抽蓄电站工作密封新型机械液压保护装置

郭 鹏，秦 俊

（国网新源控股有限公司抽水蓄能技术经济研究院，北京 100761）

0 引言

在构建以新能源为主体的新型电力系统中，新能源大规模高比例接入电力系统，导致电力系统“双高双峰”特征日益凸显，抽水蓄能电站集源、荷、储多种“技能”于一身，是电力系统的“调节器”和“平衡器”，是保障电力系统安全稳定经济运行的有力武器。抽水蓄能电站地下厂房位于上、下水库水面以下几十米至几百米，通过输水系统上接上水库，下联下水库，其中主进水阀是截断上库水流确保地下厂房安全防止水淹厂房的核心设备，工作密封是确保上水库几百米压力与下游设备可靠隔离的关键部件[1,2]。

作为抽水蓄能电站地下厂房最重要的安全设备，主进水阀的安全性极为重要[3,4]。为了确保水淹厂房、控制电源丢失、主进水阀可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）失去控制等极端条件下主进水阀也能安全关闭，抽水蓄能电站主进水阀控制设计了仅仅依靠机械液压回路的失电控制回路，能够由机械液压回路直接动作自动关闭主进水阀活门，并自动投入工作密封的功能。然而在主进水阀关闭末期，固定在主进水阀拐臂上的楔形臂与主进水阀全关感应行程阀之间存在机械配合问题，导致主进水阀活门关闭末期仍在关闭过程期间工作密封提前自动投入，存在工作密封动密封环与固定在主进水阀活门上的固定密封环发生刮擦损坏的重大难点问题。

本文主要针对抽水蓄能电站主进水阀失电关闭过程中工作密封过早投入的重大难点问题，通过优化主进水阀全关反馈控制油回路，增设控制油油压缓冲器（蓄能器）装置，可彻底解决主进水阀接力器关闭活门过程末期工作密封过早投入导致的工作密封破坏。

1 工作密封机械液压保护装置现状

目前国内抽水蓄能电站主进水阀大部分为球阀型式，球阀一般应为横轴双面密封阀；工作密封是抽水蓄能电站球阀截断水流的主要工作部件之一，位于球阀下游侧，工作密封本体包括动密封环和固定密封环。NB/T 35004-2013水力发电厂自动化设计技术规范中3.3.8规定：球阀的正常启闭应采用液压操作，当控制电源消失时可紧急关阀[5]。抽水蓄能电站机组及其附属设备采购项目第三册通用技术规范第2章水泵水轮机及其附属设备第0204节2.6.2控制要求（3）进水阀的控制回路应由直流和交流双回路供电，进水阀系统应该既有在电源正常的情况下“得电关闭”的液压控制回路，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，实现进水阀的“得电关闭”和“失电关闭”双回路冗余控制，以保证安全。根据上述要求，球阀失电关闭回路，理论上除了关闭活门以外，工作密封也应在失电情况下自动投入。

1.1 工作密封失电自动投入应用技术

球阀通过机械液压控制系统中的失电检测电磁阀实现球阀活门失电关闭和工作密封失电自动投入，达到截断水流的目的。国内某抽水蓄能电站在失电情况球阀活门全关与工作密封投入的过程如图1所示，球阀全关允许工作密封投入的闭锁设计如图2所示。

图1 主进水阀全关反馈油管路示意图

图2 主进水阀全关允许工作密封投入闭锁配合示意图

如图1所示，球阀处于开启状态时，工作密封退出（上游退出腔有水压、下游投入腔无水压），球阀活门全开，此时工作密封控制阀处于平行位，工作密封失电检测电磁阀线圈带电，球阀全关与工作密封压力水源供水闭锁阀左侧有油压；球阀全关允许工作密封投入行程阀（以下简称行程阀）阀杆处于伸出状态，此状态将禁止工作密封在球阀未全关的条件下投入，如图3所示。

图3 主进水阀全开时行程阀伸出状态不允许工作密封投入示意图

当球阀正常关闭，依靠顺控流程控制时，待球阀接力器全关不再动作后，再投入工作密封，此时不会发生工作密封破坏；当球阀失电关闭时，此时工作密封在液压系统控制下自动投入，不受顺控流程控制，存在球阀接力器关闭末期还在运动过程中，工作密封提前投入造成损坏的潜在重大难点问题。如图1所示，球阀失电停机电磁阀和工作密封失电电磁阀同时失电的控制过程描述如下：

（1）球阀在失电停机电磁阀的作用下动作，接力器动作关闭球阀活门；

（2）工作密封失电检测电磁阀线圈失电，弹簧作用，导致工作密封失电检测电磁阀变位至弹簧侧；

（3）工作密封控制阀处于平行位右侧有油压的管路通过工作密封失电检测电磁阀弹簧侧通路接至球阀全关允许工作密封投入行程阀上部；

（4）球阀全关与工作密封压力水源供水闭锁阀左侧有油压部分也接至球阀全关允许工作密封投入行程阀上部；

（5）球阀失电动作通过接力器关闭球阀活门过程的末期，当固定在球阀拐臂上的楔形臂压住球阀全关感应行程阀后，由于行程杆的动作将导致行程阀变位（由平行位变为交叉位），此时球阀全关允许工作密封投入行程阀上部油压将通过交叉位泄压，如图2所示；

（6）工作密封控制阀处于平行位右侧有油压的管路最终通过行程阀泄压，因此工作密封控制阀将在弹簧的作用下由平行位变为交叉位；

（7）球阀全关与工作密封压力水源供水闭锁阀左侧有油压管路最终通过行程阀泄压，因此压力水源供水闭锁阀将在弹簧的作用下变位至弹簧侧；

（8）工作密封上游退出侧压力水将通过工作密封控制阀交叉位泄压；

（9）工作密封下游投入侧将通过工作密封控制阀交叉位从球阀全关与工作密封压力水源供水闭锁阀弹簧侧的变位从压力水源供水闭锁阀下部获得压力钢管过来的压力水，从而投入工作密封。

1.2 现应用技术缺陷

在控制电源丢失情况下，球阀工作密封投入和球阀活门关闭的PLC控制逻辑失效，其先后时序只能由固定在进水阀接力器臂柄上的楔形臂与行程阀之间的机械配合来控制，如图4（a）和（b）所示。当球阀接力器由全开位移动至接力器全关位时，行程阀的行程杆会与接力器臂柄上的楔形臂接触，行程杆会先后经历预动作行程（1.75 mm）、换向行程 （4 mm）及过行程阶段（2 mm）。行程阀的行程杆有7 mm的行程，实际行程杆大约动作5 mm左右就会导致行程阀由平行位切换至交叉位。当球阀活门即将完全关闭时，行程阀开始与楔形臂发生接触，行程阀的行程杆在上方凸轮与楔形臂的接触作用下开始向下动作。工作密封提前投入时进水阀活门尚未完全关闭，还有约3%的剩余开度，因此造成了工作密封的动密封环与固定在进水阀活门上的固定密封环发生刮擦并损伤工作密封的后果。

图4 楔形臂与行程阀局部示意图

不造成工作密封破坏的理想情况应当是当球阀活门完全关闭的瞬间，行程杆在楔形臂和凸轮的作用下恰好向下动作5 mm，行程阀由平行位切换至交叉位，进而触发工作密封投入流程。然而实际情况下，由于楔形臂和行程阀之间的安装存在一定误差，无法保证球阀活门完全关闭的瞬间行程阀恰好完成内部工位切换；并且为保证失电情况下工作密封能够切实投入，安装工人在调整楔形臂和行程阀之间的位置时会刻意使行程阀的动作时间点略微超过进水阀活门完全关闭的时间点，即在活门完全关闭前行程阀的行程杆便已动作5 mm，行程阀由平行位切换至交叉位，这将导致在活门完全关闭前工作密封便开始投入，极大地增加了工作密封在投入过程中与固定在进水阀活门上的固定密封环发生刮擦进而引发工作密封损坏的风险。即上述步骤中第5步由于行程阀的提前动作，导致后续不可控的第6步到第9步也提前动作，从而导致工作密封提前投入造成破坏。

2 工作密封机械液压保护装置改进措施

针对抽水蓄能电站球阀机械液压失电控制回路存在缺陷的现状，主要解决思路是推迟行程阀变位导致的控制油压泄压时间，以保证球阀接力器全关到底不动后活门也不动作，此时再自动投入工作密封，从而避免工作密封的破坏。

改进措施是在球阀全关允许工作密封投入反馈控制油回路增设控制油油压缓冲器（蓄能器）装置，蓄能器以石油基液压油和氮气为工作介质，如图5所示，实现控制油回路中控制油泄压的8~10 s延时控制，弥补接力器拐臂上的楔形臂与进水阀全关感应行程阀之间机械配合的不足，可以有效避免球阀失电关闭过程中关闭末期工作密封提前投入导致的进水阀工作密封破坏的情况。

图5 改进后的主进水阀全关反馈油管路示意图

蓄能器作为球阀全关反馈油管路的重要组成部分，以石油基液压油和氮气为工作介质，安装在球阀全关反馈油管路，主要原理就是利用波义耳定律，即在定量定温下，理想气体的体积与气体的压强成反比[6]。蓄能器胶囊中氮气气体具有压缩性，如图6所示，通过液压油来压缩胶囊实现储能工作。开始的时候将预定压力（3.5 MPa）的氮气气体充到蓄能器中的气密隔离件的胶囊内，而胶囊的周围则是液压油，该液压油与球阀全关反馈油管路相通。当球阀全关允许工作密封投入控制油回路中压力升高时，控制油进入蓄能器并压缩胶囊内部的氮气气体从而储存能量；当球阀全关允许工作密封投入控制油回路中压力下降至3.5 MPa以下时，压缩的氮气气体开始膨胀，使得控制油流向球阀全关反馈油管路从而释放能量。

图6 控制油油压缓冲器（蓄能器）装置

蓄能器内的控制油排入球阀全关反馈油管路中，为球阀全关反馈油管路中的控制油提供临时的油压补充，实现球阀全关反馈油管路中油压的延时释放，使得控制油没有完全通过球阀全关感应行程阀交叉位回流至回油箱，从而避免球阀全关反馈油管路发生快速瞬时泄压；这样，在蓄能器的延时泄压作用下，能够保证当球阀活门完全关闭时，工作密封自动投入，避免工作密封提前投入而造成损坏。

3 结语

在主进水阀控制油路上增设蓄能器装置，并于蓄能器中预先充入预定压力的惰性气体；在失电状态下，通过主进水阀控制油路和工作密封控制水路对主进水阀和工作密封的配合控制，以及蓄能器对主进水阀控制油路的延时泄压作用，能够实现控制油回路中控制油泄压的8～10 s延时控制，弥补接力器拐臂上的楔形臂与主进水阀全关感应行程阀之间机械配合的不足，可以有效避免主进水阀失电关闭过程中关闭末期工作密封提前投入导致的进水阀工作密封破坏的情况。该改进措施有力支撑我国抽水蓄能电站工程建设和运行，社会安全经济效益巨大，推广应用前景广阔。