溧阳抽水蓄能电站球阀开启异常的分析及处理方法

赵世宽

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

溧阳抽水蓄能电站共安装6台单机容量为250 MW的可逆式水泵水轮机-发电电动机组，机组采用“一洞三机”形式，即每3台机组共用一条引水隧洞，共2条。尾水采用单机单管形式，每台机组配备一台主进水球阀，起到停机时隔断上库水源和发生事故时及时截断水流的作用。

1 球阀主要结构

主进水球阀由阀体、活门、轴承、转臂、密封、接力器及基础附件等组成，与一般球阀不同的是，溧阳球阀采用单接力器单转臂的结构。主进水球阀示意图见图1。

进水球阀的密封分为检修密封和工作密封，采用密封环和密封座压合的形式，利用上游压力水源配合阀旁的密封控制柜，通过液压回路的切换实现密封的投入、退出动作。检修密封为现地手动操作，工作密封为远方自动操作。

为保证密封和球阀的安全，球阀配有两套机械液压闭锁装置，即球阀未达到全关时密封不能投入或退出；密封投入时球阀不能开启。

检修密封和工作密封各配有3个密封指示装置，指示装置的探头随密封环投退而伸长或缩短，从而与限位指示开关接触，便于监测密封的完全投入和退出状态，防止球阀误动作。

图1 主进水球阀示意图

球阀接力器采用油压操作，带动与活门相连接的转臂，驱动球阀在0°～90°动作。球阀的活门转动应灵活，与固定部件应有足够间隙[1]。需要指出的是，水电站进出水球阀只能在全开和全关两个位置，起到“通流”和“断流”的功能，不能调节流量。

2 球阀主要参数

形式：卧式球阀

进口及出口直径：φ3 050 mm

最大净水头：348.4 m

设计压力：4.66 MPa

试验压力：6.99 MPa

最大流量：111.04 m3/s

接力器直径：φ1～φ670 mm

接力器操作油压：4.40～6.30 MPa

活门开关时间：40～120 s

旁通阀直径：φ300 mm

空气阀直径：φ200 mm

3 问题描述

2015年10月23日上午，溧阳6#球阀(首台球阀)接力器节流孔板加工(由φ10 mm扩孔至φ15 mm)回装后，在额定压力下进行6#球阀开启、关闭时间调整(时间调整至50±5 s)。通过实际动作情况来看，球阀开启、关闭时间较未调整前有显著缩短，但在接力器开启末端约47 mm行程时，肉眼观察球阀几乎停止动作，在蜗壳内观察球阀活门并未开启至与上下游流道水平。现场录波曲线显示接力器开启腔压力及关闭腔压力同时突变升高且关闭腔压力大于开启腔压力，此时接力器继续以缓慢的速度开启至全开。当球阀达到全开时，关闭腔压力再次突变升高，在球阀达到全开的瞬间，接力器操作油管路有剧烈振动并伴有较大声响。从录波曲线上看，接力器关闭腔压力峰值约为11.25 MPa(现场采集数据用的压力传感器量程为10 MPa，此时关闭腔压力很可能已经超过传感器量程)，然后关闭腔压力缓慢降低。现场初步分析认为压力异常是接力器关闭腔有空气造成，但对关闭腔排气后情况依然没有好转。

4 原因分析

图2为现场录制的球阀开启、关闭时接力器“行程-压力”曲线。

图2中左侧为开启波形，右侧为关闭波形。可以看出，最后开启阶段，缓冲行程为46.95 mm，时间约为26.14 s，可以计算出此时接力器的动作速度约为1.8 mm/s。需要指出的是，6#球阀接力器在流量没调整之前(未钻孔)是看不出压力及行程异常的。图3为节流孔板未钻孔前(φ10 mm)时现场录制的接力器开启“行程-压力”曲线。

图2 行程-压力曲线图(缓冲异常)

图3 行程-压力曲线图(节流孔板未钻孔前)

从图3中可以看出，6#接力器之前的开启时间为111.4 s，全行程为1 921 mm，从曲线上看接力器动作速度比较均匀，可以粗略计算出当时接力器的平均动作速度约为17.24 mm/s，也就是说接力器流量增大后，缓冲区1.8 mm/s的速度是小于流量调节前的平均速度。但是这个缓冲现象并未在小流量时表现出来，可以认为是在流量增大后才出现了异常，并不是之前有异常而未被发现，节流孔板扩孔后，6#球阀在额定压力下的关闭正常，时间为52 s左右，其中缓冲时间约为2 s，关闭时间已符合要求，也就是说扩孔尺寸是正确的。

10月23日下午，通过调整接力器换向阀，已经将开启时间调整至62 s，其中缓冲时间为16 s，但是压力异常的情况依然存在。11.25 MPa的瞬间压力对于接力器是破坏性的(接力器设计压力为7.5 MPa，强度耐压试验压力为设计压力的1.5倍[2])，所以并未再多次试验。

通过对球阀开启、关闭的过程分析，缓冲异常的现象具有极高的可重复性，即每次都发生在开启末端约47 mm行程，且关闭时并未发现此问题，按照现场经验，考虑为球阀接力器结构问题。

现场将接力器与球阀转臂分解后，使接力器固定在竖直状态。油压操作接力器开启、关闭后发现依然出现开启缓冲异常问题，排除球阀本体碰撞或刮研，确定为接力器缓冲区结构导致。缓冲区结构如图4所示。

图4 接力器开启腔缓冲区结构

图4中项20为接力器开启腔缓冲环，通过查找图纸，缓冲环内孔尺寸为φ286.2H8 mm，进入缓冲区的活塞杆尺寸为φ286f8 mm，活塞杆与缓冲环为基孔制的间隙配合，间隙最大为单边0.21 mm，间隙最小为单边0.13 mm，从数值上来看，此间隙值与其他抽水蓄能电站情况类似。

将接力器活塞缸分解后，对活塞杆及缓冲环尺寸进行了反复测量，数据均在设计公差允许范围内。后经设计核算，确定接力器缓冲区间隙在设计计算过程中代入公式错误，导致缓冲区设计间隙过小，从而影响缓冲回油，节流孔板扩孔后，接力器油流量增大，将缓冲效果“无限放大”，进一步造成接力器进入缓冲区后回油不畅，动作缓慢，压力升高。

5 处理方法

通过重新计算， 确定将接力器开启缓冲环内孔重新加工，由之前的φ286.2H8 mm扩大至φ286.9H8 mm，加工过程中保证缓冲环其他加工参数满足设计要求，回装后重新进行试验，波形见图5。

从图5中可以看出，总开启时间为46.32 s，其中缓冲时间为1.58 s，并未出现缓冲过慢问题，开启腔压力由开启过程中的0.87 MPa升至缓冲阶段的3.39 MPa，最后压力峰值为6.62 MPa且最终稳定在5.67 MPa。关闭腔压力由开启过程中0.65 MPa升至缓冲阶段的3.62 MPa，最后压力峰值为7.5 MPa且最终趋近于0。缓冲阶段的关闭腔压力相比之前试验没有出现较大峰值。

图5 行程-压力曲线图(缓冲环内孔重加工后)

6 结语

(1) 溧阳抽水蓄能电站主进水球阀采用单接力器单转臂的结构形式，相比于双接力器球阀，虽然在结构上有所简化，但增加了接力器受力等参数的计算过程，是造成该接力器缓冲区间隙计算错误的原因之一。

(2) 建议将接力器设计成缓冲时间可调的结构，即将缓冲间隙设计得更大一些，在缓冲区设置回油管，在管路上安装流量调节阀。利用阀门来调节缓冲时间，但增加了管路和阀门的同时，也就意味着增加了出现问题的风险性，应酌情考虑。

(3) 目前溧阳电站前3台球阀无水调试已全部完成，远方、现地动作正常，信号正确，开启及关闭时间均在50±5 s范围内，满足机组的开机及工况转换的时间要求。