惠蓄上游引水隧洞排水针形阀及其消能方式改造浅析

刘少伟,王 琪

(惠州蓄能发电有限公司,广东 惠州 516100)



惠蓄上游引水隧洞排水针形阀及其消能方式改造浅析

刘少伟,王 琪

(惠州蓄能发电有限公司,广东 惠州 516100)

惠蓄机组具有水头高,引水隧洞长的特点,其进水阀前引水隧洞排水面临高水头、高压力、高能量、大流量和时间长的考验。需要一组耐高压、消能良好、抗振性能好和过流能力强的排水系统。因此上游引水隧洞排水系统由第一道不锈钢球阀、第二道针形阀和第三道闸阀组成。在第一次进行上游水道排水的时候出现了针型阀因振动过大,水锤导致针型阀阀芯断裂,通过分析针型阀断裂的原因,将针型阀的传动机构加工成梯形结构,增加阀芯弹簧缓冲机构,取消阀芯翼板,调整安装方式的改造,以达到在往后的排空上游隧洞内的水时不会再出现阀芯断裂的现象,排水过程要平稳,保证了上游隧道排水的安全。

抽水蓄能机组；技术改造；针型阀；消能方式

1 概述

惠州蓄能水电厂(以下简称惠蓄)水轮机工况额定净水头为517.4 m,毛水头为557 m,引水系统长3 104 m；惠蓄电站上库正常蓄水位为762 m,下库正常蓄水位为231 m。上游引水隧洞排水消能针形阀安装高程为140 m,两者水头差为622 m即62.2 bar。这使得惠蓄机组具有水头高,引水隧洞长的特点,其进水阀前引水隧洞排水面临高水头、高压力、高能量、大流量和时间长的考验。因此需要一组耐高压、消能良好、抗振性能好和过流能力强的排水系统。

惠蓄进水阀上游引水隧洞排水系统由第一道不锈钢球阀、第二道针形阀(以下称“上游引水隧洞排水针形阀”)、消能孔板和第三道闸阀组成,用于排空进水阀前上游引水隧洞里面的水,惠蓄电厂机组进水阀上游引水隧洞正常排水工作方式是:第一道不锈钢球阀和第三道闸阀全开,由全不锈钢高压阀门——针形阀来控制排水流量和速度,在不同的工作水头下,调节针型阀的开度来控制排水速度和流量。

在第一次进行上游引水隧洞检查维护排水的时候出现了上游引水隧洞针型阀在排水过程中振动过大,针型阀阀芯断裂,分析针型阀断裂的原因,对针型阀的传动机构,阀芯弹簧,阀芯翼板以及安装方式进行了相应的改造,以达到了在往后进行类似工作时不会再出现阀芯断裂的现象,保证安全排空上游引水隧洞内的水。

2 针形阀参数

惠蓄进水阀上游引水隧洞排水针形阀是由西班牙ims,S.A.公司制造的全不锈钢高压阀门,阀门参数如表1所示。

表1 阀门参数

最大动水工作压力56 bar,能在0～56 ar的动水头下排水,排水的速度变化在0～3 m3/s变化范围；

阀体进出水口法兰角度：90°,水流垂直向下进入,经过阀心消能减压后水平向左流出；

针形阀在不同的工作水头下,可以调节阀门的开度来控制排水速度。

3 故障过程

2008年7月11日晚23:50开始上游引水隧洞排水工作。开启1#机组进水阀上游引水隧洞排水管的针形阀排水。此时,上游水位为630 m,下游水位213 m,针形阀前水头为417 m。经过调整开度,按照排水要求流量控制在2 300 m3/h(0.64 m3/s)左右。排水至7月12日13:25,针形阀发生剧烈振动并伴随间歇巨大的撞击声(水锤现象)。现场运行操作人员迅速关闭了针形阀上游的球阀,避免了事故的扩大和恶化。

事故现场情况如下(阀门开关操作机构及其连接部件掉落):

1) 阀杆断裂并弯曲。

2) 操作机构连接螺栓和螺母螺纹被剪平。

3) 上部球阀下法兰的一个连接螺母被振脱掉落地面。

4) 针形阀下游法兰漏水现象。

5) 在排水过程中还伴随着巨大的噪声。

2008年7月15日更换新针形阀后,继续引水隧洞排水,针形阀阀杆再次断裂。事故现场图片详见图1～4。

图1 阀杆断裂断面

图2 掉落地面的操作机构

图3 断裂的阀杆

图4 阀杆涡杆的两齿崩塌

4 原因分析

在第一次事故中,针形阀操作机构经过连续13.5 h的振动,阀杆在断裂面产生裂口并在振动的驱使下进而发展成为整个阀杆断裂。阀杆断裂后,阀心失去固定,在高速水流和高水头的作用下阀心自关闭,不停撞击断裂阀杆,并且反弹撞击阀体,阀心如此来回运动直到与断裂阀杆脱离接触[1]。操作机构同样与断裂阀杆一起被联动撞击,使连接螺栓螺纹破坏而失去紧固连接掉落地面。

高压水流通过针形阀时,由于流速极高、流态变化大,将不可避免引起针形阀的振动[2]。根据现象分析,除水力因素外,针形阀结构存在如下缺陷是造成破坏的主要原因：

1) 阀杆支承精度与刚度不足。阀杆主要依靠轴套支承。针尖与阀座配合精度不足,且只有3块翼板导向,针尖与针头连接强度较弱,因此该部分不能对阀杆起着良好的支承效果。伞形齿轮机构内螺杆与螺母配合间隙大,也不能对阀杆起着良好的支承效果[3]。由于上述原因,在水流的作用下,阀杆将发生径向振动和弯曲。

2) 伞形齿轮机构与支架连接刚度不足,防松不可靠,在阀杆振动作用下将产生松脱,最终造成阀杆折断的严重后果。

3) 伞形齿轮机构无法锁锭。阀杆在水流的作用下产生强烈轴向振动,并不断朝关闭方向移动,使得阀门难于控制和增加阀杆的受力。

4) 针尖从针头脱出,显然是在阀杆折断后由于撞击造成的结果。

惠蓄针形阀工作条件完全是在设计规定的水头和流量范围内,但只经短时间运行即发生严重破坏,显然该针形阀不能适应高水头下的工作。为了避免破坏现象重复发生,需要对针形阀作结构性的改进。

4.1改造方案

通过认真分析研究,从改进阀门结构、排水管路布置和针形阀安装方式,减小水力振动对针形阀的影响等方面采取措施,对其进行技术改造：

4.1.1阀门结构改造

原针形阀操作传动机构较短且传动轴为单纯的硬连接,无缓冲机构,抗震性较差,所以在引水隧洞高水头排水时经不起剧烈振动导致操作机构螺栓震脱,安全系数较低[4]。

所以对原针型阀(见图5)进行以下改造：

1) 将原来的传动机构加工成阶梯形；

2) 增加了弹簧缓冲机构(加强了操作机构的抗震性),提高了安全系数；

3) 取消了阀芯上3块翼板。

改造完成后新针型阀(见图6)。

4.1.2排水管路布置及消能方式改造

1) 原针型阀的消能方式采用孔径为Φ120 mm单个节流片进行消能,消能作用十分有限。现将针形阀后消能孔板的数量由1片增加至3片。改造为1个消能筒,包含了3个连续的消能孔板。每片节流片中心加工3个Φ40 mm的节流孔。水流每经过1片消能孔板,需要分别通过3个Φ40 mm的节流孔,有效地降低了上游侧的水压,水流经过3片串联的消能孔板后即进行了3次降压,这样经过3消能孔板后有效降低了上游水压,即达到了高水头消能的目的(见图7)。

图5 原针形阀结构示意

图6 新针形阀结构示意

图7 改造后的消能孔板

2) 为减小水流产生的脉动,将针形阀由横向水平布置改为垂直布置,并将闸阀位置下移(见图8所示)。

3) 加强管路支架。

由于上游引水隧洞排水管振动大,在排水过程中管路振动大会加剧针型阀的振动。通过改进管路固定方式,可以减小排水管路及其阀门在排水时的振动,减轻高压和高速水流对针形阀及其连接螺栓的作用力的破坏作用。主要改进如下：

①水平支架调整到闸阀法兰上方。

②垂直支架增设基础锚板,锚板锚钢与混凝土中的钢筋牢固焊接。垂直职称与锚板由螺栓可靠连接。

③对垂直支撑上部进行了修改,增加侧支撑,以增强水平方向的固定。在支撑座于管道表面之间增加10 cm厚的弹性橡胶垫片,降原线接触的半圆固定环

图8 排水管路和针形阀安装布置方式对比

改为半罩子形状的面接触固定,增加固定面积,以增加阻力,提高抗扭性,在结构上其补偿作用[5]。

④增加侧支撑采用槽钢制作。为避开上游墙面的消防管线,在现场墙面设置槽钢底座与槽钢焊接,槽钢采用4个M16镀锌膨胀螺栓与墙面连接。

4.2改造效果

改造后,进行了A厂2#机组的针形阀排水试验。改造后的针形阀排水效果较好,阀门本体和阀杆的振动明显减少,排水时噪音有所降低；水流经过消能孔板时,排水管路的振动也明显降低,噪声减少。

机组上游引水隧洞排水管路改造后,提高了针形阀和排水可靠性,获得了良好的消能效果,达到了针形阀机构改造和消能孔板形式改造的目的,消除了上游引水隧洞排水时的阀门破坏和水淹厂房等安全隐患。

5 结语

惠蓄上游引水隧洞排水管消能方式及排水针型阀改造完成后,到目前为止,分别通过针型阀对A厂和B厂上游水道进行排水检修,未出现阀门损坏、排水振动大噪音大等故障。目前针型阀运行状况良好,表明此次对针型阀及其消能方式改进是成功的,为类似工程提供了参考。

[1] 盛国成, 刘智强. 液压锥阀阀口流场数值模拟与仿真分析[J]. 科技资讯, 2007(24):37-38．

[2] 张文丽. 针型阀冲蚀、变形失效分析[D]. 成都：西南石油大学, 2013.

[3] 高红, 傅新. 锥阀阀口气穴流场的数值模拟与试验研究[J]. 机械工程学报, 2002, 38(8):27-30．

[4] 蒋小丽. 高压气井针形节流阀结构性能分析与优化[D]. 成都：西南石油大学, 2014．

[5] 曾伟, 吴巍巍. 基于Fluent的高压针形节流阀冲蚀磨损分析[J]. 内江科技, 2013, 34(6):74．

(本文责任编辑 马克俊)

Modification of Needle Valve and Improvement of Energy Dissipation Way of Upstream Diversion Tunnel of the Huizhou Pumped Storage Power Plant

LIU Shaowei, WANG Qi

(Huizhou Pumped Storage Power Station, Huizhou 516100,China)

Huizhou pumped storage plant has characteristics with high water head and long water diversion tunnel. The drainage of pressure steel pipe before main inlet valve faces the challenges of high pressure, high energy, mass flow and long hours. Therefore, an upstream drainage system is needed having advantages of pressure capacity, good energy dissipation, anti-vibration and hydraulic characteristics.The upstream drainage system consists of the first stainless steel ball valve, the second high-pressure needle valve made of stainless steel and the third gate valve, which are used for emptying upstream diversion tunnel before the main valve. When draining the upstream tunnel for the first time the needle valve vibrates excessively which results in the valve core damaged by water hammer. Through the analysis of the fracture reason, some mechanical reconstruction are conducted; Remould drive mechanism of needle valve into trapezoidal structure, and add a spring buffer mechanism of the valve core, then cancel the wing plate of valve core, and change the installation method. After the reconstruction the same accident never appears again in the subsequent drainage, water flows smoothly in the drainage process, ensuring the safety of the upstream drainage tunnel.

pumped storage unit； modification；needle valve；energy dissipation way

2016-05-18;

2016-05-30

刘少伟(1984),男,本科,工程师,从事抽水蓄能电站机电运行管理工作。

TV732+.3