小天都水電站Φ1.6m球形閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2013-08-31 林洪德真空技術(shù)網(wǎng)整理

　　本文介紹了小天都水電站中Φ1.6m球形閥的性能、新結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)以及運(yùn)行情況。這些新結(jié)構(gòu)的使用，使成套球形閥的總體布局更加合理，性能更先進(jìn)，既節(jié)約了材料，減少了制造工時(shí)，又為用戶運(yùn)行和檢修提供了方便，同時(shí)也提高了球形閥的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，創(chuàng)造了良好的社會(huì)效果。

1、引言

　　小天都水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣內(nèi)，是瓦斯河干流梯級(jí)開發(fā)的第二級(jí)，為低閘高水頭引水式電站。上游緊連龍洞梯級(jí)電站，下游與冷竹關(guān)梯級(jí)電站相接。閘首位于柳楊溝口上游約700m處，廠房位于熊家溝口下游約7O0m處，閘首上行約9km至州府康定，廠房下行約33km至滬定，經(jīng)天全、雅安至成都，公路里程約315km。電站裝機(jī)容量為3×80MW。亞洲GE公司提供2臺(tái)套水輪發(fā)電機(jī)組，包括2臺(tái)套Φ1.5m球形閥。東方電機(jī)有限公司提供1臺(tái)套水輪發(fā)電機(jī)組及1臺(tái)套Φ1.6m球形閥。

　　小天都水電站水輪發(fā)電機(jī)組及輔助設(shè)備是我公司在2003年9月16日與四川華能康定水電有限責(zé)任公司簽訂的產(chǎn)品供需合同。

　　東方電機(jī)有限公司提供的球形閥(見圖1)是水輪機(jī)進(jìn)水閥，球形閥作為水輪機(jī)的事故保護(hù)和檢修閥門，安裝在引水管下游端的電站廠房?jī)?nèi)，水平中心線高程為EL1756.5m，球形閥垂直中心線位于機(jī)組中心線的上游側(cè)7.4m。

圖1 球形閥布置圖

　　為了降低球形閥總體重量，使球形閥結(jié)構(gòu)及性能達(dá)到國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平，我們對(duì)一些重要部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行多方案對(duì)比分析，在滿足球形閥安全可靠運(yùn)行的前提下，設(shè)計(jì)出了體積小、重量輕、符合該電站水輪機(jī)要求的Φ1.6m球形閥。設(shè)計(jì)是從2003年9月開始，于2004年3月25日完成圖紙?jiān)O(shè)計(jì)。其間，于2003年11月20日至1月22日，在我公司召開了該機(jī)組的第1次設(shè)計(jì)審查及聯(lián)絡(luò)會(huì)，用戶同意了我公司提出的水輪發(fā)電機(jī)組及球形閥的設(shè)計(jì)方案，并協(xié)調(diào)了有關(guān)技術(shù)問題，取得了共識(shí)。于2004年2月25日至2月27日，在我公司召開了該機(jī)組的第2次設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)會(huì)，協(xié)調(diào)了有關(guān)技術(shù)問題，達(dá)成了一致意見。小天都電站于2006年8月投入商業(yè)運(yùn)行，機(jī)組及球形閥運(yùn)行良好，受到用戶好評(píng)。

2、水輪機(jī)及球形閥的性能參數(shù)

　　(1)水輪機(jī)的性能參數(shù)

　　水輪機(jī)型號(hào) HLD381b-LJ-265

　　最大水頭 392.9m

　　設(shè)計(jì)水頭 358.0m

　　最小水頭 351.5m

　　設(shè)計(jì)流量 25.13m3/s

　　額定出力 82.1MW

　　額定轉(zhuǎn)速 428.6r/min

　　旋轉(zhuǎn)方向俯視順時(shí)針

　　(2)球形閥的性能參數(shù)

　　球形閥型號(hào) QF4OO.9-WY-160

　　球形閥名義直徑D 1600mm

　　水壓試驗(yàn)壓力 6.9MPa

　　球形閥額定流量Q 25.13m3/s

　　球形閥最大工作水頭Hmax 400.9m

　　球形閥承受的最大升壓水頭H' 500m

　　接力器直徑Dc Φ650mm

　　接力器行程S 1190mm

　　球形閥開啟時(shí)間t 60~150s(可調(diào))

　　球形閥動(dòng)水關(guān)閉時(shí)間t 60-150s(可調(diào))

　　接力器操作油壓p 3.6-4.OMPa

　　旁通閥直徑d1 無

　　空氣閥直徑d2 Φ100mm

　　球形閥的最大漏水量(初裝)q 0.01L/min

　　球形閥的油壓裝置型號(hào) HYZ-4-4

　　球形閥的集油裝置 JS-250

　　電站臺(tái)數(shù)n 1臺(tái)

3、球形閥的工作原理

　　當(dāng)球形閥要開啟時(shí)，首先解除檢修密封處的3套周圈均布的沿水流方向鎖錠檢修密封的鎖錠，然后在檢修密封的開啟腔通入壓力油，使檢修密封處于開啟狀態(tài)，上游檢修密封的行程開關(guān)的信號(hào)顯示開啟，在此狀況下，在下游工作密封的開啟腔通入壓力油，使工作密封處于開啟狀態(tài)，且下游工作密封的行程開關(guān)的信號(hào)顯示開啟，這樣，水流就通過上游檢修密封處的周圈間隙與下游工作密封的周圈間隙向蝸殼內(nèi)充水;當(dāng)活門前后壓力趨于平衡，控制球形閥的壓力傳感器和壓力開關(guān)的顯示達(dá)到設(shè)定值時(shí)，接力器轉(zhuǎn)動(dòng)活門由全關(guān)旋轉(zhuǎn)到全開，球形閥開啟過程結(jié)束。當(dāng)球形閥要關(guān)閉時(shí)，首先，接力器轉(zhuǎn)動(dòng)活門由全開旋轉(zhuǎn)到全關(guān)，然后，在下游工作密封的關(guān)閉腔通入壓力油，使工作密封處于關(guān)閉狀態(tài)，且下游工作密封的行程開關(guān)的信號(hào)顯示關(guān)閉，水流被全部截?cái)�，球形閥關(guān)閉過程結(jié)束。一般情況下，上游檢修密封始終處于開啟位置，只有當(dāng)機(jī)組檢修或球形閥更換工作密封時(shí)，關(guān)閉球形閥檢修密封，并投入檢修密封的機(jī)械鎖錠。長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)或機(jī)組發(fā)生事故而導(dǎo)水機(jī)構(gòu)不能關(guān)閉時(shí)，關(guān)閉球形閥工作密封。值得一提的是球形閥工作密封是要經(jīng)常被操作、動(dòng)作的，而檢修密封是很少動(dòng)作的。另外，在引水鋼管充滿水的情況下，球形閥活門只能處于全關(guān)或全開位置，不允許停留在其他位置做調(diào)節(jié)流量用。

　　球形閥的操作：

　　(l)球形閥能在閥室或中控室以一個(gè)電器脈沖按規(guī)定程序自動(dòng)地操作。操作時(shí)可以手動(dòng)，亦可用開、停機(jī)繼電器。

　　(2)1臺(tái)球形閥用1套HYZ-4-4型油壓設(shè)備，其操作油源的額定壓力為3.6~4MPa。球形閥的開啟、關(guān)閉是通過油壓操作接力器來實(shí)現(xiàn)的。因此，當(dāng)失去廠用電源，在油壓設(shè)備的主、備油泵都不供油的情況下，仍能安全地動(dòng)水關(guān)閉球形閥。

　　(3)油壓設(shè)備備用油泵投入，油壓急劇下降及儲(chǔ)油箱油面不正常時(shí)，都可以發(fā)出警報(bào)信號(hào)。

4、球形閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)特點(diǎn)及采用的新結(jié)構(gòu)

　　球形閥本體由分半的前閥體、后閥體、活門、自潤(rùn)滑軸承及檢修密封、工作密封、Φ650搖擺式接力器等零部件組成"附屬設(shè)備有上游連接管、下游伸縮節(jié)、作排氣和補(bǔ)氣用的Φ100空氣閥以及用于球形閥控制的水系統(tǒng)、油系統(tǒng)及自動(dòng)化元件，球形閥控制系統(tǒng)的油壓設(shè)備系統(tǒng)。球形閥裝配圖見圖2。

圖2 球形閥裝配圖

　　本球形閥為橫軸型，活門中間流道直徑與上、下游引水管直徑相同，具有全開時(shí)阻力損失極小(可忽略不計(jì))，全關(guān)時(shí)密封性能好的優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的雙密封環(huán)球形閥。

4.1、球形閥主密封

　　球形閥的檢修密封及工作密封采用相同的不銹鋼活塞式密封環(huán)，使其閥體的進(jìn)口、出口加工尺寸完全相同，為制造加工帶來了極大的方便。閥體采用偏離軸孔斜分半整鑄結(jié)構(gòu)，使閥體分半面周圈密封加工方便，密封效果好，閥體分半面螺栓分布均勻，受力好，避免了沿閥體軸孔中心線垂直分半所造成的軸孔兩側(cè)螺栓跨距大，把合力不足，合縫面錯(cuò)牙漏水現(xiàn)象。閥體偏離軸孔斜分半結(jié)構(gòu)是我公司研發(fā)的球形閥新結(jié)構(gòu)。分別在漁子溪Φ1.6m球形閥改造項(xiàng)目上和卡杜里Φ1m球形閥，高橋Φ1m球形閥和華光潭Φ1.75m球形閥、瓦屋山Φ2.5m球形閥等上使用。上、下密封環(huán)采用改進(jìn)后的國(guó)內(nèi)較先進(jìn)的密封環(huán)結(jié)構(gòu)，消除了原來的止漏環(huán)受力不好而產(chǎn)生歪斜發(fā)卡的現(xiàn)象。前、后閥體密封環(huán)滑動(dòng)處均堆焊有不銹鋼層，以防止運(yùn)轉(zhuǎn)中產(chǎn)生銹蝕發(fā)卡和磨損橡膠密封圈。閥體的二軸孔是通過軸瓦承受旋轉(zhuǎn)部分重量以及作用在活門上的水壓力。

4.2、取消旁通閥及球形閥軸心充、排水閥

　　原招標(biāo)書是要求設(shè)旁通閥的，在簽技術(shù)協(xié)議時(shí)，我們與用戶協(xié)商，同意取消旁通閥。GE亞洲公司的Φ1.5m球形閥上設(shè)置了旁通閥，多了1套系統(tǒng)，對(duì)球形閥運(yùn)行有一定影響。由于球形閥上、下游密封均采用密封環(huán)結(jié)構(gòu)，因此，原來球形閥采用密封蓋所用的向球形閥軸心充水和排水液壓閥及檢修液壓閥而設(shè)置的閘閥和管路自然取消。同時(shí)，利用球形閥下游密封環(huán)開啟間隙向蝸殼充水的流量，超過Φ150mm液壓閥充水的流量，所以，向蝸殼充水的液壓閥及為檢修液壓閥而設(shè)置的閘閥和管路也同時(shí)取消。這樣，使球形閥的結(jié)構(gòu)及操作系統(tǒng)更加簡(jiǎn)化。

4.3、活門及封水環(huán)

　　活門采用閥軸與整鑄活門焊接為一體的結(jié)構(gòu)，閥軸與整鑄活門焊接為一體的結(jié)構(gòu)也是我公司研發(fā)出的新結(jié)構(gòu)，在漁子溪Φ1.6m球形閥和華光潭Φ1.75m球形閥上使用過�；铋T上、下游處加工有把合封水環(huán)的螺孔和止口，以便于封水環(huán)套上后把緊、定位，更換封水環(huán)也不用拆卸球形閥閥體。封水環(huán)與密封環(huán)是通過配研磨來達(dá)到緊密接觸止漏目的。封水環(huán)損壞后，可在不解體球形閥的情況下更換封水環(huán)。同時(shí)在球形閥制造中，封水環(huán)、密封環(huán)可單獨(dú)加工，成對(duì)研磨，為加工帶來方便。活門兩軸頸與軸瓦及密封接觸面為紅套并焊固的不銹鋼套，以防活門軸銹蝕，磨損軸瓦。

4.4、密封環(huán)位置顯示裝置

　　密封環(huán)為鑄造不銹鋼，在球形閥上、下游導(dǎo)環(huán)與閥體之間往復(fù)滑動(dòng)，且?guī)в袑I(yè)密封件廠家制造的組合密封圈。這種組合密封圈密封性能好，使用壽命長(zhǎng)。密封環(huán)只能處于全開或全關(guān)位置，行程為8mm。在球形閥上、下游密封環(huán)上分別設(shè)置了位置行程開關(guān)，由電路接至中控室，以顯示密封環(huán)處在全關(guān)或全開位置信號(hào)，便于準(zhǔn)確地操作接力器開、關(guān)球形閥活門。

4.5、關(guān)鍵密封采用進(jìn)口元件

　　球形閥的密封環(huán)上的封油、封水密封圈及軸端封水密封圈采用專業(yè)密封件廠家的密封件，以保證密封的可靠性。

4.6、取消止漏蓋及其附屬零件

　　由于采用密封環(huán)代替止漏蓋，密封環(huán)比止漏蓋輕得多，大大節(jié)約了原材料及碟簧等零件，使得結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，更有利于加工。

4.7、操作機(jī)構(gòu)(接力器)大大簡(jiǎn)化

　　接力器的直徑為Φ650mm，行程為1190mm。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，能自由擺動(dòng)。

　　球形閥采用油壓操作接力器開啟、關(guān)閉。油壓設(shè)備的額定油壓為3.6-4MPa。上游檢修密封的圓周上設(shè)有3個(gè)手動(dòng)機(jī)械鎖錠，在檢修機(jī)組時(shí)，除關(guān)閉球形閥檢修密封外，用手動(dòng)機(jī)械鎖錠鎖住，另外，還需關(guān)閉操作接力器開啟腔管路上的截止閥，以保證機(jī)組在檢修時(shí)的絕對(duì)安全。

　　操作機(jī)構(gòu)(接力器)簡(jiǎn)化如下：

　　(1)取消金屬鉸鏈配油結(jié)構(gòu)，采用金屬軟管結(jié)構(gòu)，使接力器結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化、可靠。使加工工作量大為減少。

　　(2)接力器活塞桿密封采用專業(yè)密封件廠家的密封件，代替多層“V”型橡膠密封或石棉盤根密封，使密封性能提高。

　　(3)接力器活塞桿桿體部分鍍硬鉻，使活塞桿不至于生銹磨壞密封圈。

　　(4)接力器活塞密封采用2道孔用方形圈密封，替代原來的活塞環(huán)密封，這種組合密封的密封壓力高，密封壓力為0-4OMPa，經(jīng)久耐用。而活塞環(huán)加工工序多，廢品率高，且工作時(shí)竄油量大，使油壓設(shè)備的油泵啟動(dòng)頻繁，能耗大。

4.8、采用燒結(jié)自潤(rùn)滑軸瓦

　　軸承及其密封裝置由燒結(jié)自潤(rùn)滑瓦、鋼套、軸用回轉(zhuǎn)方形密封圈、壓墊蓋等零部件組成。兩端軸之間用回轉(zhuǎn)方形密封圈，該密封圈為專業(yè)密封件廠家的產(chǎn)品，用以密封通過軸瓦而來的壓力水。

　　球形閥活門軸瓦采用最新研制的燒結(jié)自潤(rùn)滑軸瓦，以代替鋼背復(fù)合材料軸瓦和鑄錫青銅軸瓦，降低軸瓦造價(jià)，同時(shí)不需黃甘油潤(rùn)滑，可取消銅瓦的注油杯，使加工方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)，該種軸瓦的摩擦系數(shù)小，提高了操作力矩的安全裕度。

4.9、球形閥上、下游密封環(huán)采用油操作

　　在球形閥上游檢修密封處于全開位置時(shí)，應(yīng)首先開啟工作密封，向蝸殼內(nèi)充水，當(dāng)活門前、后水壓趨于平衡后(前、后壓差不大于30%)，球形閥即能平穩(wěn)開啟。

　　由于電站水質(zhì)差，用水操作需濾水器，且至今電站用的濾水器均不好用，所以采用油操作，從而可節(jié)省雙向?yàn)V水器，使操作更可靠、安全。為了不使密封環(huán)腔內(nèi)含有水分的油回到油壓設(shè)備中去，污染油源，銹蝕自動(dòng)化元件，故將密封環(huán)內(nèi)的排油另接至用戶自備的廢油箱內(nèi)。

4.10、空氣閥

　　空氣閥名義直徑為Φ100mm，裝在球形閥伸縮管的頂部。當(dāng)蝸殼放水時(shí)，它就自動(dòng)打開。當(dāng)蝸殼充水時(shí)，其內(nèi)部的空氣通過空氣閥排入大氣中。當(dāng)球形閥動(dòng)水關(guān)閉時(shí)，空氣閥向蝸殼及伸縮管補(bǔ)入空氣，以免產(chǎn)生真空而喪失穩(wěn)定性。

4.11、伸縮節(jié)

　　伸縮節(jié)裝于球形閥后，與球形閥閥體法蘭和蝸殼法蘭連接。伸縮節(jié)既可補(bǔ)償管道的溫度變形，又便于檢修球形閥的工作密封和整體吊裝球形閥。

4.12、上游連接管

　　上游連接管裝于球形閥前，與球形閥閥體法蘭連接。另一端與上游引水管在工地焊接，焊縫進(jìn)行射線探傷檢查。

5、廠內(nèi)試驗(yàn)

　　小天都球形閥在廠內(nèi)做了閥體的打壓試驗(yàn)，密封環(huán)的動(dòng)作試驗(yàn)，球形閥的漏水試驗(yàn)(球形閥密封不漏水)，球形閥與接力器一起做動(dòng)作試驗(yàn)。各項(xiàng)試驗(yàn)都良好通過。

6、運(yùn)輸

　　由于小天都Φ1.6m球形閥整體尺寸較小，球形閥本體裝配整體發(fā)運(yùn)工地。運(yùn)到工地后，不再做試驗(yàn)，直接移交給業(yè)主安裝。

7、電站試驗(yàn)

　　球形閥安裝后，進(jìn)行了無水操作試驗(yàn)、油與水管路打壓試驗(yàn)、有水操作試驗(yàn)等一系列機(jī)組運(yùn)行前的試驗(yàn)。機(jī)組運(yùn)行后，在業(yè)主認(rèn)為合適的時(shí)候，由業(yè)主方主持，有各方代表參加的，在制造廠代表指導(dǎo)下進(jìn)行的動(dòng)水關(guān)閉操作試驗(yàn)。球形閥的動(dòng)水關(guān)閉操作試驗(yàn)對(duì)球形閥來說是一種工況最惡劣環(huán)境的試驗(yàn)，一般業(yè)主不愿意作此試驗(yàn)，因此在國(guó)內(nèi)做了球形閥動(dòng)水關(guān)閉操作試驗(yàn)的水電站并不多，今后應(yīng)該會(huì)多一些，而對(duì)制造廠家來講，提供的球形閥設(shè)備應(yīng)該具備此功能。

8、球形閥運(yùn)行情況

　　小天都球形閥于2006年8月投入商業(yè)運(yùn)行以來，已運(yùn)行4年多了，球形閥檢修密封、工作密封動(dòng)作靈活，不竄油、竄水。伸縮節(jié)不漏水，接力器操作自如，不整勁，沒有進(jìn)行過消缺處理，總體運(yùn)行很好，比同電站的GE公司帶有旁通閥的球形閥振動(dòng)小，操作更簡(jiǎn)單，深受用戶好評(píng)。球形閥正常開、關(guān)時(shí)間為120s;整定油壓為3.6MPa;Φ100mm空氣閥補(bǔ)、排氣正常;Φ650mm接力器操作容量足夠，能自如地轉(zhuǎn)動(dòng)球形閥，包括動(dòng)水關(guān)閉球形閥。這里應(yīng)該提出的一點(diǎn)，接力器的尺寸設(shè)計(jì)過大，最初設(shè)計(jì)為Φ600mm接力器，而提供自動(dòng)化設(shè)備的廠家提出油源經(jīng)過控制柜的壓降就超過0.3MPa，再加上其他管道壓降，有可能在緊急工況下關(guān)閉球形閥的容量不夠，所以應(yīng)業(yè)主方要求，接力器內(nèi)徑由Φ600mm加大到Φ650mm，實(shí)際上Φ600mm接力器也就足夠了。

9、結(jié)論

　　球形閥作為機(jī)組的進(jìn)水閥門，對(duì)機(jī)組的事故保護(hù)和對(duì)機(jī)組的檢修起著至關(guān)重要的作用，球形閥運(yùn)行性能的好壞，直接影響電廠的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，因此，電站對(duì)球形閥的結(jié)構(gòu)性能要求也越米越高。像小天都水電站這種高水頭球形閥在設(shè)計(jì)、制造中，都有一定的難度，既要考慮球形閥的強(qiáng)度、剛度、變形、密封性能，又要考慮鑄件、鍛件、加工件廠家的設(shè)備能力，以及運(yùn)輸條件。小天都水電站球形閥的成功設(shè)計(jì)制造及順利投運(yùn)，標(biāo)志著我公司在技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域又邁上了新臺(tái)階，為我公司贏得了榮譽(yù)，提高了公司的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)也為今后的設(shè)計(jì)制造工作積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。