大型水轮机筒形阀近年来的应用浅析

刘功梅，曾镇岭（中国长江三峡集团公司，四川 成都 610041）

大型水轮机筒形阀近年来的应用浅析

刘功梅，曾镇岭
（中国长江三峡集团公司，四川 成都 610041）

摘要：水轮机筒形阀因能够良好保护电站水轮机导水机构而得到广泛应用。本文对国内主要大型水轮机筒形阀的应用和主要特点进行了初步分析。

关键词：水轮机；导水机构；筒形阀

水轮机筒形阀是一个安装于活动导叶和固定导叶之间的薄壁筒形结构部件。其主要功能是保护混流式水轮机的导水机构，消除导叶关闭位置因导叶漏水而造成的间隙空蚀损坏和磨损，同时也是机组防飞逸的措施之一，能在紧急工况下，快速、可靠、安全地切断水轮机进水，防止机组飞逸，保护水轮发电机组。水轮机筒形阀由于其具有自关闭能力、水力损失基本为零、能有效地保护导水机构、防止机组飞逸、不需专门布置位置从而不占用厂房空间、投资小等诸多优势，被国内、外许多电站选择使用。

现行2004年版水力发电厂机电设计规范规定：“对于多泥沙河流水电厂的单元压力管道输水管或压力管道较长的单元压力管道输水管，为水轮机装设进水阀或在水轮机流道上装设筒形阀，应进行技术经济比较论证”。在我国已有漫湾、大朝山、小浪底、阿海、小湾、锦屏和溪洛渡等大型电站装设了水轮机筒形阀。本文在对国内主要大型水电机组及其筒形阀的应用情况和运行状况进行调研的基础上，对筒形阀的应用及其主要特点进行了初步分析。

1　水轮机筒形阀在国内水电站的应用

1962年，世界上第一台水轮机筒形阀投运，筒形阀在国外已有几十年成功运行经验。国内在20世纪80年代后期才开始引进了筒形阀的技术，国内第一台水轮机筒形阀于1993年6月在漫湾水电站投入运行。

截至目前，国内、外许多电站都采用了水轮机筒形阀。国内已投产的漫湾、石泉、小浪底、大朝山、滩坑、光照、瀑布沟、小湾、糯扎渡、锦屏一级、锦屏二级、阿海、溪洛渡等电站都安装了水轮机筒形阀，运行情况良好。国内装有最大直径筒形阀的梨园电站也将投运，国内200MW以上机组水轮机筒形阀的主要参数统计见表1。

表1　国内200 MW以上机组水轮机筒形阀的主要参数

由表1可知，随着水轮机筒形阀应用经验的积累，以及设计、制造水平的提高，国内也逐步突破不同层次的筒形阀制造难度系数，从而确保水轮机筒形阀在不同水头、不同容量的巨型水电机组上也能得以安全可靠应用。

2　水轮机筒形阀的优势及其局限性

2.1水轮机筒形阀优势

（1）保护导水机构，延迟机组大修周期。对于过机泥沙含量较大的中、高水头大型水轮机，导水机构刚强度相对较小，导叶关闭后，在上、下游水压差的作用下，导叶立面、上/下端面间隙变大，通过间隙的含沙水流速度较高，磨蚀的危害性较大；另外，在停机过程中，随着活动导叶关闭，导叶立面、上/下端面间隙的含沙流速非常大（如溪洛渡电站，经计算含沙流速达45～54.8m/s），从而加剧导水机构的磨蚀。导水机构的损坏程度和导叶的漏水量大小成为确定机组大修的决定性因素，导致机组的大修周期缩短，增加电站年机组大修台时数、人工和设备材料费用以及大修期间的电能损失。筒形阀具有良好的密封性能，停机时关闭筒形阀，可消除导叶前后的压差，消除导叶关闭位置因导叶漏水而造成的间隙空蚀损坏，从而延长检修周期，保护导水机构。

（2）基本消除导叶漏水，降低机组制动转速。若导叶磨损厉害，机组将可能因导叶漏水量过大而引起停机蠕动、不能停机，开机充水困难，危及设备安全，影响电站经济运行等问题。例如，漫湾电站6号机开始运行时未投入筒形阀，开/停机很困难，无法用作热备用机组；溪洛渡电站，经设计院计算，停机时仅关闭导叶，水轮机漏水量将从发电初期的1.3 m3/s左右增加到后期的9.3m3/s，而停机时关闭导叶且关闭筒形阀的漏水量仅为0.07m3/s左右，后者仅为前者的5.4%～0.8%。另外，设置筒形阀后，可使机组机械制动转速由原设计的35%降为15%以下，延长制动瓦的寿命，同时缩短机组停机时间。

（3）筒形阀是机组有效的防飞逸装置。筒形阀为可紧急关机的隔断阀，可做机组事故的保护闸。对于单机单管没有设置水轮机进口阀的机组，一般进水口都设有快速闸门，作为机组防飞逸的措施之一。进水口快速事故闸门关闭时间为2～3min，加上压力钢管中水体的作用，其飞逸时间还将延长（可达2～4min），对机组安全不利。筒形阀能快速动水关闭（关闭时间为60～70 s），且紧靠水轮机蜗壳进口，因而能更快速有效地使机组安全地退出飞逸，减少机组的飞逸持续时间。

（4）减少导叶漏水电能损失，增大年发电量。根据GB/T15468-2006规定，在额定水头下，圆柱式导叶漏水量不大于水轮机额定流量的0.3%。实际电站运行一段时间后，导叶漏水将远超过0.3%标准。如，漫湾电站，实测仅关闭导叶漏水量为1.644m3/s（为额定流量的0.49%），关闭筒形阀的漏水量为0.052m3/s，仅为前者的1/30，电站机组平均耗水约4.6m3/kW·h，不装筒形阀，则每年枯水季节(按5个月计)电站导叶漏水量损失6.21×107m3，比装筒形阀多损失电量为1.35×107kW·h，按0.2元/kW·h电价计，效益损失约270万元/年；溪洛渡电站导水机构漏水量按合同保证值估计，未采用筒形阀的平均漏水量不大于1.25m3/s，而装设筒形阀后，导叶漏水量不大于0.02 m3/s，因此，溪洛渡电站装设筒形阀后，停机漏水减少1.23m3/s。按停机时间估算，每年电站至少减少漏水量约2.6×108m3，增加年发电量约1.47×108kW·h，增加收益约4 000多万元/年。这尚未计入导水机构漏水磨蚀损坏导致机组检修周期缩短，检修时间延长所损失的电能和检修费用。

（5）筒形阀阀体重量较轻，一般为蝶阀的1/2～1/3，与球形阀相比更轻。同时由于筒形阀布置在水轮机固定导叶和活动导叶之间，所以筒形阀的设置基本不会造成厂房尺寸的增加，不会引起土建费用的增加。

（6）阀体结构简单可以分瓣，不受运输条件的限制，尺寸可以做得比较大。

（7）由于筒形阀具有动水启闭的特性，所以，它开启时，阀后不需充水平压，无需设伸缩节、旁通阀、空气阀、旁通管路等一套复杂的辅助设备，这就大大简化了布置。

（8）一定程度上可以作为机组的检修闸门，可以部分地取代进口快速闸门的作用，其对多泥沙河流、调峰调频电站的机组保护作用及较高的性能价格比已经受到水电行业广泛的重视。

2.2水轮机筒形阀应用的局限性

（1）导致顶盖的结构发生改变。首先引起顶盖尺寸加大，因筒形阀在开启位置位于顶盖内部，因此顶盖的高度与不设筒形阀的结构相比需要增加，同时顶盖与座环相把合处必须设计成上法兰结构，而若不设筒形阀，顶盖与座环把合处可以设计成下法兰结构，顶盖的上法兰结构与下法兰结构相比，尺寸增大，同样钢板厚度条件下刚度下降，故顶盖法兰的厚度需增加。

（2）造成顶盖自流排水无法实现，同时顶盖均压管设置比较困难。因为顶盖均压管若从控制环以内引出的话，必须跨过控制环的高度后在地板下部向外引出机坑。

（3）增加水轮机的复杂性。筒形阀由阀体、导向机构、密封、接力器（或液压缸）、同步控制装置、油压装置、管路、监测系统仪表、自动化元件、盘柜及控制装置等组成，其将使水轮机结构变得复杂，操作系统的复杂性也将大幅增加。

（4）筒形阀不能完全用做水轮机检修阀，不能完全满足水轮机检修的需要。

3　水轮机筒形阀可靠性、存在问题及建议

3.1筒形阀的可靠性

水轮机筒形阀运行可靠性分为筒形阀体自身关闭可靠性和同步装置可靠性两项。鉴于当前筒形阀的设计、制造水平，筒体自身关闭可靠性应该相当可靠，除非筒形阀体下进入了钢筋和树枝这类异物，会引起筒体关闭不到位，但这样的事故几率相当低。因此，筒形阀运行可靠性主要在于同步装置可靠性[2]。

目前，筒形阀同步方式主要有机械液压同步和电液同步两种方式。机械液压同步装置是采用丝杆链条进行同步。该同步方式完全依靠链条强迫各接力器同步运行，在国外电站于20世纪90年代就进行了应用，可靠性非常高。据漫湾电站统计，筒形阀初期投运7年半时间内，5台机累计经过了8 000多次开关操作实践的考验，运行正常，均未发生过卡阻现象。但机械液压通同步装置的丝杆链条造价高，挤占机坑内有效空间，并且在运行中会产生较大噪声。电液同步装置包括同步液压马达式电液同步控制系统、全数字集成式（数字缸）电液同步控制系统、大容量比例阀电液同步控制系统、电液转换器同步控制系统。目前，电液同步装置已广泛被各电站所采用，除了个别电站在运行初期存在电气元件故障、筒形阀卡阻等同步故障问题，各种同步方式总体上运行良好[2]。不同同步方式的筒形阀同步装置在国内各电站的应用情况见表2。

3.2水轮机筒形阀应用中存在的问题及建议

问题：筒形阀控制系统复杂，筒形阀的同步运行一直备受关注，筒形阀不同步情况也曾发生，另外，其也一定程度上增加机组故障率，甚至增加机组的非计划停运次数。

水轮机筒形阀控制系统复杂，相对于不采用筒形阀的中、低水头电站，增设筒形阀系统必然增加机组故障点。根据经验，引起筒形阀系统不同步的因素主要有：筒型阀体变形、提升不垂直、同步分流器堵塞、接力器负载分布不均、供排油管路及接力器差异等机械原因，以及位移传感器差异、自动化元件故障等电气原因。例如，2011年，小湾电站4号机组筒形阀系统因分流器内的分油盘损坏，导致筒形阀系统卡涩，更换分流器后运行正常。

要降低故障率，消除因筒形阀故障引起机组非计划停运等，建议从如下方面着手：1）加强筒形阀的刚强度设计，根据计算结果并结合筒形阀的应用经验，选择筒形阀的厚度（可适当增加厚度），确保筒形阀的刚强度，避免筒体受力变形。2)制定合格的筒形阀安装工艺，加强筒形阀安装过程控制，确保最终安装质量，尤其导向条、限位块安装应该确保质量。3）通过筒形阀开关试验和自关闭试验来验证接力器的同步性，并检验位移传感器、分流器等的性能，确保其满足使用要求；可采用调整接力器进出油阀开度以平衡管道长度不一造成的不同步[3]。4）注重筒形阀接力器操作油质，加强杂质过滤，确保同步分流器不被堵塞。5）采用优质的接力器、管路阀门、同步分离器等液压系统部件和高可靠性的自动化元件。6）在电站运行过程中，加强巡检和定期维护保养，排除可能存在的质量缺陷，及时解决影响筒形阀正常运行的问题。

表2　筒形阀同步装置及其应用

4　结论

水轮机筒形阀在国内、外许多电站取得了广泛应用，筒形阀尺寸直径最大超过10m，最高达2.6m，制造难度系数最大达2 750，应用水头覆盖较宽，最大水头超过300m。因此，水轮机筒形阀在设计、制造及应用上积累了丰富的经验。目前，筒形阀筒体自身关闭相当可靠，同步装置也得到了广泛研究，经实际运行检验，其可靠性比较高。当前的水轮机筒形阀技术已比较成熟，可充分根据电站使用条件、电站技术经济比较论证以及业主的取舍来决定电站是否采用水轮机筒形阀。

参考文献：

[1]秦云川.大朝山电站设置水轮机筒形阀过程的回顾[J].云南水力发电，2001，17（增刊）：15-17.

[2]蒋登云，刘丁，孙文彬，等.水轮机圆筒阀同步方式与快速门的关系初探[EB/OL].水力机械信息网（2010-11-3）.

[3]窦学刚，顾挺，张冬生.锦屏二级水电站水轮机筒形阀同步控制系统可靠性分析[J].水电站机电技术，2013，36（2）：32-34.

中图分类号：TV732.7

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）02-0075-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.021

收稿日期：2014-09-19

作者简介：刘功梅（1982-），男，工程师，从事水电站机电工程技术管理工作。