高水头抽水蓄能电站进水球阀阀座基础结构研究

何少润，陈泓宇，杨庆文，施玉泽

（1.中国南方电网调峰调频发电公司，广东省广州市 510640，2. 清远蓄能发电有限公司，广东省清远市 511853，3.中国水利水电第十四工程局有限公司，云南省昆明市，650000）

高水头抽水蓄能电站进水球阀阀座基础结构研究

何少润1，陈泓宇2，杨庆文3，施玉泽3

（1.中国南方电网调峰调频发电公司，广东省广州市 510640，2. 清远蓄能发电有限公司，广东省清远市 511853，3.中国水利水电第十四工程局有限公司，云南省昆明市，650000）

抽水蓄能电站进水球阀基础混凝土支墩一般采用球阀底座与基础板之间保证能够相对滑动的设计，本文就ALSTOM（阿尔斯通）、VOITH（伏伊特）、ANDRITZ（安德里兹）和日本东芝水电这几个知名厂商的设计结构型式进行介绍和分析，说明球阀底座与基础板之间采用有效的相对滑动设计是相当重要的。

抽水蓄能；进水阀；阀座基础；结构；辨析

0 引言

高水头、高转速抽水蓄能电站的进水球阀在机组启停、工况转换以及甩负荷时会有一个作用在活门上的强大水流推力，如仙游抽水蓄能电站球阀全关时的水推力达到27.7MN。虽然设计上该力是由阀体通过延伸段钢管及上游压力钢管传递给上游混凝土基础的，但阀体在上游水道瞬间推力作用下还是有一个沿着水流轴向移动的趋势，而球阀基础混凝土支墩由于材质、体积的原因是不设计用来承受球阀所带来水推力的。因此，在设计、选用水轮机进水阀时都有相关的设计规定。[1]

（1）《水轮机进水球阀选用、试验及验收规范》之“5.1.14”：“进水球阀底座应允许在基础板上沿压力钢管方向少量位移，最大允许位移量应按进水球阀关闭时间作由于上游压力钢管的最大水推力引起的阀体轴向移动计算确定，基础板滑动面间应有防锈措施。”

（2）《水轮机进水液动蝶阀选用、试验及验收导则》（DL／T 1068-2007）之“5.1.15”：“进水蝶阀底座应允许少量的沿压力钢管方向的位移”。

（3）《水轮机设计手册》第十七章“水轮机进水管道上的阀门”：“阀体的下半部的地脚承受蝴蝶阀的全部重量和操作活门传来的力和力矩，但不考虑承受作用在活门上的水推力，此水推力由上游或下游侧的连接钢管传到基础上。为此，在地脚螺钉和孔的配合间，应按水流方向留有30～50mm间隙……”。

据此，各设计制造厂商分别选择了各具特色的基础座滑动面（含防锈）的结构型式，本文仅就ALSTOM（阿尔斯通）、VOITH（伏伊特）、ANDRITZ（安德里兹）和日本东芝水电这几个知名厂商的设计结构型式进行介绍和分析。

1 ALSTOM（阿尔斯通）系列

1.1 广州抽水蓄能电站一期工程

广州抽水蓄能电站一期工程（简称GZ-Ⅰ）GZ-Ⅰ球阀底座基础结构如图1所示，其特点是：

（1）球阀基础由带套管基础螺杆（含调整配件）、基础板装配（含调整件）和附有螺套、垫圈、螺母的全扣紧固螺钉装配（与球阀底座把合）三部分组成。其中，基础螺杆装配生根于二期混凝土（球阀支墩）和基础板共同浇筑于三期混凝土中。

（2）M64×4（光杆部分ϕ75mm）的基础螺杆长约2370mm，套管长700mm，基础螺杆的上端部可以在套管内有一定的调节裕量以弥补浇筑二期混凝土时埋设的误差。

（3）在浇筑三期混凝土前，安装并调整基础板的水平与高程符合图纸的设计要求。

图1 GZ-Ⅰ球阀基础（单位：mm）Fig. 1 GZ-Ⅰ inlet valve base

（4）球阀就位时底座与基础板、基础螺杆的把合如图2所示，长螺套下联基础螺杆、上联球阀底座紧固螺栓，其外径ϕ105mm与底座、基础板ϕ120mm螺孔有一定调节裕量；底座紧固螺栓下端面与基础螺杆上端面设计有5mm间隙，应在现场测量确定全扣螺钉的拧入量。

（5）球阀底座下平面和基础板上平面加工精度均要求达到Ra3.2，安装时接触面涂抹润滑油脂；且基础底板设计有注油通道和油槽，可以从设置在侧面的油杯向滑动面注入润滑油脂。

（6）浇筑三期混凝土经养护后紧固螺栓的预紧力矩为250N·m。

1.2 惠州抽水蓄能电站

惠州抽水蓄能电站（简称惠蓄）球阀底座基础的固定方式如图3所示，其结构特点是：

（1）球阀基础是由8×M60基础螺杆（用螺母直接与球阀底座把合）、基础板（含调整附件）两部分组成，基础螺杆和基础板均浇筑于三期混凝土中（球阀支墩为二期混凝土）。

（2）M60基础螺杆长约705mm，在与二期混凝土中的锚筋联结固定后直接浇筑于三期混凝土中。由于基础螺杆是直接通过螺母与球阀底座把合紧固的，需要安装施工队伍具有较高的工艺作业能力，才能确保基础螺杆与基础板埋设的位置、高程及水平达到设计要求。

（3）球阀基础板埋设部件装配如图4所示，其作业程序是：根据球阀的中心、里程和球阀底座尺寸在二期混凝土的基础锚筋上焊接高程调整螺栓→将调整支座装配于高程调整螺栓上→把基础螺栓穿入基础板→调整螺杆外露部分到基础板上的距离→套上保护套管和螺母→吊放该装配至安装位置的基础埋件上→配合工字钢调整球阀基础板的水平、中心和高程（要求基础板水平≤0.10mm/m、高程偏差≤1 mm、中心偏差≤±2mm）→调整合格后在百分表监控下进行点焊加固→终检后进行三期混凝土浇筑。

图3 惠蓄球阀基础（单位：mm）Fig.3 Huizhou pumped storage power station inlet valve Foundation

（4）吊装球阀后用液压工具按1400N/m（±140N·m）对称拧紧固定螺母和垫圈（见图3）。

（5）球阀底座下平面和基础板顶面两个接触的工件表面的加工光洁度均为Ra3.2，安装时涂抹二硫化钼润滑脂，使得球阀底座与基础板紧密贴合时形成油膜起到润滑作用[3]。

1.3 海南琼中抽水蓄能电站

海南琼中抽水蓄能电站（简称海蓄）球阀基础底座的固定方式如图5所示，其结构特点是：

（1）球阀基础是由8×M60基础螺杆（上端部丝牙联结长螺母）、基础板（含调整附件）和M60全扣丝杆（带螺母，与球阀底座把合）三部分组成。基础螺杆和基础板均浇筑于三期混凝土中（球阀支墩为二期混凝土）。

（2）M60基础螺杆长约570mm，在与二期混凝土中的锚筋联结固定后直接浇筑于三期混凝土中。由于基础螺杆是直接通过螺母与球阀底座把合紧固的，需要安装施工队伍具有较高的工艺作业能力，才能确保基础螺杆与基础板埋设的位置、高程及水平达到设计要求。

（3）球阀就位时底座与基础板把合结构如图6所示，在螺母1000N·m拧紧力矩作用下的垫片与阀体底座之间、阀体底座与基础板之间是紧密贴合没有间隙的。

（4）球阀底座下平面和基础板顶面两个接触工件表面的加工光洁度均为Ra3.2，安装时涂抹二硫化钼润滑脂，设计意图是阀体底座与基础板之间紧密贴合形成油膜在相对滑动时能起到润滑作用。

图4 惠蓄球阀基础埋设Fig.4 Huizhou pumped storage power station inlet buried foundation

图5 海蓄球阀基础（单位：mm）Fig.5 Hainan pumped storage power station inlet valve Foundation

图6 球阀基础把合结构（单位：mm）Fig.6 Inlet valve base structure

2 VOITH（伏伊特）系列

广州抽水蓄能电站二期工程（简称GZ-Ⅱ）球阀基础的结构形式如图7所示，其特点是：

（1）球阀基础由基础螺栓组装 （含套筒）、带滑板的基础板（含调整附件）和附有定距隔套的紧固螺母组合（直接将球阀底座与基础螺杆把合）三部分组成。其中，基础螺栓组装浇筑于二期混凝土中；套管中的地脚螺杆、基础板（含调整附件）浇筑于三期混凝土（非收缩型）中。

（2）M80×6地脚螺杆长2540mm穿过基础板直接把合球阀底座，其上端部可以在套管内有较大的调节裕量以弥补浇筑二期混凝土埋设时的可能引起的误差。

图7 GZ-Ⅱ球阀基础结构Fig.7 GZ-Ⅱ inlet valve base structure

（3）基础板可用生根于二期混凝土的调整螺钉调整其高程、水平及方位，尤其是基础板上方12mm厚的铝铜板（B21 CA46400）的高程和水平度应符合图纸设计要求，最终交付三期混凝土浇筑。

（4）球阀就位时底座与基础螺杆把合结构如图7之A-A视图所示，其作业程序是：准确测量球阀底座鱼眼孔深度和定距隔套原高度→确定每个定距隔套的加工尺寸→进行隔套加工→调整合适的球阀底座鱼眼孔与定距隔套的上下游间隙→采用液压拉伸器按67MPa拧紧螺母、通过垫环将定距隔套紧压于基础板上→检测垫环至球阀基础螺栓鱼眼孔端面间隙应为0.15～0.20mm。

图8 仙蓄球阀基础结构（单位：mm）Fig.8 Xianyou pumped storage power station inlet valve base structure

（5）滑板上下表面及基础板上平面加工精度均为Ra6.3，安装时涂抹MoS2润滑剂使得阀体底座与滑板构成良好的摩擦副。

3 ANDRITZ（安德里兹）系列

3.1 仙游抽水蓄能电站

仙游抽水蓄能电站（简称仙蓄）球阀基础的结构形式如图8所示，其特点是：

（1）球阀由基础框架（含支撑基础板的地脚螺杆）、基础板（含调整附件）和附有定距隔套的紧固螺钉（与球阀底座把合）三部分组成。基础框架生根于一期混凝土并浇筑于二期混凝土中；基础板浇筑于三期混凝土（非收缩型）中。

（2）支撑基础板的M64地脚螺杆长约2100mm，随其基础框架直接浇筑于二期混凝土中，其浇筑后的定位对基础板的方位影响较大，安装调整及固定时需要采取稳妥的作业措施。

（3）在浇筑三期混凝土前，安装并调整滑板式基础底板的水平、高程与方位符合图纸设计要求。

（4）球阀就位时底座与基础板把合结构如图9所示，定距隔套的高度在现场根据实际测定使底座上平面与垫块之间有0.2～0.3mm的间隙，压力钢管处于排空状态时定距隔套处于中间位置。

（5）球阀底座下平面加工精度要求达到Ra3.2，与表面有润滑油槽的滑动式基础底板之间需涂二硫化钼润滑油脂；且基础底板设计有注油通道，可以从设置在侧面的油杯向滑动面注入润滑油脂。

（6）浇筑三期混凝土经养护后紧固螺栓的预紧力矩为 5150N·m[4]。

3.2 深圳抽水蓄能电站

深圳抽水蓄能电站（简称深蓄）ANDRITZ在仙游抽水蓄能电站实践的基础上经改进用于深蓄的球阀基础结构如图10所示，其特点是：

（1）球阀基础由框架式安装模板、带滑板的基础板（含调整附件）和附有定距隔套的紧固螺钉（与球阀底座把合）三部分组成。其中，框架式安装模板生根于一期混凝土浇筑于二期混凝土中；框架式安装模板套管中的地脚螺杆、基础板浇筑于三期混凝土（非收缩型）中。

图9 底座与基础板把合结构Fig.9 Base and base plate closing structure

图10 深蓄球阀基础结构（单位：mm）Fig.10 Shenzhen pumped storage power station ball foundation structure

（2）框架式安装模板套管中的M64地脚螺杆长约2100mm，其支撑、固定基础板的上端部可以在套管内有较大地调节裕量以弥补框架式安装模板在浇筑二期混凝土时埋设的误差（控制在±2mm内）。

（3）在浇筑三期混凝土前，安装并调整包括滑板的基础板的水平、高程与方位符合图纸设计要求。

（4）球阀就位时底座与基础板把合结构如图11所示，左右支墩基础板上各均布四块750×150×3（厚度3mm）的滑板，其材质为FZB06（双金属自润滑材料），具有承载能力高、减摩耐磨性能好的特点，定距隔套的高度在现场根据实际测定使底座上平面与垫块之间有0.2～0.3mm的间隙。

图11 底座与基础板把合结构（单位：mm）Fig.11 Base and base plate closing structure

（5）球阀底座下平面加工精度要求达到Ra3.2，与表面有润滑油槽的滑动式基础底板之间需涂二硫化钼润滑油脂；且基础底板设计有注油通道，可以从设置在侧面的油杯向滑动面注入润滑油脂。

（6）浇筑三期混凝土经养护后紧固螺栓的预紧力矩为 5150N·m[5]。

4 东芝水电系列

4.1 清远抽水蓄能电站

清远抽水蓄能电站（简称清蓄）球阀基础座的固定方式如图12所示，其结构特点是：

（1）球阀基础由安装框架定位基础螺栓、基础板（含调整附件）和附有定距套筒的紧固螺母（与球阀底座把合）三部分组成。其中，安装框架（包括基础螺栓下端部）焊接固定于一期混凝土的预埋钢筋上并浇筑于二期混凝土中；基础螺栓上部一段与基础板浇筑于三期混凝土（非收缩型）中。

（2）M125×6A基础螺栓长2390mm，如图13所示的安装框架可以经过精心施工将基础螺栓准确定位。

（3）在浇筑三期混凝土前，安装并调整基础板的水平、高程及方位符合图纸设计要求。

（4）球阀就位时底座与基础板把合结构如图14所示，定距套筒的高度在现场根据实际测定使底座上平面与垫块之间有0.1～0.3mm的间隙。

图12 清蓄球阀基础结构（单位：mm）Fig.12 Inlet valve foundation structure of Qingyuan pumped storage power station

（5）球阀底座下平面及基础板上平面的加工精度均为Ra12.5，安装时接触面需涂二硫化钼润滑油脂。

（6）浇筑三期混凝土经养护后紧固螺栓的力矩使得螺M125栓伸长值0.23±0.02mm。

4.2 球阀阀体基础混凝土裂隙

四台机组投入运行后均发现球阀阀体基础三期混凝土有不同程度的裂隙，其中以4号机最为严重，参见图14。

设计制造厂商分析认为，虽然产生裂隙的三期混凝土已不再承受拉应力，但固结于二期混凝土的基础螺栓在整体强度上还不会受到影响。鉴于裂隙状况可能会有恶化的趋势，建议进一步查找原因并研究遏制裂隙的对策[2][6][7]。

图13 清蓄球阀基础框架Fig.13 Inlet valve foundation frame of Qingyuan pumped storage power station

5 结束语

（1）根据惠蓄、清蓄球阀的实际监测，阀体在各种工况的轴线方向位移如表1所示。

图14 底座与基础板把合结构（单位：mm）Fig.14 Base and base plate closing structure

图15 球阀基础裂隙情况（单位：mm）Fig.15 Basic fracture of inlet valve

表1 阀体在各种工况的轴线方向位移Tab.1 Valve body axis displacement in various conditions

可以看出，惠蓄球阀阀体轴向位移最大值为100%负荷关球阀时的1.672-0.295=1.377mm ；清蓄球阀阀体轴向位移最大值为100%负荷动水关球阀的1.501-0.361=1.090mm。这足以证实必须在球阀底座与埋设于混凝土支墩的基础板之间采取能够相对滑动的设计才能有效减小球阀对混凝土支墩的推力，避免支墩混凝土承受过大的拉应力。

（2）采用框架式安装模板或者基础框架（如仙蓄、深蓄和清蓄）有助于准确定位基础螺栓，使得球阀基础板埋设中心、里程和高程能够较好的满足设计要求和实际需要。

（3）较长的埋设于二期混凝土中的地脚螺杆（如GZ-Ⅰ的M64×2370mm、GZ-Ⅱ的M80×2540mm、仙蓄和深蓄的M64×2100mm、清蓄的M125×2390mm）对球阀基础板的固定是有利的，显然优于较短而又仅埋设于三期混凝土中的基础螺栓。

（4）采用附有套管的地脚螺杆（如仙蓄、深蓄和GZ-Ⅱ）使得其固定基础板的上端部可以有较大的调节裕量以弥补浇筑二期混凝土时可能潜在的埋设误差，而浇筑于二期混凝土中又直接与球阀底座穿接紧固的基础螺栓则需要更为精湛的施工工艺和较长的作业时间。

（5）球阀底座与基础板之间衬垫承载能力高、减摩耐磨性能好的滑板（如GZ-Ⅱ的12mm厚铝铜板、深蓄3mm双金属自润滑材料FZB06）能够有效避免接触面锈结、大大降低相对滑移时的摩阻力，从而锐减基础混凝土所可能承受的拉应力。

（6）采用在现场根据实际测定、加工定距隔套高度的方式使得球阀基础紧固时其底座上平面与垫块之间可以保持0.2～0.3mm的间隙，这种有助于阀体少量轴向移动的设计显优于仅靠润滑脂降低摩阻力而接触面无预留间隙的固定方式。

（7）适当提高球阀底座下平面和基础板上平面的加工精度对滑动面的相对移动肯定是有利的，建议采用深蓄、仙蓄、海蓄的Ra3.2（属于半精加工一般配合的加工面），能使得安装时接触面涂抹二硫化钼润滑油脂的实效和时效更佳。而清蓄球阀基础底板下平面和基础板上平面的加工精度设计仅Ra12.5（属于可见加工痕迹的粗加工非配合的加工面），其实际效果自然要差得多。

（8）采用设计有注油通道和接触面有润滑油槽的基础板（如GZ-I、仙蓄和深蓄），可以随时从设置在侧面的油杯向滑动面注入润滑油脂，始终保持阀体相对位移时的低磨阻状态。

（9）球阀底座和基础板摩擦面的正压力是由底座紧固螺栓的拧紧力矩和球阀正常启闭时相应下压力两部分组成的，球阀阀体沿水流方向滑移时底座与球阀基础板之间的摩擦力也是与此正压力成正比的。因此，适度控制球阀固定螺母的拧紧力矩也是不可忽视的。例如，清蓄在参与伸长的螺杆长度实际仅约300mm的情况下（参见图14）设定基础螺杆的伸长量为0.23±0.02mm，其所产生的轴向力压缩定距套筒会在一定程度上减小其预留设计间隙，再加上加工、安装等多方面因素，也是完全有可能导致滑动面摩阻增大、基础混凝土承受超载拉力而出现裂隙的。

（10）安装初期，由于场地湿度大，同为Q345材质、加工精度偏低的阀体座板与基础板可能因锈蚀而粘接在一起形成较大静摩阻力，这个不利因素也要在设计阶段予以考虑。

[1] 梅祖彦.抽水蓄能技术[M].北京：机械工业出版社.

[2] 何少润，陈泓宇.清远抽水蓄能电站主机设备结构设计及制造工艺修改意见综述[J]，水电与抽水蓄能，2016，2（5）.HEShaorun，CHENHongyu. Review on Amendments of the Main Equipment Structure Design and Manufacturing Process of Qingyuan Pumped Storage Power Station[J]，Hydro Power and Pumped Storage，2016，2（5）.

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[5] 张健，卢伟华， 范波芹，胡建永. 输水系统布置对抽水蓄能电站相继甩负荷水力过渡过程影晌[J].水力发电学报， 2008，27（5）.ZHANG Jian，LU Weihua，FAN Boqin，HU Jianyong. The influence of layout of water conveyance system on the hydraulic transients of pump-turbines load successive rejection in pumped storage station[J]， Journal of Hydroelectric Engineering， 2008，27（5）.

[6] 陈泓宇，李华，程振宇. 清远抽水蓄能电站三台机组同甩负荷试验关键技术研究，水电与抽水蓄能，2016，2（5）.Chen Hongyu，LI Hua，CHENG Zhengyu. Review of the Load Rejection Test of the Pumped Storage 3 Units Together in Qingyuan Pumped Storage Power Station， Hydropower and pumped storage，2016，2（5）.

[7] 杜荣幸，王庆，榎本保之，陈泓宇.长短叶片转轮水泵水轮机在清远抽蓄中的应用，水电与抽水蓄能，2016，2（5）.DU Rongxing， WANG Qing， ENOMOTO Yasuyuki， CHEN Hongyu. Application of Splitter Blades Runner Pump Turbine in QingYuan Pump Storage Station， Hydropower and pumped storage，2016，2（5）.

Analysis of the Basic Structure of the Inlet Ball Valve in Pumped Storage Power Station

HE Shaorun1，CHEN Hongyu2，YANG Qingwen3，SHI Yuze3
(1.CSG Power Generation Company，Guangzhou, 510640，China; 2.CSG Power Generation Company Qingyuan Pumped Storage Power Co.，Ltd, Qing yuan 511853 China; 3.China Water Conservancy and Hydropower Fourteenth Engineering Bureau Co.,Ltd.，Kunming，650000 China)

Pumped storage power station inlet valve foundation concrete pier base and the base plate between the valve to ensure the design of slide relatively， the ALSTOM （Alston）， VOITH （s），ANDRITZ （Ander Liz） and several well-known manufacturers of Japan’s Toshiba hydropower design structure were introduced and analyzed， that between the valve base and foundation in the design of effective relative sliding is very important.

pumped storage; inlet valve; valve seat foundation;structure; discrimination

TV732.7

A

570.30

10.3969/j.jssn.2096-093X.2017.01.008

2016-10-09

2016-11-23

何少润（1946—），1967年毕业于华东水利学院水动专业，教授级高工，长期从事水电站机电设备管理及安装调试工作。Email： 248370406@qq.com

陈泓宇（1975—），男，工程师，主要研究方向：电站基建和电厂技术管理工作。Email： 542120791@qq.com

杨庆文（1973—），男，高级技师，中国水利水电第十四工程局有限公司，主要研究方向：电站机电设备安装管理。Email: yqw.1973@163.com

施玉泽（1975—），男，高级技师，中国水利水电第十四工程局有限公司，主要研究方向：电站机电设备安装管理。