組停機時，在球閥關閉后，該密封投入，密封上游水道漏水，減少水量損失。

3 設備狀況及存在問題

廣蓄B廠機組投產時，廠家原設計的球閥上游密封活動環密封均采用O形Chem-ring結構（即包氟 O形圈，由一個硅膠或 Viton 膠制的內芯和相對較薄的 Te flon PFA外覆組合而成）。該密封的設置目的為形成上游密封投退密封腔，實現水壓控制上游密封投退的功能。

建廠時選用的O形Chem-ring結構密封存在使用壽命不穩定的問題。在機組安裝初期（2000年），8號球閥安裝期間就曾發生因該密封斷裂，而不得不排空上游水道檢修更換的事件。2003年B廠上游水道刷環氧維護期間更換了5、6號機上游密封活動環密封。2014年11月，B廠6、8號機運行中檢查發現存在球閥上游密封存在竄水現象。由此可見，該密封壽命不可控，短則在安裝期間立即損壞斷裂，長則使用11年失效竄水，甚至也有使用15年仍完好的情況。

分析問題原因。密封的使用環境分為靜密封、動密封兩類，動密封又可細分為圓周方向轉動、軸線方向往復運動。分析可知，廣蓄球閥上游密封活動環密封的使用環境即為軸線方向往復的動密封環境。進一步分析，因O形的Chem-ring結構密封截面為圓形，在方形的密封安裝槽內結構穩定性差，故在軸線方向往復運動時易發生局部扭轉。扭轉程度輕則造成偏壓、偏磨，導致密封竄水；扭轉程度嚴重至超出其彈性回復力上限，則會在扭轉處發生拉伸斷裂。而扭轉是否發生、扭轉的嚴重程度則是偶然性事件，由此造成了密封壽命的不可控。

綜上，廣蓄B廠現用的O形的Chem-ring結構密封存在設計缺陷，密封壽命的不可控，造成了上述故障斷裂、竄水。需對B廠球閥上游密封活動環密封的結構形式進行改造，同時改善密封材料，目的是將密封使用壽命維持在一個較長期的穩定值。

4 選型設計

經過選型分析，計劃采用H-ECOPUR（耐油、耐水、耐磨聚氨酯）密封材料，特殊D形密封結構形式GK35-PH，實施球閥上游密封活動環密封的技術改造。可行性論述具體如下：

4.1 密封結構型式比選

常用的球閥活動環動密封形式如圖1所示。本技改計劃使用密封結構（c）實施技改。

圖1 常用球閥活動環動密封形式

密封結構（a）為B廠原用密封結構，使用同結構的還有改造前的天荒坪抽蓄。O形密封結構作為靜密封使用時，壓縮性好，密封性強；但不適合作為動密封使用。

密封結構（b）結構為20世紀90年代至21世紀初的眾多抽蓄電站設計應用，如廣蓄A廠、惠蓄、清蓄等。D形密封與安裝槽完全貼合，具備幾何尺寸的穩定性，因此有抵抗扭轉的能力；但同時該結構存在可磨損量小的缺陷（D形底部撐滿了密封槽，無壓縮空間），D形頭部的過盈量磨損消耗后，即會產生滲漏。

密封結構（c）為21世紀至今的眾多抽蓄電站設計應用，頂部換為寶塔形的亦包含在此類。如蒲石河抽蓄、仙居抽蓄、回龍抽蓄，及實施技術改造后的天荒坪抽蓄。該結構為D形密封的改進型，繼承了抗扭轉能力；同時，因其底部預留了可供壓縮、回彈的空間，故該結構密封不僅可依靠密封本身的過盈量，還可以通過密封本身的彈性進行補償，達到延長密封使用壽命的效果。

密封結構（d）也為當今眾多抽蓄電站所應用。上部為蝶形結構（也有長方形等），主體類似D形，繼承了抗扭轉能力。其下部設置了O形密封圈（一般為丁腈材質），目的是提供更好的彈性補償，使得密封預計使用壽命更長。但由于密封（d）采用組合結構，故需要活動環具備更深的密封安裝槽。而廣蓄活動環密封安裝槽設計較淺，若換用密封（d）結構，根據估算需將安裝槽至少車深約2.5mm。如此活動環最薄處將僅剩32mm，使得活動環整體強度、抗變形能力變差。該方案需對主設備進行結構變更，對設備安穩運行影響較大。綜上所述，隨著水力水電行業的發展與實踐，參照水電站球閥活動環密封技術的逐步改造完善的經驗，密封（c）結構為當前最為合理、最符合廣蓄改造需求的結構。

4.2 密封材料參數比選

常用的球閥活動環動密封材料可分為包氟O形圈、丁腈橡膠、聚氨酯三種。本技改計劃采用的H-ECOPUR（耐油、耐水、耐磨聚氨酯）密封材料由兩家國外公司總部針對水電行業設備特性共同開發，并由其中一家原廠加工生產，專門應用于水電站主進水閥的聚氨酯密封材料。其設計初衷即為取代水電設施中的橡膠材料密封。對比密封材料性能如表1所示。

因廣蓄水溫處于16～35℃，且呈堿性，因此上述材料的熱性能、耐化學性能均滿足使用需求，重點在于機械性能的對比。而包氟O形圈作為一種組合型密封材料，性能介于丁腈橡膠、氟橡膠之間。

由表中參數對比可見，H-ECOPUR聚氨酯的材料性能是全面優于包氟O形圈、丁腈橡膠的。具體表現在：

（1）抗拉強度、斷裂伸長率值高。該材料作為動密封使用時不易被翻轉、扭斷。

（2）撕裂強度高。該材料密封接觸面不易受摩擦力剪切而產生脫層，可確保使用壽命穩定。

（3）彈性回復率高。密封性能好，在密封槽內滑動時可根據密封槽尺寸的細微變化而回彈，保證在整個動密封槽內均能保持較好的壓縮余量。

（4）磨損量低。即摩擦系數低。該密封材料的啟動壓力小，不易與相配合的金屬表面發生黏結。在經歷較長時間的靜止后，再次動作時不會發生因密封黏結固定部件而局部撕裂脫層。特別使用于球閥上游密封這種長期靜止、偶爾動作的工況。而且磨損量低，必然會使得設計使用壽命增長。

表1 H-ECOPUR聚氨酯與常用的丁腈橡膠、氟橡膠的性能參數對比表

5 改造后的運行情況

廣蓄B廠四臺機組球閥系統于2015年12月完成大修，使用了上述H-ECOPUR（耐水、耐磨聚氨酯）密封材料，采用特殊D形密封結構形式GK35-PH，實施了球閥上下游密封活動環密封的技術改造，從實際運行情況來看，活動環投退腔打壓試驗無發現漏水，上下游密封投退試驗中活動環動作順暢，機組調試期間球閥上下游密封正常動作，設備運行狀況良好。

6 結束語

通過以上選型改造，總結出大型水力發電機組的進水球閥上下游密封活動環密封在設計過程中應引起足夠重視的兩點為：①必須選取耐水及耐磨性較好的密封材料；②必須選取結構形式較優的密封形式。通過不斷的探索和努力，廣蓄對B球閥上下游密封活動環密封進行了改進，取得了一定的成效。希望本文能為在建或待建的水力發電機組的進水球閥相關設計提供參考。

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[2]楊平，張延智，王世魁.小浪底水電站6號機組筒閥系統更新改造［J］.水電與抽水蓄能，2016，2（3）：34-37.

[3]葛軍強.湊合節在球閥安裝中若干問題的研究［J］.水電與抽水蓄能，2016，2（2）：25-27.

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鄭 智（1979—），男，大學本科，工程師，主要研究方向：水輪發電機組運行維護與檢修。E－mail：talentzz@qq.com

胡廣恒（1982—），男，大學本科，工程師，主要研究方向：水輪發電機組運行維護與檢修。E－mail：huguangheng@qq.com

黃 坤（1984—），男，大學本科，高級工程師，主要研究方向：水輪發電機組運行維護與檢修。E－mail：kun-huang@sgxy.sgcc.com.cn

Study on Type Selection of the Sealing Moving Ring on the Spherical Valve Upstream and Downstream Seal in Pumped Storage Units

ZHENG Zhi1，HU Guangheng1，HUANG Kun2
（1.CSG Power Generation Company Guangzhou Pumped Storage Power Station，Guangzhou 510950，China; 2.State Grid Xinyuan Co.，Ltd.Beijing 100761，China）

This paper introduces the spherical valve in the GPSPS’ phase Ⅱ Units structure and working principle，and since it was put into operation on the sealing moving ring on the spherical valve upstream and downstream seal damage.The causes of the damage are analyzed from the aspects of the material，the structure of the sealing moving ring and the daily operation; focus on the type selection and transformation effect.

sealing moving ring;Internal leakage;type selection