深圳抽水蓄能電站球閥結構及試驗工藝分析

楊 昭，顧志堅，陳泓宇

（中國南方電網調峰調頻發電公司深圳蓄能發電有限公司，廣東 深圳 518115)

0 前言

深圳抽水蓄能電站位于深圳市東北部的鹽田區和龍崗區內，距深圳市中心約20 km，是一座日調節的純抽水蓄能電站。電站的總裝機容量1 200 MW，平均水頭448.30 m，設4臺立式單級混流可逆式水泵水輪機-發電電動機組，單機容量（發電工況）300 MW。樞紐工程由上水庫、下水庫、輸水系統、地下廠房洞室群及開關站等部分組成。輸水系統為一管四機，每臺機組蝸殼進水口前設置1臺球閥。1臺機組檢修，不影響其他機組正常運行。

深蓄電站4臺球閥由安德里茨設計，其中2號、4號由東方電機生產供貨，1號、3號由安德里茨生產供貨，并對安裝調試質量負責。安裝由葛洲壩集團機電建設公司完成。由于抽水蓄能電站的特殊性，機組高水頭、球閥啟停頻繁，要求球閥既要有良好的密封效果，又要開關穩定、可靠、迅速，因此有必要對其結構裝配及試驗等進行深入分析。

1 球閥的主要設計參數

直徑：Φ2 300 mm

設計壓力7.06 MPa

接力器活塞直徑：Φ480 mm

接力器操作方式：水壓操作

接力器數量：2

開啟時間：40～80 s可調

關閉時間：40～80 s可調

2 球閥主要部件結構特點

球閥安裝在引水管下游端的電站廠房內，球閥上游側設有一個進水接管，進水接管通過兩節湊合節與引水壓力鋼管相連，采用焊接方式相連。下游側通過伸縮節與蝸殼延伸管相連。

球閥本體由整體的閥體(由分半的左閥體、右閥體鑄件焊接為一體)、活門、自潤滑軸承及檢修密封、工作密封、2個Φ480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、球閥充水平壓用的旁通閥系統、壓力鋼管排水管路等。結構見圖1。

圖1 球閥結構圖

2.1 閥體

閥體采用沿水流方向垂直分半整鑄而成，材料為鑄鋼20SiMn。在活門裝入兩半閥體后，用窄縫焊將分半閥體焊為整體，提高了閥體強度。閥體和活門可以進行同加工，保證了活門上密封環安裝面和閥體上止漏環的接觸面位置準確，具有可靠的密封性能。這種結構使閥體剛性更好，省略了分半結構閥體中間的分半面法蘭，減少了分半面處大量的加工工序，減輕了重量，節約了加工成本。同時使周圈密封加工方便，加工公差易于保證，密封效果好。

2.2 活門

活門采用鑄鋼20SiMn整體鑄造，過流通徑與壓力鋼管相同，并經機加工，以減小通過球閥的水頭損失。左右閥軸與活門鑄造為一體，提高了活門強度。閥軸和活門不再須用螺栓把合，兩閥軸支承中心的距離明顯減小，由上游推力產生的作用在閥軸上的彎矩也相應減小，從而改善了閥軸的受力狀況。活門支撐采用DEVA自潤滑軸承，閥軸與軸承和軸端密封貼合的表面有不銹鋼襯套。

2.3 球閥密封

主密封包括上游側檢修密封與下游側工作密封，由一個T型活動密封環和一個固定密封座組成。活動密封環和固定密封座的密封表面采用數控加工，保證了密封面形狀，并且閥體和活門上的密封環安裝面采用同加工，保證了同軸度。閥體上與活動密封環相接觸的表面堆焊不銹鋼層，使工作密封更加可靠，提高了密封性能。密封環采用壓力鋼管中的水作為操作介質，為了顯示密封環的工作情況，安裝有檢測密封環投入情況的行程開關。

相比惠蓄、廣蓄A廠等電站采用的D型密封，雖然D型密封于安裝槽完全貼合，具備幾何尺寸的穩定性，有抵抗扭矩的能力，但同時D型密封結構存在磨損量小的缺陷（D型底部撐滿了密封槽，無壓縮空間），D型頭部的過盈量磨損消耗后，即會產生滲漏，因此在深蓄電站密封圈的選型上采用組合密封結構，由一個抗磨的聚氨酯環和O形圈組成。同時O形圈提供預緊力，使組合密封具有很大的伸縮性，當閥體與密封環由于受力變形，密封間隙變大時，能起到很好的補償作用，保證了密封性能。見圖2。

根據要求，檢修密封還具有投入腔失壓后的防開啟自鎖功能，以及在下游側無壓狀態、退出腔建壓后的防開啟自鎖功能。因此相比同類球閥如仙游機組球形閥，檢修密封取消了機械鎖定，簡化了結構。檢修密封環同樣采用上游壓力鋼管中的水作為操作介質，手動操作。見圖3。

圖2 組合密封結構示意圖

圖3 檢修密封結構圖

2.4 軸承及其密封裝置

軸承及其密封裝置由自潤滑軸瓦、鋼套、U形密封圈、壓墊蓋等零部件組成。自潤滑軸瓦采用德國DEVA公司的BM型軸瓦，具有良好的自潤滑性能，摩擦系數低，抗壓強度高。軸承共采用兩道密封，內側密封主要是防止泥沙污物進入軸承摩擦表面，但水能透過該道密封而進入軸承表面對軸承起潤滑作用。這樣可確保軸承的潤滑水是清潔的，防止損壞軸承。主要的封水密封位于軸承的外側，采用進口的U形聚氨酯密封圈，能確保閥軸上無泄漏。在不排空壓力鋼管，檢修密封投入的情況下，可以更換軸承密封。

2.5 球閥操作機構

操作機構接力器的直徑為Φ480 mm，行程為1 390 mm，直缸搖擺式結構,額定操作水壓為16 MPa，雙接力器操作。除去臂柄、支座等連接件，接力器主體全英國進口。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，可自由擺動。接力器操作力通過基礎板及地腳螺栓傳遞給混凝土基礎。

2.6 旁通管路

深蓄電站進水閥同惠蓄、清蓄相比一個重要特點就是有旁通閥。旁通管路自進水接管跨閥體連接到下游伸縮節上，由兩個Φ250液壓操作針形閥組成。球閥開啟前，需先通過旁通管路來平衡閥門前后壓差。上游針形閥為檢修閥門，處于常開狀態，當下游側工作針形閥需要檢修時關閉。見圖4。

圖4 旁通管路結構圖

進水閥正常開關：在上游側檢修密封處于全開位置時，打開旁通閥，向蝸殼充水，使活門前、后水壓趨于平衡（活門前、后壓差不大于30%），然后打開下游工作密封，最后開啟活門。活門全開后，關閉旁通閥。正常關閉時，應先關閉水輪機導葉，再轉動活門。當活門到全關位置時，關閉工作密封。

3 驗收試驗問題情況及改進意見

為了檢驗球閥相關零部件設計的合理性和加工質量，保證球閥工地安裝的順利進行，在球閥總裝完成后出廠之前進行球閥裝配試驗出廠驗收。

驗收現場球閥裝配試驗工裝設施基本完善，進水接管、中間環、密封環、止漏環、伸縮節、閥體和活門等呈整體裝配狀態。見證項目為整體壓力試驗、工作密封漏水試驗、檢修密封漏水試驗、檢修密封自鎖功能試驗、止漏環動作及行程試驗、活門動作試驗、止漏環和密封環硬度測量、部分裝配尺寸等。

3.1 深蓄1號球閥驗收情況

2016年11月2日，根據驗收檢查記錄卡試驗操作流程在安德里茨裝配車間進行1號機球閥整體壓力試驗，當壓力升高至3.5 MPa，打開連通工作密封和閥體內腔的閥門時，在工作密封9點-10點之間位置處出現泄漏，狀態為多點流態溢出。安德里茨分析原因為平壓操作不當所致，緊急將工作密封投入腔升壓至約5.5 MPa后泄漏狀態為滴水狀，繼續升壓至10.6 MPa壓力。鑒于整體壓力試驗過程中出現多點流態溢出泄漏，為檢查密封面情況，2016年11月3日完成球閥排水后，轉動活門檢查密封面，主要情況如下：

1）在工作密封3點鐘、9點鐘附近發現有相對位移引起的擦痕，8點鐘位置附近有多處超出密封嚙合線寬度擦壓痕跡，見圖5；

2）閥體內清潔度差，內部有鐵屑等異物，見圖6。

圖5 超出密封嚙合線擦壓痕跡

圖6 閥體內部清潔情況

3.2 原因分析

擦痕及漏水產生的原因如下：

1）泄露試驗要求通過泵與閥體及止漏環的投入腔和退出腔接通升壓，模擬現場工況。但此升壓過程在實際運行操作時是不存在的。首先應在止漏環投入腔加壓，保證閥體充水不泄露，然后當閥體充滿水時，給閥體加壓，當閥體打壓升壓至與止漏環投入腔平壓狀態過程中，止漏環投入腔壓力會迅速上升，需通過泄壓閥控制,如通過手動控制，壓降速度與幅度成非線性的變化，結合升壓與降壓的過程，止漏環與固定密封環在嚙合的情況下會在上下游方向反復運動，易造成劃傷。一旦產生泄露，閥體與止漏環同時泄壓，平壓破壞，惡性循環。但在現場實際運行時，不會因為泄露而出現閥體與止漏環同時失壓的狀態。

2）試驗進水孔在底部，止漏環整圈壓力不均勻。

3）閥體內部清潔不到位。

4）壓力泵內部未清理。

2.青年價值觀的含義及其構成要素。世界觀給予我們對所處世界的一般性看法，人生觀是人們對人生目的、意義的認識和態度。青年價值觀是青年人生觀的體現，是在具體的人生觀的指導下形成、發展的。在我國，青年人生觀一般可以分為兩類：即無產階級人生觀和非無產階級人生觀。《共產黨宣言》中指出：“過去的一切運動都是少數人的或者為少數人謀利益的運動。無產階級的運動是絕大多數人的、為絕大多數人謀利益的獨立的運動”［1］。“為絕大多數人謀利益”由馬克思、恩格斯提出，被毛澤東凝練成“為人民服務”，這正是無產階級政黨的宗旨，也是無產階級人生觀概念的升華。

3.3 處理及改進意見

1）更換處理后的固定密封環，重新試驗。

2）增加新的齒輪泵。接止漏環投入腔和退出腔。保證止漏環壓力穩定。

3）增加止漏環投入腔注水點。

4）采用兩套泵，分別對閥體和止漏環投入腔加壓，保證壓力上升平穩。

5）徹底清理閥體內部。

4 試驗數據與有限元計算分析

自2016年10月份至2017年1月份，在安德里茨裝配車間分別完成了深蓄球閥1號和3號球閥的工廠驗收試驗。在試驗過程中，測量活門沿下游方向的變形相比于單獨的活門的有限元結果基本吻合，對深蓄球閥閥體和活門整體進行了有限元計算，針對變形的問題進行進一步的分析。

4.1 試驗、單獨活門有限元計算和閥體與活門整體

（1）球閥工廠驗收試驗放置狀態：水平放置在支撐上，投入轉臂上的鎖錠銷。

（2）單獨活門有限元計算：由于水壓力引起的活門力通過軸套傳遞到軸承中心點。在中心點施加位移約束Ux=Uy=0,見圖7。

圖7 單獨活門有限元計算

（3）閥體與活門整體有限元計算：考慮活門與推力軸承之間0.4 mm的間隙。其余邊界條件依據（1）試驗，閥體與活門整體有限元計算見圖8。

圖8 閥體與活門整體有限元計算

其中閥體與活門整體有限元計算工況:一是閥體與活門與水接觸的表面施加7.06 MPa的壓力，同時考慮靜水壓力；二是閥體與活門的重量；三是工作密封投入腔的閥體表面施加8.5 MPa壓力，同時考慮工作密封投入腔壓力8.5 MPa時，工作密封作用于活門的力。

4.2 計算結果與試驗數據比較分析

將試驗數據同有限元計算作比較，對比結果見表1。

表1 試驗數據與有限元計算結果對比表 單位：mm

根據表1對比結果，我們可以得出以下結論：

1）活門中心水流方向變形的計算結果與1號、3號球閥活門試驗測量數據趨于一致。

2）排除鎖錠銷與銷孔間隙引起活門轉動的影響（6點變形+12點變形實測值與計算結果比較），1號，3號球閥活門12點和6點位置的變形與計算值趨于一致。

3）通過有限元分析可以看出，在活門中心不同部位架表，變形量的大小不一樣，最大、最小變形量差值在0.30 mm左右。因此，百分表架設的部位不一樣，其讀數會存在一定差異。總體上來說，活門的變形趨勢是與有限元分析吻合的。

5 結束語

深圳抽水蓄能電站進水閥采用安德里茨公司成熟設計，東方電機和安德里茨各制造2臺，借鑒和吸收了廣蓄、惠蓄、仙游、清蓄等運行經驗加以改進完善，目前4臺進水閥已全部通過出廠驗收，其中整體壓力試驗、檢修密封試驗、工作密封試驗漏水量遠小于合同要求0.1 L/min。其設計、制造、驗收的成功經驗對其他同類電站進水閥有借鑒意義。

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