大型液控蝶閥調試及動水實驗過程問題探析

梁明華，張 波，白學斌

（中國水利水電第十一工程局有限公司,河南 鄭州 450001）

1 項目概述

蝶閥安裝在機組前側,既要起到正常檢修階段隔斷水流作用,又要滿足在緊急事故狀態下保證在本體結構穩固的情況下截斷動態水流,防止事故進一步擴大；因此對蝶閥的考驗主要集中在動水關閉實驗階段；同時,作為對蝶閥考核的最后一個關鍵實驗,實驗的結果好壞直接影響著項目各方對蝶閥制造、安裝等質量的評判。

本項目的蝶閥由湖南長沙某閥門廠制造；對于蝶閥設備在項目施工階段本公司承擔的主要任務是蝶閥的安裝、調試（無水靜態、有水靜態、有水動態）,本文將重點對蝶閥在動水關閉實驗過程中的現象及數據進行分析。

2 設備特征及參數

楚卡斯水電站引水方式為壓力鋼管引水,鋼管形式為一管兩機,即一根直徑為6200 mm 的總管在三岔管處分為兩根直徑為3500 mm 的獨立引水管,在岔管下游側和機組蝸殼進口上游側之間各安裝一臺等直徑的蝶閥。蝶閥下游側各安裝一臺型號為HLA551 h-LJ-261 的混流式水輪發電機組,機組總容量為5.2 萬kW。

蝶閥的主要特征及參數如下：

蝶閥布置方式：臥式；

閥體直徑：3500 mm；

設計壓力：0.82 MPa；

額定水頭：48.4 m；

額定流量：61 m3/s；

操作方式：開啟—雙液壓缸頂升；關閉—雙重錘自重壓下；

接力器操作油壓：16 MPa；

閥門平壓方式：利用本體旁通閥平壓；

旁通閥形式：旁通管直徑350 mm,旁通閥—液控針閥,操作油壓—16 MPa；

開關時間：主閥開—60 s～120 s 可調；主閥關—60 s～120 s可調；旁通閥啟閉—30 s 以內。

3 蝶閥調試

首先說明蝶閥的控制情況：蝶閥控制液壓系統與機組調速器公用一套液壓源,其自動化控制主要依靠蝶閥液控柜內的液控閥組完成,直白地說就是一個兩位三通的電磁換向閥,其原理是：不需要操作蝶閥時,此電磁閥處于失電狀態（壓力油頂在電磁閥的壓力口P 口）；當需要打開蝶閥時,電磁閥得電,閥芯換向,壓力油通入接力器開腔,蝶閥打開；當需要關閉蝶閥時,電磁閥再次得電,接力器開腔油口與回油管接通,接力器失壓,且在重錘作用下,閥門關閉。

3.1 無水靜態調試

3.1.1 目的

此次調試為蝶閥安裝完畢后的首次動作實驗,因此此次實驗的主要目的是檢驗蝶閥本體的安裝是否合格（主要包含蝶閥各處連接質量、主閥伸縮節調整、控制系統管路接頭裝配質量、電氣控制邏輯、各控制閥組動作、閥門動作時間調整、各位置信號器是否正常、遠控操作等）。

3.1.2 調試準備

調試前的首要條件之一是液壓控制系統調試完畢,具備正常工作條件。其它各項主要準備工作如下：

（1）閥體內部及外部周圍清掃干凈,尤其是閥板區域需要仔細檢查應無異物；

（2）蝶閥的檢修密封需要確認是否處在退出位置,否則應手動退出；

（3）實驗區域劃定禁區,并設置安全警示標識；

（4）準備好棉紗及其它需用材料,做好液壓管路滲漏處理準備；

（5）搭設必要的操作或者檢查平臺及通道；

（6）其它必要的安全措施。

3.1.3 實驗方法

首次動作時,先將控制系統壓力調整至蝶閥最低的動作壓力,然后手動點動控制閥使蝶閥小幅度打開；觀察應無異響及其他非正常現象。然后再繼續打開蝶閥至50%開度,若無異常現象則可以全部打開。全開后將所有手動閥門關閉,利用蝶閥的手動鎖定將閥板鎖定在全開位置后,技術人員進入到閥體內部檢查閥板密封處及鉸鏈處是否正常。檢查完畢后人員撤出,將鎖定退出,手動控制閥門打開。然后將蝶閥關閉,如此過程正常,則表明閥門可進入到下一步調試過程。

接下來則是升高液壓系統壓力至80%,再次將蝶閥全開及全關操作。若系統正常則將系統壓力升至額定壓力下再次進行開關操作。（主閥動作的同時,可對旁通針閥進行同步實驗）

最后則是調整蝶閥開關時間,根據技術文件,暫將主閥開時間調整為90 s,關時間調整為110 s。

需要注意的是調整主閥關時間分為兩步,第一步是先將液壓管路中的調流閥全部放開然后調整蝶閥接力器本體上的調流閥,時間調為105 s；第二步是調整管路中的調流閥將時間調為110 s；這么做的目的是由于液壓管路相對于接力器強度較低,液壓管路在工作中可能會出現爆管現象,這是為了在液壓管路發生爆管時蝶閥仍然能夠有一個安全的關閉速度,以防止壓力鋼管出現水錘。

3.2 有水靜態調試

有水靜態調試主要考核蝶閥在運行過程中或者說經過多次運行后,各密封部位及連接部位的封水情況,實驗過程與無水靜態實驗過程一致,這里就不再贅述。

3.3 有水動態調試

3.3.1 目的

此次調試得目的主要是考核蝶閥的設計及制造是否合格,具體地說就是驗證蝶閥在極限工況下是否能夠可靠關閉。并且蝶閥本體（伸縮節、基礎螺栓、旁通管）、上下游鋼管是否處于正常狀態。

3.3.2 調試準備

考慮到動水關閉實驗過程可能存在振動及微量位移,所以在靜態調試準備工作的基礎上,增加的準備工作如下：

（1）設置與蝶閥本體相互獨立的觀測架（觀測架利用輕型型鋼制作）,同時在選定的位置上架設百分表；

（2）為了降低蝶閥動水關閉時水錘作用引起的安全隱患,在1#機組實驗時將2 號機組開至空載運行狀態；

（3）實驗前先再次確認蝶閥靜態關閉時間是否為110 s；

（4）蝶閥接力器測壓口裝設測壓表,測點位置見圖1（未標箭頭的點號為該位置垂直方向的測點編號）。

圖1 測點位置示意圖

3.3.3 實驗方法

蝶閥動水關閉實驗將分別在機組空載、25%載荷、50%載荷、（25 MW）100%載荷四種工況在進行。實驗前蝶閥閥板處于全開位置,機組穩定運行后操作關閉按鈕使蝶閥關閉。為了保證安全,在蝶閥進行動水實驗時,大壩進水口閘門控制柜及機組調速器等處需安排技術人員待命,必要時可進行緊急操作。

動水實驗過程中主要觀測項有：蝶閥開度在20%、50%、75%、100%時分別記錄時刻點（精確到s）、蝶閥上下游壓力（從壓力變送器處讀取）、液壓接力器開腔壓力、蝸殼尾部壓力、水輪機頂蓋及軸承處振擺、閥體及旁通管處的振動幅度、蝶閥基礎位移情況等。

3.3.4 實驗現象及結果

（1）實驗現象：

①機組空載狀態：此時水輪機活動導葉開度為16%,蝶閥由全開到全關過程中主閥體無明顯振動及位移,旁通閥（尤其是針閥頂部）出現輕微振動,同時在蝶閥閥板接近全關時能聽見流道內出現高速水流束聲,關閥時間由原來的110 s縮短為88 s。

② 機組帶25%負荷：此時水輪機活動導葉開度為37%,蝶閥由全開到全關過程中主閥體出現微量振動,旁通閥（尤其遠離蝶閥的位置）出現較為強烈的振動,同時在蝶閥閥板接近全關時能聽見流道內出現高速水流束聲（聲音比空載時更大）,關閥時間由原來的110 s 縮短為58 s。

③機組分別帶50%、75%負荷：此時水輪機活動導葉開度分別為51%、66%,蝶閥由全開到全關過程中主閥體出現較強烈振動,旁通閥（尤其遠離蝶閥的位置）出現劇烈烈振動,同時在蝶閥閥板接近全關時能聽見流道內出現高速水流束聲（隨著負荷的加大,聲音逐漸變為刺耳的蜂鳴聲）,關閥時間由原來的110 s 分別縮短為43 s、32 s。

注：由于在機組帶75%負荷,蝶閥動水關閉時旁通閥的振動太為強烈并且流道內出現水錘作用,出于安全考慮,先考慮對旁通閥進行加固處理及蝶閥關閉時間調整方案,處理完畢后繼續進行在100%負荷下蝶閥的關閉實驗（處理方案在后面的敘述中體現）。

④ 機組帶100%負荷：此時水輪機活動導葉開度分別為51%、66%,蝶閥由全開到全關過程中主閥體出現較強烈振動,旁通閥（尤其是遠離蝶閥的位置）出現劇烈烈振動,同時在蝶閥閥板接近全關時能聽見流道內出現高速水流束聲（隨著負荷的加大,聲音逐漸變為刺耳的蜂鳴聲）,關閥時間由原來的110 s 分別縮短為43 s、32 s。

（2）實驗數據見表1。

表1 實驗數據表

（3）實驗數據分析：在機組空載、25%載荷、50%載荷、75%載荷下進行蝶閥動水關閉實驗時,其時間壓縮率分別為：20%、34.5%、50%、59%；同時對應的流道內升壓率分別為：11.5%、17.3%、18.2%、19.2%,按照這個趨勢,如果在處理之前的條件下進行100%負荷下的動水關閉實驗,時間壓縮率將超過65%、升壓率將超過20%。

蝶閥動水關閉時蝶閥閥體的振動隨之加劇,且振動最大處在主閥體頂部（沿水流方向的振動大）；對于旁通閥,其振動規律與主閥體一致,只是振動幅度比主閥體大,旁通閥振動幅度最大處在旁通閥最遠離主閥體部位。對于流道內產生的水流射流聲,根據現場實際觀察到的結果是,當閥板關閉到65°時開始出現,并且在80°～85°左右聲音最大并且變得尖銳。

振動及聲音加劇的主要原因是,當閥板逐漸關閉時流道內過流面積縮小,那么勢必引起水流速度的增加,特別是在機組高負荷下及閥板接近全關的位置,在閥板下游側區域形成一個短時的真空區域,這會引起蝶閥下游側真空破壞閥的動作形成噴出水霧。

因此,為了平衡蝶閥動水關閉時間及流道壓力上升之間的關系和降低旁通閥的振動幅度,尋求一個合理的靜水關閉時間和對旁通閥的加固方案是非常有必要的。

4 蝶閥靜態關閉時間調整及旁通閥加固

4.1 靜水關閉時間調整

根據0～75%負荷下動水關閉數據變化趨勢分析,將蝶閥靜水關閉時間由原來的110 s 調整為120 s,調整方法與蝶閥初次調試時的時間調整方法一致,仍然分為兩步,即第一步是現將管路中的調流閥全部放開,調整接力器調流閥使蝶閥關閉時間為110 s（此時間為爆管時蝶閥關閉時間）,第二步再在第一步的基礎上把蝶閥靜水關閉時間調為120 s（項目實際調整為123 s）。

4.2 旁通閥加固

根據實驗結果看出,旁通閥在蝶閥進行動水關閉實驗時產生了激烈振動,其結果可能會導致旁通閥與蝶閥焊接部位產生疲勞破壞。為了防止蝶閥在正常運行及極限工況下產生的不同頻率及振幅的振動可能引發的安全事故,這里采用剛性限制的方式對旁通閥進行加固,具體方案為：在靠近旁通閥針閥的位置（此位置為振動最強烈的位置）及旁通管中間部位增加兩道抱箍,在選擇抱箍位置的時候首先應考慮抱箍支撐的位置,因為抱箍支撐需要與蝶閥本體連接,連接方式為焊接；由于蝶閥為永久設備,為了不在其本體上焊接,這里考慮在蝶閥吊耳寬邊上及蝶閥加強圈的位置上進行焊接。

支撐板采用16 mm 鋼板（焊接成T 形支撐）,抱箍采用6 mm 扁鐵現場彎制成與旁通管等直徑的抱箍,支撐焊接完畢并安裝抱箍時,在抱箍與旁通管之間墊上橡膠彈性墊（這樣做是考慮使抱箍既產生一定的限制作用,又并不是完全限制,這樣能夠維持整個加固裝置的穩定性）。具體形式見圖2。

圖2 旁通管固定結構示意圖

5 結語

蝶閥調試實驗主要問題集中在動水實驗過程中發生,通過蝶閥的靜態實驗、動水實驗發現并驗證了設備制造質量、安裝質量、設計薄弱環節、相關參數的正確性。

通過對蝶閥靜水關閉時間的優化調整合理地平衡了動水關閉時流道內壓力上升率、蝶閥緊急關閉速度（保證機組安全）、蝶閥振動幾方面的關系,為后期蝶閥的安全運行提供了保證。通過對旁通閥的合理加固,減弱了蝶閥動水關閉時的振動幅度,提高了旁通閥及蝶閥的整體可靠性。