洪屏抽水蓄能电站进水阀系统设计特点分析

王康生，姜泽界，韩 波

(1.江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西靖安330603；2.华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司，浙江安吉313302；3.湖北白莲河抽水蓄能有限公司，湖北罗田438600)



洪屏抽水蓄能电站进水阀系统设计特点分析

王康生1，姜泽界2，韩 波3

(1.江西洪屏抽水蓄能有限公司，江西靖安330603；2.华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司，浙江安吉313302；3.湖北白莲河抽水蓄能有限公司，湖北罗田438600)

从取消旁通阀、球阀主密封、密封导向面堆焊不锈钢、铜基自润滑轴套、阀体为可浮动式等方面介绍了洪屏抽水蓄能电站进水阀系统的设计特点，并描述了厂内进水阀出厂验收的试验过程。通过经验总结提出点焊固定密封环螺钉、在球阀顶部增设排气阀消能器及排水设备、对重要模拟量传感器增加断线保护等建议。

进水阀；设计特点；洪屏抽水蓄能电站

1 工程概况

江西洪屏抽水蓄能电站(以下简称“洪屏电站”)装机容量1 200 MW，装设4台单机容量300 MW的立轴单级可逆混流式水泵水轮机组。电站建成后，年平均发电量17.43亿kW·h，平均年抽水耗电量22.93亿kW·h，以500 kV一级电压、2回出线接入华中电网，在系统中担任调峰、填谷、调频、调相作用和事故备用等任务。

洪屏电站机组进水阀类型为球阀，其结构为横轴双面密封型式，油压操作。球阀公称直径2 100 mm，接力器操作油压4.6～6.3 MPa，球阀开启、关闭时间为40～100 s可调，阀体水压试验压力为12.5 MPa。

2 球阀结构设计特点

2.1 取消旁通阀

按照GB/T 14478—2012规范规定，旁通阀的公称直径一般为进水阀门公称直径的10%，即210 mm，对于887 m设计水头的球阀来说，在球阀上下游钢管开设过多的孔是不利的，同时也有研究表明，采用旁通阀平压方式，水对伸缩节会产生集中冲击力，使机组发生较大振动，而利用球阀活动密封环开启间隙向蜗壳充水的平压方式，水对伸缩节冲击力小从而机组振动较小[3- 4]，故厂家采用球阀工作活动密封与活门上固定密封间隙进行开机前的平压，通过计算，该活动密封环的行程为10.12 mm，当活动密封环打开后，其相当于245 mm直径的旁通阀，完全可满足使用要求。洪屏电站设计取消了旁通工作液压阀及检修液压阀系统，同时简化了球阀操作系统。

2.2 球阀主密封

洪屏电站球阀工作、检修密封都采用“T”形，其材料为不锈钢316 L，活动密封环与固定密封环存在20 HB硬度差，此类型活动密封环因端面尺寸大，而具有较好的刚性，压力变形小，最大活门扰度变形0.2～0.4 mm，故采用固定密封环预变形方式加工来补偿活门在受压工作状态扰度变形。球阀密封结构如图1所示，投退腔由三道密封圈组成。

与常规设计相比，洪屏电站球阀区别在于，一是其操作介质采用水，在正常情况下，检修密封为退出状态，当工作密封投入腔进压力水退出腔排水时，工作活动密封环与固定密封环紧密接触，密封环处于关闭位置，起到止漏水作用；工作密封退出过程与之相反。二是三道密封圈采用的是聚氨酯“D”型截面密封圈，此类密封圈为进口材料，优点在于当密封圈装入密封槽后，活动密封环往复移动过程中，密封圈不至于在槽内扭曲翻转而损坏，失去密封效果，并与“O”型密封圈相比，其具有更好的密封性，寿命也比之长。

2.3 密封导向面堆焊不锈钢

2.4 铜基自润滑轴套

抱瓦主要是因轴套材质选择不当，目前国内外轴套形式主要分为4类[6,7]，而洪屏电站球阀轴套采用材质为以钢基和deva.bm制成的滑动层组成，其特点为由高性能的钢背层和含有均匀弥散的固体自润滑颗粒的铜合层组成，从而保证了其高性能和低摩擦系数，摩擦系数μ=0.1～0.18，其使用的温度范围为-190～280°C，并能在高静载、高动载下工作。

2.5 轴套防转销钉同铰

偏磨是因球阀上下游所承受的压力不同，一般上游侧压力往往是下游侧压力的几倍，而枢轴与轴套、轴套与枢轴座都是间隙配合的，故球阀枢轴具有向下游靠死的趋势，故球阀在开机过程中，下游侧的摩擦力要大一些，当磨损过大到一定程度后，会使轴套与轴座产生相对滑动，基于此，球阀在制造过程中，在轴套与轴座上设计了4颗防转销钉，在装配的过程中进行同铰。

图1 球阀密封

2.6 阀体为可浮动式

压力钢管由于水推力作用和热膨胀效应会在水流方向有一定的位移，根据洪屏电站球阀基础载荷设计说明书，在泵工况时，球阀受到向上的2.4 mm的位移量，而在球阀关闭时，因产生水锤作用，此时产生一个5.6 mm向下的位移量，球阀地脚螺栓应设计为椭圆孔以补偿此位移量，如图2所示，可达到18 mm的补偿量。

(3)⟹(1): 对任意x ∈ X,由定义1.1和命题1.1知，x ≤ (x → 1) → 1.由引理2.2得， ⊇另一方面，由(3)知，

图2 椭圆基础板(单位：mm)

3 电气逻辑与液压回路设计特点

3.1 紧急关闭阀

(1)自动紧急关闭电磁阀。球阀控制系统回路由直流和交流双回路供电，球阀控制回路在电源正常情况下“得电关闭”的液压控制回路，配有得电关闭电磁阀，又有在冗余电源均消失的情况下“失电关闭”的液压控制回路，配有失电关闭电磁阀，实现球阀的“得电关闭”和“失电关闭”双回路冗余控制，以保证安全。

(2)手动紧急关闭阀。当控制回路切换至现地手动操作或其他原因，导致电磁阀无法关闭时，在现地通过手动操作紧急关闭阀，以切断主控制阀开启回路的油路，从而达到关闭球阀的作用。

(3)机械过速保护装置紧急关闭阀。当机组转速到达128%额定转速时，机械过速保护装置切换液压油路，沟通球阀关闭油路，实现球阀紧急关闭。

3.2 密封环位置开关传感器选择及布置

工作密封和检修密封各设计3个活动密封环位置开关显示装置，采用位移信号监测活动密封环所处位置，通过传感器靠位移信号器与活动密封环的间隙变化而产生的电信号变化转换为活动密封环的位移变化，从而显示活动密封环是否处在全开位置信号，从而准确地操作接力器开关球阀活门，按照设计留有1.5 mm距离。

3.3 油管路集成设计

与以往埋入式球阀集油箱不同，洪屏电站所有集油箱均设计成地面式，球阀集油箱尺寸为3 000 mm×2 500 mm×1 850 mm，比类似电站的尺寸要大，一是为满足设计要求，二是因将球阀液压控制系统中接力器、工作密封开启关闭阀及油压管路集成在集油箱的侧面，优点在于能减少管路漏油几率和布置紧凑，美观，操作方便。

4 球阀厂内验收

4.1 阀体的静压试验

通过两工具闷头将球阀上游延伸段和下游伸缩节进行封堵，活门及检修、工作密封活动密封环均为开启状态，按照图3曲线要求做阀体试验，试验过程中检查阀体是否有部件损坏、有害变形、漏水等结构缺陷。经厂内阀体的静压试验，阀体无任何部件损坏、有害变形、渗漏水等结构缺陷。

图3 静压试验曲线

图4 活动密封环充水试验加压曲线

4.2 活动密封环渗漏试验

用闷头封堵上游延伸段，活门、检修活动密封环关闭，按照图4曲线进行充水加压试验；再将工作活动密封环关闭，同样按照图4曲线进行工作活动密封环渗漏试验。试验过程中检查活门是否有部件损坏、有害变形、漏水等结构缺陷。厂内试验后，未发现有部件损坏、有害变形、漏水等结构缺陷。

4.3 活门及密封环动作试验

将阀体内的试验压力水排空，采用工具枢轴进行活门的开关动作，往复3次，厂内试验表明，无发卡、动作灵活。往检修、工作密封环内的投退腔内打压力水，观测密封环位置开关传感器是否正常亮起。厂内布置的3个密封环位置开关传感器信号灯先后亮起，主要原因是做试验时，只用了一个压力供排水口进行密封腔的投退动作，造成在整个腔内的压力不均匀。

5 总 结

根据洪屏电站本体设计结构及现场装配跟踪学习，以及其他电站运行经验，针对类似的球阀结构提出以下几点建议：

(1)固定密封环螺钉采用点焊防松或焊螺钉挡板防松。

(2)为了避免高压伤人和球阀表面流出的水导致操作人员摔倒引起高空坠落的危险。建议在球阀顶部排气阀处加长管路引至适当位置，并在管路出口安装小球阀隔离阀和消能器，将球阀本体充水溢出水流引至地面。

(3)球阀阀体一般采取铸造的方式，制造厂家目前一般采用重力铸造和压力铸造，易在其内部形成气孔，且出厂时不会对铸件进行无损检测，针对此情况，建议在合同签订时或设备验收过程中，进行一定比例的无损检测，对所有的焊缝应进行100%的无损检测。

(4)保证伸缩节安装要求。

[1]周嘉元， 郑慧娟. 抽水蓄能电站投产初期主进水阀消缺技改分析[J]. 水力发电， 2014， 40(4)： 65- 68．

[2]GB/T 14478—2012 大中型水轮机进水阀门基本技术条件[S].

[3]林洪德， 张利民， 杜江. 黑麋峰蓄能机组φ2.8 m球形阀的设计[J]. 东方电机， 2009(4)： 19- 27．

[4]张清双， 刘根节. 水轮机进水球阀的结构设[J]. 阀门， 2009(6)： 1- 5．

[5]尹襄， 周小南， 夏晓坤， 等. 大型球阀制造技术研究及应用[J]. 东方电机， 2009(2)： 15- 25．

[6]王丹伟， 李德武， 林恺， 等. 惠州抽水蓄能电站进水阀新轴套的设计与应用[J]. 广东电力， 2014 (9)： 16- 19．

[7]林恺， 李德武. 惠州抽水蓄能电站进水阀关闭规律与轴套故障关系研究[J]. 湖南电力， 2014(6)： 10- 12．

[8]王庆年， 隋忠祥， 张明喆， 等. 国外某些金属基自润滑复合材料的开发与进展[J]. 摩擦学学报， 1997 (1)： 89- 96．

(责任编辑 焦雪梅)

Analysis on Design Features of Inlet Valve System of Hongping Pumped-storage Power Station

WANG Kangsheng1, JIANG Zejie2, HAN Bo3

(1. Jiangxi Hongping Pumped Storage Power Co., Ltd., Jing’an 330603, Jiangxi, China;2. East China Tianhuangping Pumped Storage Co., Ltd., Anji 313302, Zhejiang, China;3. Hubei Bailianhe Pumped Storage Co., Ltd., Luotian 438600, Hubei, China)

The design features of inlet valve system in Hongping Pumped-storage Power Station are introduced from the aspect of cancelling bypass valve, main valve seal, stainless steel welding on seal guide surface, copper-based self-lubricating bushing and floating valve body, and the acceptance process in station is also described. Some suggestions are proposed that the screws on seal ring should be fixed by spot welding, the exhaust valve dampers and drainage equipment should be increased at the top of inlet valve and the disconnection protection of important analog sensors should be added.

inlet valve; design feature; Hongping Pumped-storage Power Station

2016- 06- 08

王康生(1987—)，男，江西吉安人，工程师，从事水电站维护与技术管理工作．

TV734.1(256)

A

0559- 9342(2016)08- 0077- 03