小天都水电站Φ1.6m球形阀的结构设计

2013-08-31 林洪德真空技术网整理

　　本文介绍了小天都水电站中Φ1.6m球形阀的性能、新结构及结构设计特点以及运行情况。这些新结构的使用，使成套球形阀的总体布局更加合理，性能更先进，既节约了材料，减少了制造工时，又为用户运行和检修提供了方便，同时也提高了球形阀的技术经济指标，创造了良好的社会效果。

1、引言

　　小天都水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县内，是瓦斯河干流梯级开发的第二级，为低闸高水头引水式电站。上游紧连龙洞梯级电站，下游与冷竹关梯级电站相接。闸首位于柳杨沟口上游约700m处，厂房位于熊家沟口下游约7O0m处，闸首上行约9km至州府康定，厂房下行约33km至沪定，经天全、雅安至成都，公路里程约315km。电站装机容量为3×80MW。亚洲GE公司提供2台套水轮发电机组，包括2台套Φ1.5m球形阀。东方电机有限公司提供1台套水轮发电机组及1台套Φ1.6m球形阀。

　　小天都水电站水轮发电机组及辅助设备是我公司在2003年9月16日与四川华能康定水电有限责任公司签订的产品供需合同。

　　东方电机有限公司提供的球形阀(见图1)是水轮机进水阀，球形阀作为水轮机的事故保护和检修阀门，安装在引水管下游端的电站厂房内，水平中心线高程为EL1756.5m，球形阀垂直中心线位于机组中心线的上游侧7.4m。

图1 球形阀布置图

　　为了降低球形阀总体重量，使球形阀结构及性能达到国内外先进水平，我们对一些重要部件结构进行多方案对比分析，在满足球形阀安全可靠运行的前提下，设计出了体积小、重量轻、符合该电站水轮机要求的Φ1.6m球形阀。设计是从2003年9月开始，于2004年3月25日完成图纸设计。其间，于2003年11月20日至1月22日，在我公司召开了该机组的第1次设计审查及联络会，用户同意了我公司提出的水轮发电机组及球形阀的设计方案，并协调了有关技术问题，取得了共识。于2004年2月25日至2月27日，在我公司召开了该机组的第2次设计联络会，协调了有关技术问题，达成了一致意见。小天都电站于2006年8月投入商业运行，机组及球形阀运行良好，受到用户好评。

2、水轮机及球形阀的性能参数

　　(1)水轮机的性能参数

　　水轮机型号 HLD381b-LJ-265

　　最大水头 392.9m

　　设计水头 358.0m

　　最小水头 351.5m

　　设计流量 25.13m3/s

　　额定出力 82.1MW

　　额定转速 428.6r/min

　　旋转方向俯视顺时针

　　(2)球形阀的性能参数

　　球形阀型号 QF4OO.9-WY-160

　　球形阀名义直径D 1600mm

　　水压试验压力 6.9MPa

　　球形阀额定流量Q 25.13m3/s

　　球形阀最大工作水头Hmax 400.9m

　　球形阀承受的最大升压水头H' 500m

　　接力器直径Dc Φ650mm

　　接力器行程S 1190mm

　　球形阀开启时间t 60~150s(可调)

　　球形阀动水关闭时间t 60-150s(可调)

　　接力器操作油压p 3.6-4.OMPa

　　旁通阀直径d1 无

　　空气阀直径d2 Φ100mm

　　球形阀的最大漏水量(初装)q 0.01L/min

　　球形阀的油压装置型号 HYZ-4-4

　　球形阀的集油装置 JS-250

　　电站台数n 1台

3、球形阀的工作原理

　　当球形阀要开启时，首先解除检修密封处的3套周圈均布的沿水流方向锁锭检修密封的锁锭，然后在检修密封的开启腔通入压力油，使检修密封处于开启状态，上游检修密封的行程开关的信号显示开启，在此状况下，在下游工作密封的开启腔通入压力油，使工作密封处于开启状态，且下游工作密封的行程开关的信号显示开启，这样，水流就通过上游检修密封处的周圈间隙与下游工作密封的周圈间隙向蜗壳内充水;当活门前后压力趋于平衡，控制球形阀的压力传感器和压力开关的显示达到设定值时，接力器转动活门由全关旋转到全开，球形阀开启过程结束。当球形阀要关闭时，首先，接力器转动活门由全开旋转到全关，然后，在下游工作密封的关闭腔通入压力油，使工作密封处于关闭状态，且下游工作密封的行程开关的信号显示关闭，水流被全部截断，球形阀关闭过程结束。一般情况下，上游检修密封始终处于开启位置，只有当机组检修或球形阀更换工作密封时，关闭球形阀检修密封，并投入检修密封的机械锁锭。长时间停机或机组发生事故而导水机构不能关闭时，关闭球形阀工作密封。值得一提的是球形阀工作密封是要经常被操作、动作的，而检修密封是很少动作的。另外，在引水钢管充满水的情况下，球形阀活门只能处于全关或全开位置，不允许停留在其他位置做调节流量用。

　　球形阀的操作：

　　(l)球形阀能在阀室或中控室以一个电器脉冲按规定程序自动地操作。操作时可以手动，亦可用开、停机继电器。

　　(2)1台球形阀用1套HYZ-4-4型油压设备，其操作油源的额定压力为3.6~4MPa。球形阀的开启、关闭是通过油压操作接力器来实现的。因此，当失去厂用电源，在油压设备的主、备油泵都不供油的情况下，仍能安全地动水关闭球形阀。

　　(3)油压设备备用油泵投入，油压急剧下降及储油箱油面不正常时，都可以发出警报信号。

4、球形阀结构设计特点及采用的新结构

　　球形阀本体由分半的前阀体、后阀体、活门、自润滑轴承及检修密封、工作密封、Φ650摇摆式接力器等零部件组成"附属设备有上游连接管、下游伸缩节、作排气和补气用的Φ100空气阀以及用于球形阀控制的水系统、油系统及自动化元件，球形阀控制系统的油压设备系统。球形阀装配图见图2。

图2 球形阀装配图

　　本球形阀为横轴型，活门中间流道直径与上、下游引水管直径相同，具有全开时阻力损失极小(可忽略不计)，全关时密封性能好的优点，是一种新型的双密封环球形阀。

4.1、球形阀主密封

　　球形阀的检修密封及工作密封采用相同的不锈钢活塞式密封环，使其阀体的进口、出口加工尺寸完全相同，为制造加工带来了极大的方便。阀体采用偏离轴孔斜分半整铸结构，使阀体分半面周圈密封加工方便，密封效果好，阀体分半面螺栓分布均匀，受力好，避免了沿阀体轴孔中心线垂直分半所造成的轴孔两侧螺栓跨距大，把合力不足，合缝面错牙漏水现象。阀体偏离轴孔斜分半结构是我公司研发的球形阀新结构。分别在渔子溪Φ1.6m球形阀改造项目上和卡杜里Φ1m球形阀，高桥Φ1m球形阀和华光潭Φ1.75m球形阀、瓦屋山Φ2.5m球形阀等上使用。上、下密封环采用改进后的国内较先进的密封环结构，消除了原来的止漏环受力不好而产生歪斜发卡的现象。前、后阀体密封环滑动处均堆焊有不锈钢层，以防止运转中产生锈蚀发卡和磨损橡胶密封圈。阀体的二轴孔是通过轴瓦承受旋转部分重量以及作用在活门上的水压力。

4.2、取消旁通阀及球形阀轴心充、排水阀

　　原招标书是要求设旁通阀的，在签技术协议时，我们与用户协商，同意取消旁通阀。GE亚洲公司的Φ1.5m球形阀上设置了旁通阀，多了1套系统，对球形阀运行有一定影响。由于球形阀上、下游密封均采用密封环结构，因此，原来球形阀采用密封盖所用的向球形阀轴心充水和排水液压阀及检修液压阀而设置的闸阀和管路自然取消。同时，利用球形阀下游密封环开启间隙向蜗壳充水的流量，超过Φ150mm液压阀充水的流量，所以，向蜗壳充水的液压阀及为检修液压阀而设置的闸阀和管路也同时取消。这样，使球形阀的结构及操作系统更加简化。

4.3、活门及封水环

　　活门采用阀轴与整铸活门焊接为一体的结构，阀轴与整铸活门焊接为一体的结构也是我公司研发出的新结构，在渔子溪Φ1.6m球形阀和华光潭Φ1.75m球形阀上使用过。活门上、下游处加工有把合封水环的螺孔和止口，以便于封水环套上后把紧、定位，更换封水环也不用拆卸球形阀阀体。封水环与密封环是通过配研磨来达到紧密接触止漏目的。封水环损坏后，可在不解体球形阀的情况下更换封水环。同时在球形阀制造中，封水环、密封环可单独加工，成对研磨，为加工带来方便。活门两轴颈与轴瓦及密封接触面为红套并焊固的不锈钢套，以防活门轴锈蚀，磨损轴瓦。

4.4、密封环位置显示装置

　　密封环为铸造不锈钢，在球形阀上、下游导环与阀体之间往复滑动，且带有专业密封件厂家制造的组合密封圈。这种组合密封圈密封性能好，使用寿命长。密封环只能处于全开或全关位置，行程为8mm。在球形阀上、下游密封环上分别设置了位置行程开关，由电路接至中控室，以显示密封环处在全关或全开位置信号，便于准确地操作接力器开、关球形阀活门。

4.5、关键密封采用进口元件

　　球形阀的密封环上的封油、封水密封圈及轴端封水密封圈采用专业密封件厂家的密封件，以保证密封的可靠性。

4.6、取消止漏盖及其附属零件

　　由于采用密封环代替止漏盖，密封环比止漏盖轻得多，大大节约了原材料及碟簧等零件，使得结构更加简单，更有利于加工。

4.7、操作机构(接力器)大大简化

　　接力器的直径为Φ650mm，行程为1190mm。接力器的活塞杆通过臂柄与活门轴相连接。接力器的下端盖与支座之间用销轴铰链连接，能自由摆动。

　　球形阀采用油压操作接力器开启、关闭。油压设备的额定油压为3.6-4MPa。上游检修密封的圆周上设有3个手动机械锁锭，在检修机组时，除关闭球形阀检修密封外，用手动机械锁锭锁住，另外，还需关闭操作接力器开启腔管路上的截止阀，以保证机组在检修时的绝对安全。

　　操作机构(接力器)简化如下：

　　(1)取消金属铰链配油结构，采用金属软管结构，使接力器结构大为简化、可靠。使加工工作量大为减少。

　　(2)接力器活塞杆密封采用专业密封件厂家的密封件，代替多层“V”型橡胶密封或石棉盘根密封，使密封性能提高。

　　(3)接力器活塞杆杆体部分镀硬铬，使活塞杆不至于生锈磨坏密封圈。

　　(4)接力器活塞密封采用2道孔用方形圈密封，替代原来的活塞环密封，这种组合密封的密封压力高，密封压力为0-4OMPa，经久耐用。而活塞环加工工序多，废品率高，且工作时窜油量大，使油压设备的油泵启动频繁，能耗大。

4.8、采用烧结自润滑轴瓦

　　轴承及其密封装置由烧结自润滑瓦、钢套、轴用回转方形密封圈、压垫盖等零部件组成。两端轴之间用回转方形密封圈，该密封圈为专业密封件厂家的产品，用以密封通过轴瓦而来的压力水。

　　球形阀活门轴瓦采用最新研制的烧结自润滑轴瓦，以代替钢背复合材料轴瓦和铸锡青铜轴瓦，降低轴瓦造价，同时不需黄甘油润滑，可取消铜瓦的注油杯，使加工方便，结构简单，同时，该种轴瓦的摩擦系数小，提高了操作力矩的安全裕度。

4.9、球形阀上、下游密封环采用油操作

　　在球形阀上游检修密封处于全开位置时，应首先开启工作密封，向蜗壳内充水，当活门前、后水压趋于平衡后(前、后压差不大于30%)，球形阀即能平稳开启。

　　由于电站水质差，用水操作需滤水器，且至今电站用的滤水器均不好用，所以采用油操作，从而可节省双向滤水器，使操作更可靠、安全。为了不使密封环腔内含有水分的油回到油压设备中去，污染油源，锈蚀自动化元件，故将密封环内的排油另接至用户自备的废油箱内。

4.10、空气阀

　　空气阀名义直径为Φ100mm，装在球形阀伸缩管的顶部。当蜗壳放水时，它就自动打开。当蜗壳充水时，其内部的空气通过空气阀排入大气中。当球形阀动水关闭时，空气阀向蜗壳及伸缩管补入空气，以免产生真空而丧失稳定性。

4.11、伸缩节

　　伸缩节装于球形阀后，与球形阀阀体法兰和蜗壳法兰连接。伸缩节既可补偿管道的温度变形，又便于检修球形阀的工作密封和整体吊装球形阀。

4.12、上游连接管

　　上游连接管装于球形阀前，与球形阀阀体法兰连接。另一端与上游引水管在工地焊接，焊缝进行射线探伤检查。

5、厂内试验

　　小天都球形阀在厂内做了阀体的打压试验，密封环的动作试验，球形阀的漏水试验(球形阀密封不漏水)，球形阀与接力器一起做动作试验。各项试验都良好通过。

6、运输

　　由于小天都Φ1.6m球形阀整体尺寸较小，球形阀本体装配整体发运工地。运到工地后，不再做试验，直接移交给业主安装。

7、电站试验

　　球形阀安装后，进行了无水操作试验、油与水管路打压试验、有水操作试验等一系列机组运行前的试验。机组运行后，在业主认为合适的时候，由业主方主持，有各方代表参加的，在制造厂代表指导下进行的动水关闭操作试验。球形阀的动水关闭操作试验对球形阀来说是一种工况最恶劣环境的试验，一般业主不愿意作此试验，因此在国内做了球形阀动水关闭操作试验的水电站并不多，今后应该会多一些，而对制造厂家来讲，提供的球形阀设备应该具备此功能。

8、球形阀运行情况

　　小天都球形阀于2006年8月投入商业运行以来，已运行4年多了，球形阀检修密封、工作密封动作灵活，不窜油、窜水。伸缩节不漏水，接力器操作自如，不整劲，没有进行过消缺处理，总体运行很好，比同电站的GE公司带有旁通阀的球形阀振动小，操作更简单，深受用户好评。球形阀正常开、关时间为120s;整定油压为3.6MPa;Φ100mm空气阀补、排气正常;Φ650mm接力器操作容量足够，能自如地转动球形阀，包括动水关闭球形阀。这里应该提出的一点，接力器的尺寸设计过大，最初设计为Φ600mm接力器，而提供自动化设备的厂家提出油源经过控制柜的压降就超过0.3MPa，再加上其他管道压降，有可能在紧急工况下关闭球形阀的容量不够，所以应业主方要求，接力器内径由Φ600mm加大到Φ650mm，实际上Φ600mm接力器也就足够了。

9、结论

　　球形阀作为机组的进水阀门，对机组的事故保护和对机组的检修起着至关重要的作用，球形阀运行性能的好坏，直接影响电厂的经济效益和社会效益，因此，电站对球形阀的结构性能要求也越米越高。像小天都水电站这种高水头球形阀在设计、制造中，都有一定的难度，既要考虑球形阀的强度、刚度、变形、密封性能，又要考虑铸件、锻件、加工件厂家的设备能力，以及运输条件。小天都水电站球形阀的成功设计制造及顺利投运，标志着我公司在技术创新领域又迈上了新台阶，为我公司赢得了荣誉，提高了公司的市场竞争力，同时也为今后的设计制造工作积累了宝贵的经验，打下了坚实的基础。