惠蓄上游引水隧洞排水針形閥及其消能方式改造淺析

劉少偉,王 琪

(惠州蓄能發電有限公司,廣東 惠州 516100)

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惠蓄上游引水隧洞排水針形閥及其消能方式改造淺析

劉少偉,王 琪

(惠州蓄能發電有限公司,廣東 惠州 516100)

惠蓄機組具有水頭高,引水隧洞長的特點,其進水閥前引水隧洞排水面臨高水頭、高壓力、高能量、大流量和時間長的考驗。需要一組耐高壓、消能良好、抗振性能好和過流能力強的排水系統。因此上游引水隧洞排水系統由第一道不銹鋼球閥、第二道針形閥和第三道閘閥組成。在第一次進行上游水道排水的時候出現了針型閥因振動過大,水錘導致針型閥閥芯斷裂,通過分析針型閥斷裂的原因,將針型閥的傳動機構加工成梯形結構,增加閥芯彈簧緩沖機構,取消閥芯翼板,調整安裝方式的改造,以達到在往后的排空上游隧洞內的水時不會再出現閥芯斷裂的現象,排水過程要平穩,保證了上游隧道排水的安全。

抽水蓄能機組；技術改造；針型閥；消能方式

1 概述

惠州蓄能水電廠(以下簡稱惠蓄)水輪機工況額定凈水頭為517.4 m,毛水頭為557 m,引水系統長3 104 m；惠蓄電站上庫正常蓄水位為762 m,下庫正常蓄水位為231 m。上游引水隧洞排水消能針形閥安裝高程為140 m,兩者水頭差為622 m即62.2 bar。這使得惠蓄機組具有水頭高,引水隧洞長的特點,其進水閥前引水隧洞排水面臨高水頭、高壓力、高能量、大流量和時間長的考驗。因此需要一組耐高壓、消能良好、抗振性能好和過流能力強的排水系統。

惠蓄進水閥上游引水隧洞排水系統由第一道不銹鋼球閥、第二道針形閥(以下稱“上游引水隧洞排水針形閥”)、消能孔板和第三道閘閥組成,用于排空進水閥前上游引水隧洞里面的水,惠蓄電廠機組進水閥上游引水隧洞正常排水工作方式是:第一道不銹鋼球閥和第三道閘閥全開,由全不銹鋼高壓閥門——針形閥來控制排水流量和速度,在不同的工作水頭下,調節針型閥的開度來控制排水速度和流量。

在第一次進行上游引水隧洞檢查維護排水的時候出現了上游引水隧洞針型閥在排水過程中振動過大,針型閥閥芯斷裂,分析針型閥斷裂的原因,對針型閥的傳動機構,閥芯彈簧,閥芯翼板以及安裝方式進行了相應的改造,以達到了在往后進行類似工作時不會再出現閥芯斷裂的現象,保證安全排空上游引水隧洞內的水。

2 針形閥參數

惠蓄進水閥上游引水隧洞排水針形閥是由西班牙ims,S.A.公司制造的全不銹鋼高壓閥門,閥門參數如表1所示。

表1 閥門參數

最大動水工作壓力56 bar,能在0～56 ar的動水頭下排水,排水的速度變化在0～3 m3/s變化范圍；

閥體進出水口法蘭角度：90°,水流垂直向下進入,經過閥心消能減壓后水平向左流出；

針形閥在不同的工作水頭下,可以調節閥門的開度來控制排水速度。

3 故障過程

2008年7月11日晚23:50開始上游引水隧洞排水工作。開啟1#機組進水閥上游引水隧洞排水管的針形閥排水。此時,上游水位為630 m,下游水位213 m,針形閥前水頭為417 m。經過調整開度,按照排水要求流量控制在2 300 m3/h(0.64 m3/s)左右。排水至7月12日13:25,針形閥發生劇烈振動并伴隨間歇巨大的撞擊聲(水錘現象)。現場運行操作人員迅速關閉了針形閥上游的球閥,避免了事故的擴大和惡化。

事故現場情況如下(閥門開關操作機構及其連接部件掉落):

1) 閥桿斷裂并彎曲。

2) 操作機構連接螺栓和螺母螺紋被剪平。

3) 上部球閥下法蘭的一個連接螺母被振脫掉落地面。

4) 針形閥下游法蘭漏水現象。

5) 在排水過程中還伴隨著巨大的噪聲。

2008年7月15日更換新針形閥后,繼續引水隧洞排水,針形閥閥桿再次斷裂。事故現場圖片詳見圖1～4。

圖1 閥桿斷裂斷面

圖2 掉落地面的操作機構

圖3 斷裂的閥桿

圖4 閥桿渦桿的兩齒崩塌

4 原因分析

在第一次事故中,針形閥操作機構經過連續13.5 h的振動,閥桿在斷裂面產生裂口并在振動的驅使下進而發展成為整個閥桿斷裂。閥桿斷裂后,閥心失去固定,在高速水流和高水頭的作用下閥心自關閉,不停撞擊斷裂閥桿,并且反彈撞擊閥體,閥心如此來回運動直到與斷裂閥桿脫離接觸[1]。操作機構同樣與斷裂閥桿一起被聯動撞擊,使連接螺栓螺紋破壞而失去緊固連接掉落地面。

高壓水流通過針形閥時,由于流速極高、流態變化大,將不可避免引起針形閥的振動[2]。根據現象分析,除水力因素外,針形閥結構存在如下缺陷是造成破壞的主要原因：

1) 閥桿支承精度與剛度不足。閥桿主要依靠軸套支承。針尖與閥座配合精度不足,且只有3塊翼板導向,針尖與針頭連接強度較弱,因此該部分不能對閥桿起著良好的支承效果。傘形齒輪機構內螺桿與螺母配合間隙大,也不能對閥桿起著良好的支承效果[3]。由于上述原因,在水流的作用下,閥桿將發生徑向振動和彎曲。

2) 傘形齒輪機構與支架連接剛度不足,防松不可靠,在閥桿振動作用下將產生松脫,最終造成閥桿折斷的嚴重后果。

3) 傘形齒輪機構無法鎖錠。閥桿在水流的作用下產生強烈軸向振動,并不斷朝關閉方向移動,使得閥門難于控制和增加閥桿的受力。

4) 針尖從針頭脫出,顯然是在閥桿折斷后由于撞擊造成的結果。

惠蓄針形閥工作條件完全是在設計規定的水頭和流量范圍內,但只經短時間運行即發生嚴重破壞,顯然該針形閥不能適應高水頭下的工作。為了避免破壞現象重復發生,需要對針形閥作結構性的改進。

4.1改造方案

通過認真分析研究,從改進閥門結構、排水管路布置和針形閥安裝方式,減小水力振動對針形閥的影響等方面采取措施,對其進行技術改造：

4.1.1閥門結構改造

原針形閥操作傳動機構較短且傳動軸為單純的硬連接,無緩沖機構,抗震性較差,所以在引水隧洞高水頭排水時經不起劇烈振動導致操作機構螺栓震脫,安全系數較低[4]。

所以對原針型閥(見圖5)進行以下改造：

1) 將原來的傳動機構加工成階梯形；

2) 增加了彈簧緩沖機構(加強了操作機構的抗震性),提高了安全系數；

3) 取消了閥芯上3塊翼板。

改造完成后新針型閥(見圖6)。

4.1.2排水管路布置及消能方式改造

1) 原針型閥的消能方式采用孔徑為Φ120 mm單個節流片進行消能,消能作用十分有限。現將針形閥后消能孔板的數量由1片增加至3片。改造為1個消能筒,包含了3個連續的消能孔板。每片節流片中心加工3個Φ40 mm的節流孔。水流每經過1片消能孔板,需要分別通過3個Φ40 mm的節流孔,有效地降低了上游側的水壓,水流經過3片串聯的消能孔板后即進行了3次降壓,這樣經過3消能孔板后有效降低了上游水壓,即達到了高水頭消能的目的(見圖7)。

圖5 原針形閥結構示意

圖6 新針形閥結構示意

圖7 改造后的消能孔板

2) 為減小水流產生的脈動,將針形閥由橫向水平布置改為垂直布置,并將閘閥位置下移(見圖8所示)。

3) 加強管路支架。

由于上游引水隧洞排水管振動大,在排水過程中管路振動大會加劇針型閥的振動。通過改進管路固定方式,可以減小排水管路及其閥門在排水時的振動,減輕高壓和高速水流對針形閥及其連接螺栓的作用力的破壞作用。主要改進如下：

①水平支架調整到閘閥法蘭上方。

②垂直支架增設基礎錨板,錨板錨鋼與混凝土中的鋼筋牢固焊接。垂直職稱與錨板由螺栓可靠連接。

③對垂直支撐上部進行了修改,增加側支撐,以增強水平方向的固定。在支撐座于管道表面之間增加10 cm厚的彈性橡膠墊片,降原線接觸的半圓固定環

圖8 排水管路和針形閥安裝布置方式對比

改為半罩子形狀的面接觸固定,增加固定面積,以增加阻力,提高抗扭性,在結構上其補償作用[5]。

④增加側支撐采用槽鋼制作。為避開上游墻面的消防管線,在現場墻面設置槽鋼底座與槽鋼焊接,槽鋼采用4個M16鍍鋅膨脹螺栓與墻面連接。

4.2改造效果

改造后,進行了A廠2#機組的針形閥排水試驗。改造后的針形閥排水效果較好,閥門本體和閥桿的振動明顯減少,排水時噪音有所降低；水流經過消能孔板時,排水管路的振動也明顯降低,噪聲減少。

機組上游引水隧洞排水管路改造后,提高了針形閥和排水可靠性,獲得了良好的消能效果,達到了針形閥機構改造和消能孔板形式改造的目的,消除了上游引水隧洞排水時的閥門破壞和水淹廠房等安全隱患。

5 結語

惠蓄上游引水隧洞排水管消能方式及排水針型閥改造完成后,到目前為止,分別通過針型閥對A廠和B廠上游水道進行排水檢修,未出現閥門損壞、排水振動大噪音大等故障。目前針型閥運行狀況良好,表明此次對針型閥及其消能方式改進是成功的,為類似工程提供了參考。

[1] 盛國成, 劉智強. 液壓錐閥閥口流場數值模擬與仿真分析[J]. 科技資訊, 2007(24):37-38．

[2] 張文麗. 針型閥沖蝕、變形失效分析[D]. 成都：西南石油大學, 2013.

[3] 高紅, 傅新. 錐閥閥口氣穴流場的數值模擬與試驗研究[J]. 機械工程學報, 2002, 38(8):27-30．

[4] 蔣小麗. 高壓氣井針形節流閥結構性能分析與優化[D]. 成都：西南石油大學, 2014．

[5] 曾偉, 吳巍巍. 基于Fluent的高壓針形節流閥沖蝕磨損分析[J]. 內江科技, 2013, 34(6):74．

(本文責任編輯 馬克俊)

Modification of Needle Valve and Improvement of Energy Dissipation Way of Upstream Diversion Tunnel of the Huizhou Pumped Storage Power Plant

LIU Shaowei, WANG Qi

(Huizhou Pumped Storage Power Station, Huizhou 516100,China)

Huizhou pumped storage plant has characteristics with high water head and long water diversion tunnel. The drainage of pressure steel pipe before main inlet valve faces the challenges of high pressure, high energy, mass flow and long hours. Therefore, an upstream drainage system is needed having advantages of pressure capacity, good energy dissipation, anti-vibration and hydraulic characteristics.The upstream drainage system consists of the first stainless steel ball valve, the second high-pressure needle valve made of stainless steel and the third gate valve, which are used for emptying upstream diversion tunnel before the main valve. When draining the upstream tunnel for the first time the needle valve vibrates excessively which results in the valve core damaged by water hammer. Through the analysis of the fracture reason, some mechanical reconstruction are conducted; Remould drive mechanism of needle valve into trapezoidal structure, and add a spring buffer mechanism of the valve core, then cancel the wing plate of valve core, and change the installation method. After the reconstruction the same accident never appears again in the subsequent drainage, water flows smoothly in the drainage process, ensuring the safety of the upstream drainage tunnel.

pumped storage unit； modification；needle valve；energy dissipation way

2016-05-18;

2016-05-30

劉少偉(1984),男,本科,工程師,從事抽水蓄能電站機電運行管理工作。

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