阿海水电站圆筒阀分析研究

2016-11-17胡秀成韩冬冬

水电站机电技术 2016年10期

胡秀成，韩冬冬，王东

（1.云南华电金沙江中游水电开发有限公司，云南昆明 650228；2昆明理工大学冶金与能源工程学院，云南昆明 650093；3.贵州六盘水供电局，贵州六盘水 553000）

阿海水电站圆筒阀分析研究

胡秀成1，韩冬冬2，王东3

阿海水电站圆筒阀是目前世界上已知最高的圆筒阀。本文对阿海水电站设置圆筒阀必要性进行了综合分析，认为设置圆筒阀安全经济可靠。不同于其他电站圆筒阀，阿海圆筒阀采用先进的联体接力器，本文分析了其液压同步特点及控制系统，同时对操作模式进行了总结性说明。这对电站圆筒阀的设置、设计或改造等研究具有重要的指导意义。

圆筒阀；液压同步；联体接力器；控制系统

0 引言

对于多泥沙河流，水轮机停机时导叶漏水量过大、间隙空蚀严重，会产生长期运行后不能正常停机和开机时充水困难等一系列问题，严重危害机组安全经济运行。而球阀等，占地面积大，增加厂房投资，不经济。圆筒阀密封性好，但是液压同步性差，易卡阻［1-3］，本文针对金沙江中游河段阿海水电站圆筒阀进行分析研究。

1 阿海设置圆筒阀必要性综合分析

1.1 阿海运行特点及设置圆筒阀优点

阿海电站供电范围为广东、华中四省和华东地区，接入云南电网的输送平台，在电网中具有调峰、调频、事故备用的功能。机组运行有以下主要特点：①电站过流含沙量较大，坝址多年平均含沙量0.741kg/m3。②阿海电站水库调节库容小，为日调节，机组启动、停机频繁。③是电力系统的主力电站，对机组长期稳定安全运行要求高，水轮机过流部件应具有良好的抗磨损、抗空蚀性能，并具有可靠的防飞逸设施。根据机组以上特点，结合圆筒阀的主要优点，有必要考虑设置圆筒阀。

水轮机设置圆筒阀的主要优点：①圆筒阀具有良好的密封性能，提高了机组运行可靠性和灵活性。初步计算，当阿海停机时只关闭导叶，水轮机漏水量发电初期为1.7 m3/s左右，后期约3.4 m3/s，而停机时关闭导叶又关闭圆筒阀的漏水量仅为40 L/s左右，后者为前者的4%。因此消除了停机时导叶关闭位置因导叶漏水而造成的间隙空蚀损坏，解决了机组长期运行后由于导叶磨蚀漏水量过大不能停机和开机时充水困难等问题（云南某电站6号机开始运行时未投入圆筒阀，开停机很困难，无法用作热备用机组［4］），充分发挥了水电机组调峰、调频的灵活性。此外降低了机组制动转速，延长制动瓦的寿命，同时缩短机组停机时间。②圆筒阀是机组有效的防飞逸装置：阿海电站进水口设置有快速闸门作为机组防飞逸的措施。然而进水口快速事故闸门关闭时间为2～3 min，加上压力钢管中水体的作用，其飞逸时间还将延长（可达2～4 min），对机组安全不利。圆筒阀能快速动水关闭（关闭时间为60～90 s），且紧靠水轮机蜗壳进口，因而能更快速有效地防飞逸，减少飞逸持续时间。③机组正常运行时，圆筒阀筒体下端面与顶盖过流表面齐平，不产生任何水力损失。此外，当水流被筒体截断时，由于水流的轴对称性，水流的扰动程度远没有蝶阀和球阀那样严重，水轮机的固定和转动部件所承受的动载荷都较小。④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。同时，由于圆筒阀布置在水轮机固定导叶和活动导叶之间，所以圆筒阀的设置不会造成厂房尺寸的增加。

1.2 经济性分析及环境评价

（1）水轮机设置圆筒阀增加的价格非常微小。如大朝山电站最后中标厂商的圆筒阀报价仅在原水轮机价格基础上增加了7.1%，仅占机组总价格的3.1%；小湾电站最后中标厂商的圆筒阀报价为机组价格的3.7%；糯扎渡电站主机招标过程，4个投标商的圆筒阀所增加的价格最高为水轮机价格的8.08%，均不超过10%。

（2）设置圆筒阀能延长机组大修周期，减少大修费用。水电厂大修费用通常按固定资产原值的1.4%提取。以漫湾电厂为例，采用圆筒阀后可以将水轮机的大修周期延长3倍［4］。漫湾电站1993年6月至1996年5月，平均每台机每年减少检修费用和利用常规检修期发电增收约35万元。

（3）减少漏水量，增加发电量，经济环保。阿海电站投运初期两年，单独运行时：根据电站径流调节计算各月指标统计，丰水年、平水年、枯水年不弃水的月份数分别为8个月、9个月、12个月，3个代表年平均约290 d，占全年的79%。参考近几年来漫湾电站统计结果，1台机每年的正常停机时间平均约为3 200 h，圆筒阀实测漏水量约为导叶的1/30，导叶漏水量按额定流量的0.3%（阿海额定流量569.37 m3/s）计算可得出阿海圆筒阀每年可以减少并储存的漏水9.5×107m3，每方水可发电0.194 kW·h，每年节约的、可以储存在水库里的水可发电1 843 kW·h。按上网电价每度0.25元计算，增收约460.75万元/年，保守计算10年可以收回投资成本，小于电站投资收回年限。设置圆筒阀，相当于节约了5 852 t标准煤，减少14 586 t CO2排放，节能减排显著。

可见，阿海电站设置圆筒阀对安全运行十分有利，经济环保。

2 阿海圆筒阀结构与特点

圆筒阀设置于水轮机活动导叶和固定导叶之间，如图1所示，上接圆筒阀接力器，由控制系统通过压力油推动接力器活塞杆控制圆筒阀的上下运行。关闭圆筒阀时，筒体落下处于固定导叶与活动导叶之间，上端紧压布置在顶盖上的密封条，下端紧压布置在底环上的密封条，从而达到截流止水的作用；机组开启时，将筒体提升到座环上环与顶盖构成的空腔内，筒体底部与顶盖下端齐平，不干扰水流流动。在筒体外缘与座环固定导叶之间设有导向块，焊在固定导叶上，减少在动水关闭水流的不对称性下筒体外缘受力不均产生的摆动，起到限位和导向作用，防止卡阻。

图1 阿海圆筒阀位置图

阿海圆筒阀是目前已知的世界上最高的圆筒阀，由法国ALSTOM公司设计，不同于国内其他圆筒阀，它采用联体直缸接力器，确保圆筒阀在开启和关闭过程中不会卡死。在微开时水拉力过大采用高油压14 MPa开启，微开后操作油压为6.3 MPa。圆筒阀在90 s内可完成紧急关闭或正常开启，并且在60 s～90 s内可调。

阿海圆筒阀不同于漫湾一期、大朝山电站圆筒阀机械同步机构，采用电液同步操作机构。并且在液压同步时，不依靠同步分流器实现液压同步［6］，它采用先进的联体接力器实现分流同步。如图2所示，其液压同步操作机构特点：

（1）6个接力器分成3组，每2个接力器一组。

（2）每组的2个接力器180°对称安装在筒体上端面处。

（3）3组接力器通过油管路并行连接至同一供压系统和回油箱。

（4）每组中的2个接力器通过管路串联（即其中一个接力器的上腔与另一个接力器的下腔连通），操作接力器的压力油从各组第一个接力器（即主接力器）传递到第二个接力器（即辅接力器）。

（5）6个接力器安装主、辅交替的排列方式顺序均布于筒体上端面上。

（6）每组接力器中通过油管连通的2个接力器的油腔具有相同的油压作用面积，因此，当油从主接力器传输到辅接力器时这2个接力器的活塞以及活塞杆的移动距离相等，每组中的2个接力器始终保持液压同步。

（7）如果这3组接力器之间有不同步的趋势时，由于筒阀筒体（薄壁圆环）的刚性，筒阀仍将保持液压同步状态。

图2 阿海圆筒阀液压系统解决方案

3 阿海圆筒阀控制系统分析

阿海圆筒阀由T.SLG（TurbinespeedLoadGovernor）控制，如图3所示，它是通过对水轮机调速软件的更改，使其用于筒阀的控制。T.SLG同时控制导叶开度、压力、水轮机转速、热保护状态、剪断销状态等。

图3 TSLG结构图

筒阀接力器的油压系统由液压控制块（Hydraulic block control）控制，液压控制块上接入压力油罐，控制着压力油的注入。并且定位系统模块（Block in position system）通过连接液压控制块确定筒阀接力器最大位置差等位移信号，并将各个筒阀位置差反馈给T.SLG的SPC（位置调节模块），然后各个SPC通过CAN BUS（控制器局域网络）反馈位置信号给T.SLG的UPC（处理模块），UPC通过分析处理后确定是否满足开启或关闭条件后通过SPC控制液压控制块发出控制信号（操作模式下面将作分析），液压控制块动作，从而实现接力器的动作，完成筒阀的开启与关闭。最后整个筒阀控制系统接入机组控制系统（Unit Control System）以实现对机组的整体控制。

T.SLG包含两种独立模块，SPC（位置调节模块）和UPC（处理模块）。SPC主要反馈接力器的位置信号并且通过PWM（脉冲宽度调制）信号控制接力器。UPC同时需要分析所有SPC反馈的位置信号，并且通过分析处理确定操作模式。操作模式共有5种，如表1所示，优先级依次为：NGA（Normal Global Auto）、HAS（HMI Step Auto）、NSA（Normal Step Auto）、HEM （HMI Electrical Manual）、SEM（SPC Electrical Manual）。确定操作模式后向UPC输入逻辑输入量，各个逻辑输入量和逻辑输出量都对应于相应的代码（如向UPC发送的输入量为R50即开启筒阀），然后逻辑输出作用于SPC控制液压控制块动作，从而实现筒阀接力器的控制。

表1 UPC模式

在5种模式中，NGA模式优先级别最高，使用频率最高，为机组的正常模式。需要注意的是故障发生在命令发出前后的问题。对于在对UPC发出开启/关闭命令前发生小故障（如与SPC通讯失败、故障后SPC1自由运动等小故障）或大故障（两个位置工作不正确、命令传输至RG-BJ和压力开关的反应检测到不连贯等大故障），此时筒阀锁定不动作。如果开启关闭命令发出后出现故障，筒阀完成动作，但此时若关闭或开启筒阀发生失步故障（接力器位置差超额定值等），筒阀会保持锁定不动作；如果关闭或开启时出现大故障，筒阀会自动运行至关闭位置。关闭的优先级高于开启，但若发生失步故障无论开启或关闭筒阀均锁定。

在UPC操作模式中，自动操作模式优先级均高于手动操作模式，自动模式过渡到手动模式逐渐脱离了UPC、SPC，从而实现操作的冗余性，确保了稳定运行。

在模式的选择上要注意UPC模式的选择条件，各个操作方式需要结合故障状态进行选择。对于NGA、HAS、NSA、HEM操作模式，如果发生接力器位置差值超值，UPC均会激活大故障保持筒阀锁定。

对于SPC电气手动操作方式，它不通过UPC控制，每个接力器为现地盘柜独立控制，接力器最大位置差可以取任意值。