靛青山水電站 3 號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)水閥的改造

林高峰，趙 軍

（文成縣靛青山水力發(fā)電廠，浙江 文成 325300）

1 工程概況

文成縣靛青山水電站位于文成縣大峃鎮(zhèn)吳垟村，距縣城5 km，交通便利，三面環(huán)山、前臨泗溪，是以發(fā)電為主，兼顧灌溉、防洪的水利水電工程。

水庫(kù)大壩位于文成縣泗溪上游的程坑門溪，壩高 26.2 m，為雙曲混凝土砌石拱壩，總庫(kù)容38.5萬(wàn)m3。電站于1990年8月1日建成運(yùn)行，原有裝機(jī)2×1 600 kW，現(xiàn)有裝機(jī)2×2 000+1×3 200 kW，設(shè)計(jì)水頭336 m，年發(fā)電量1 900萬(wàn)kW · h。其中，3號(hào)機(jī)組裝機(jī)3 200 kW，配套壓力鋼管直經(jīng)0.7 m，長(zhǎng)度550 m。

2 存在問(wèn)題

作為水輪機(jī)組的進(jìn)水閥，其主要作用是:①在機(jī)組檢修時(shí)，關(guān)閉閥門以切斷水流；②機(jī)組長(zhǎng)期停機(jī)時(shí)，關(guān)閉閥門以減少水流損失；③當(dāng)機(jī)組和調(diào)速器發(fā)生故障時(shí)，可以動(dòng)水關(guān)閉，防止事故擴(kuò)大。

2004年電站增容時(shí)，3號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組配套的進(jìn)水電動(dòng)閘閥型號(hào)為Z941H - 40c（DN600）。經(jīng)過(guò)14 a的運(yùn)行，機(jī)構(gòu)逐步磨損、銹蝕和老化，諸多問(wèn)題日益顯現(xiàn):閥體銹蝕，閥桿、螺母磨損嚴(yán)重，造成進(jìn)水閥關(guān)閉不嚴(yán)；當(dāng)出現(xiàn)廠用電消失的故障時(shí)，電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)失靈，進(jìn)水閥無(wú)法關(guān)閉，存在嚴(yán)重的事故隱患。

3 改造方案

3.1 傳動(dòng)方式的優(yōu)化

本次改造的主要目的，是解決廠用電消失時(shí)進(jìn)水閥的關(guān)閉問(wèn)題，實(shí)施手段是將閥門啟閉操作源動(dòng)力由電動(dòng)改為液壓傳動(dòng)。

液壓傳動(dòng)在相同的功率下可以輸出較大的推力或較大轉(zhuǎn)矩，能很方便地實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速且調(diào)速范圍大，同時(shí)便于實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)，使用安全、可靠。

液壓驅(qū)動(dòng)的進(jìn)水閥有2種方式，一種是重錘式，即開閥依靠電機(jī)油泵工作，關(guān)閥則主要依靠重錘的勢(shì)能；另一種是蓄能式，先啟動(dòng)油泵電機(jī)，將高壓油存儲(chǔ)在壓力罐中，閥門開關(guān)時(shí)，再將壓力罐中的壓力油導(dǎo)入接力器的工作腔。

由于閘閥的閘板垂直升降，無(wú)法借助力臂將重錘的力放大，可見(jiàn)閘閥改造不適合采用重錘式，因此，液壓傳動(dòng)選用蓄能式。另外，考慮到成本，選擇依靠油泵電機(jī)開閥，壓力罐內(nèi)壓力油僅滿足關(guān)閥要求的方案。

根據(jù)公式 F = PA，式中:F為出力（N）；P為壓力（MPa ）；A為面積（m2）。在接力器出力 F一定的條件下，接力器面積 A（由接力器缸徑?jīng)Q定）與壓力 P 成反比。

如果選擇常油壓（2.5 ～ 6.3 MPa），接力器缸徑會(huì)比選擇高油壓 16.0 MPa的大，隨著缸徑增大，油泵排量、電機(jī)功率、液壓閥通徑、壓力罐容積和體積等與缸徑正相關(guān)的元件也會(huì)加大，將增加改造成本；如果選擇高油壓，接力器等元件將會(huì)因壓力的增高而使公稱參數(shù)下降，降低改造成本。目前液壓元件質(zhì)量完全滿足16.0 MPa壓力等級(jí)的工作要求，因此，將液壓系統(tǒng)的公稱壓力選為16.0 MPa。

3.2 改造內(nèi)容的確定

液壓傳動(dòng)的方案明確后，需對(duì)電動(dòng)進(jìn)水閥進(jìn)行如下改造:

（1）拆除電動(dòng)執(zhí)行器，拆除原絲桿螺母?jìng)鲃?dòng)裝置及支座；

（2）新增雙作用接力器和接力器支座；

（3）加工 1 根不銹鋼閥桿，連接閘板與接力器；

（4）配置 1 套液壓泵站和蓄能器組，開閥利用油泵電機(jī)工作產(chǎn)生的高壓油，關(guān)閥利用蓄能器蓄積的壓力油作為關(guān)閥動(dòng)力源；

（5）液壓站配套控制柜采用 PLC 為邏輯控制元件，控制電源采用廠用直流電。

3.3 啟閉力計(jì)算

由于缺少進(jìn)水閥的零件圖紙，無(wú)法按理論公式計(jì)算閘閥啟閉所需的軸向力。進(jìn)水閥的開關(guān)是由電動(dòng)執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)螺桿螺母?jìng)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的，因此電動(dòng)執(zhí)行器最大輸出扭矩，可計(jì)算其能輸出的最大軸向力，這個(gè)軸向力就是接力器需要提供的拉力。

原電動(dòng)進(jìn)水閥配套的電動(dòng)執(zhí)行器型號(hào) ZC180 - 18/40，最大扭矩 1 800 N · m，閥桿螺紋 Tr 60x8。

根據(jù)螺旋傳動(dòng)的公式:

式中:T為電裝輸出扭矩（N · m）；F為軸向載荷（N）；d2為螺紋中距（mm，取值56）；λ為螺旋升角（°，取值 2.60）；p ′為當(dāng)量摩擦角（°，取值5.91）；η為傳動(dòng)效率，

“-”表示螺桿自鎖，經(jīng)計(jì)算:F = 320.48 kN

3.4 接力器缸徑的選擇

根據(jù)推力校驗(yàn):取 P = 11.5 MPa，活塞桿直徑d為60 mm，則可求出活塞直徑 D = 19.77 cm，取整為 20 cm。由公式:

計(jì)算得:F = 330.40 kN＞320.48 kN

在 20 cm 缸徑下，操作推力能滿足閘閥啟閉要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)上述方案改造后，進(jìn)水閥在僅保留廠用直流電源和液壓系統(tǒng)最低允許壓力的條件下，做了數(shù)次動(dòng)水關(guān)閉試驗(yàn)，均能可靠關(guān)閉。通過(guò)調(diào)節(jié)節(jié)流閥，可改變閘閥的關(guān)閉速度，使其適應(yīng)調(diào)保的要求。在動(dòng)水關(guān)閉時(shí)，更有利于消除水錘壓力過(guò)高可能導(dǎo)致的鋼管破壞。目前液壓操作機(jī)構(gòu)已投入運(yùn)行近3 a，運(yùn)行正常，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

本電站電動(dòng)進(jìn)水閥改造方案也可供其它類似小型電站參考和借鑒，消除因無(wú)電源而使水輪機(jī)最后一道保險(xiǎn)（進(jìn)水閥）失效的隱患。