自由浮球式补气阀在彭水水电站的应用

伏虹润

（重庆大唐国际彭水水电开发有限公司设备部，重庆 409600）

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自由浮球式补气阀在彭水水电站的应用

伏虹润

（重庆大唐国际彭水水电开发有限公司设备部，重庆 409600）

鉴于彭水水电站机组补气阀投入运行后多次出现漏水等缺陷，对补气阀漏水原因进行了分析，结构进行了改造。改造后彻底解决了原补气阀漏水等重要缺陷且运行稳定、可靠，满足机组安全运行的要求。

水轮机；自由浮球；补气阀；应用

0 概述

彭水水电站位于乌江干流下游，安装5台350MW的大型混流式水轮发电机组。为减少水流对水轮机的气蚀破坏和改善机组振动情况，在发电机顶部设置有带液压缓冲的弹簧式补气阀（见图1），进行自然补气。当机组因在非最优工况运行使得尾水管产生真空而形成水流涡带时，补气阀在大气压的作用下，克服弹簧弹力开启，给转轮下方真空区进行补气，破坏真空，增加水流弹性，保证机组的稳定运行。补气阀下方设有浮筒,当有反水现象时，浮筒在浮力及弹簧弹力的共同作用下保证补气阀阀盘紧闭，防止漏水。

图1 弹簧式补气阀

1 运行情况介绍

彭水水电站5台水轮发电机组于2008年先后投入运行。投产后，补气阀运行情况一直不甚理想。在设备定期检查过程中先后发现补气阀阀杆螺帽锁定片脱落、损坏，锁定螺母松动；补气阀限位螺杆断裂、螺杆螺母松脱；补气阀发卡及声音异常；补气阀的浮筒被撞瘪等缺陷。2009年汛期更是出现补气阀阀杆断裂，造成尾水上涌，水导轴承进水的重大缺陷。

2 运行缺陷原因分析

①原补气阀移动部件与固定部件之间间隙较小且同心度难以保证，经常有发卡现象发生，致使阀体关闭缓慢或关闭不严；②弹簧式补气阀的开启必须在局部产生压力降，补气过程会在局部产生高流速，这样容易产生噪声；③本站弹簧是补气阀阀移动部件重量约200kg，如此重量的部件不断撞击转动部件，容易造成阀杆疲劳断裂及密封失效。

3 自由浮球式补气阀工作原理及特点

为了保证机组的安全运行，在原有设备不做大改动的前提下，增设了自由浮球装置（见图2）。由此组成弹簧式补气阀和自由浮球式补气阀的双重结构。自由浮球式补气阀由壳体、浮球、缓冲垫、支架、法兰等部件组成。工作原理为：机组正常运行时，浮球在自重作用下，位于止动垫上，使浮球阀处于常开状态，从而保证向中心孔补充的空气能以最小的阻力进入。在中心补气孔水位上升后，不锈钢空心浮球在浮力作用下，向上浮起。由于浮球密度低于水，在水位到达上出水口之前，浮球已经能将出水口密封，从而避免尾水逸出。

图2 自由浮球式补气阀

自由浮球式补气阀具有如下特点：

（1）移动部件质量轻，开关速度快。从材料力学的角度来看，在一定的压力，通径条件下，球形浮子具有最小的质量，同时由于自由浮球上升阻力小，所以在浮球阀开启关闭过程中，开关速度快。

（2）动作可靠。浮球阀的移动部件为浮球，与静止部件间有数十毫米间隙，即使河水中泥砂进入相对移动部件中，也不影响动作可靠性，在上 升过程中与静止部件无接触，或是滚动摩擦，摩擦力很小。

（3）防止反水效果更好。由于浮球密封为线密封，同时，由于自由浮球的自动定心能力，浮球表面与密封圏表面能充分贴合，所以只需很小的预压力即可实现密封，同时由于浮球上升速度快，能及时密封，防止反水能力强。

（4）浮球阀补气量充足，通道稳定，无振荡。浮球阀在补气过程中为常开状态，开度与补气管一致，不需要再通过在此形成压力降来开启浮球阀。在补气过程中，浮球始终处于下部位置，补气通道稳定。从控制理论来看，自由浮球式空气阀在补气过程中的动态特性为一比例环节,不会因为水流的压力脉动产生振荡,具有良好的补气特性。

（5）浮球阀安装位置比较灵活。浮球阀安装位置所受限制较少小，为水轮机结构设计带来方便。

4 自由浮球式补气阀改造效果

2009年汛末至2010年汛前的机组检修工作中，彭水水电站对5台机组的补气阀进行了改造。在2010年汛期，彭水水电站最大下泄流量超过10000m3/s，最高尾水位达232.5m，五台机组自由浮球式补气阀一直运行正常，未出现一例补气阀漏水事件。尤其在6月中旬机组例行检查期间发现2#机组原弹簧式补气阀的阀轴断裂，浮筒掉落，完全失去封水的作用。自由浮球式补气阀很好的发挥了密封作用，没有出现任何渗漏，避免一起水淹厂房事故的发生。彭水水电站自由浮球式补气阀改造工作的成功，彻底解决了原补气阀漏水等重要缺陷，同时为其他同类型水电站补气阀的选型、设计及改造提供了借鉴经验。

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