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瓦屋山水电站_2_5m球形阀的设计

    瓦屋山水电站位于四川省眉山市洪雅县瓦屋山镇,距洪雅县城约88km。该电站是周公河干流七级开发的第一级,也是龙头水库电站,具有多年调节性能,承担调峰的混合式开发的中型电站工程。额定水头为253m,装机容量2x130MW。每台水轮机蜗壳前设置一台Ø2.5m球形阀,作为水轮机的事故保护和检修调节阀
    瓦屋山水电站水轮发电机组及辅助设备是我公司在2003年11月22日与四川瓦屋山电力实业有限公司签订的产品供需合同,我公司向四川瓦屋山水电站提供2套130MW水轮发电机组,并配备2套Ø2.5m球形阀设备。本球形阀是水轮机进水阀,安装在引水管下游端的电站厂房内,水平中心线高程为EL769m,球形阀垂直中心线位于机组中心线的上游侧10m。见图1。
    为了降低球形阀总体重量,使球形阀结构及性能达到国内外先进水平,我们对一些重要部件结构进行多方案对比分析,在满足球形阀安全可靠运行的前提下,设计出了体积小、重量轻、符合该电站水轮机要求的Ø2.5m球形阀。设计是从2003年12月开始,于2004年6月25日完成图纸施工设计。分别于2004年2月18日和2004年6月24日在我公司召开了球形阀的设计审查及联络会。瓦屋山2x130MW混流式水轮发电机组及Ø2.5m球形阀分别于2008年1月21日和月日投人商业运行,机组及球形阀运行很好,深受用户好评。

    1 水轮机及球形阀的性能参数
    (1)水轮机的性能参数
    水轮机型号一一HLD358B-LJ-315
    额定出力      133.33MW
    额定转速      333.3r/min
    (2)球形阀的性能参数
    球形阀型号一一               QF301-WY-250
    球形阀名义直径               D2500mm
    水压试验压力                 5.51MPa
    球形阀额定流量               Q57.77m3/s
    球形阀最大工作水头            Hmax 301m
    球形阀承受的最大升压水头      H‘391m
    接力器直径                   Dc   Ø700mm
    接力器行程                   S1540mm
    球形阀开启时间               t  100~150s(可调)         
    球形阀动水关闭时间           t   100一150s(可调)
    接力器操作油压               p5.8~6.8MPa
    球形阀的最大漏水量(初装)   q0.05L/min
    2 球形阀的工作原理
    当球形阀要开启时,首先解除检修密封处的套周圈均布的沿水流方向锁锭检修密封的锁锭,然后在检修密封的开启腔通人压力油,使检修密封处于开启状态,上游检修密封的行程开关的信号显示开启,在此状况下,在下游工作密封的开启腔通人压力油,使工作密封处于开启状态,且下游工作密封的行程开关的信号显示开启,这样,水流就通过上游检修密封处的周圈间隙与下游工作密封的周圈间隙向蜗壳内充水当活门前后压力趋于平衡,控制球形阀的压力传感器和压力开关的显示达到设定值时,接力器转动活门由全关旋转到全开,球形阀开启过程结束。当球形阀要关闭时,首先,接力器转动活门由全开旋转到全关,然后,在下游工作密封的关闭腔通人压力油,使工作密封处于关闭状态,且下游工作密封的行程开关的信号显示关闭,水流被全部截断,球形阀关闭过程结束。一般情况下,上游检修密封始终处于开启位置,只有当机组检修或球形阀更换工作密封时,关闭球形阀检修密封,并投人检修密封的机械锁锭。长时间停机或机组发生事故而导水机构不能关闭时,关闭球形阀工作密封。值得一提的是球形阀工作密封是要经常被操作、动作的,而检修密封是很少动作的。另外,在引水钢管充满水的情况下,球形阀活门要么处于关闭,要么处于开启,不允许停留在其它位置做调节流量用。
    球形阀的操作
    (1) 球形阀能在阀室或中控室以一个电器脉冲按规定程序自动地操作。操作时可以手动,亦可用开、停机继电器。
    (2) 一台球形阀用一套HYZ一6一6.3型油压设备,其操作油源的额定压力为5.8~6.3MPa。球形阀的开启、关闭是通过油压操作接力器来实现的。因此,当失去厂用电源,在油压设备的主、备油泵都不供油的情况下,仍能安全地动水关闭球形阀。
    (3) 油压设备备用油泵投人,油压急剧下降及储油箱油面不正常时,都可以发出警报信号。
    3 球形阀结构设计特点及采用的新结构
    球形阀本体由分半的前阀体、后阀体、活门、自一一润滑轴承及检修密封、工作密封、Ø700币摇摆式接力器等零部件组成。附属设备有上游连接管、下游伸缩节、作排气和补气用的Ø200空气阀以及用于球形阀控制的水系统、油系统及自动化元件,球形阀控制系统的油压设备系统。见图2。

    本球形阀为横轴型,活门中间流道直径与上、下游引水管直径相同,具有全开时阻力损失极小(可忽略不计),全关时密封性能好的优点,是一种新型的水电站机电技术第卷双密封环球形阀。
    (1)球形阀主密封
    球形阀的检修密封及工作密封采用相同的不锈钢活塞式密封环,使其阀体的进口、出口加工尺寸完全相同,为制造加工带来了极大的方便。阀体采用偏离轴孔斜分半整铸结构,使阀体分半面周圈密封加工方便,密封效果好,阀体分半面螺栓分布均匀,受力好,避免了沿阀体轴孔中心线垂直分半所造成的轴孔两侧螺栓跨距大,把合力不足,合缝面错牙漏水现象。阀体偏离轴孔斜分半结构是我公司研发的球形阀新结构。分别在渔子溪Ø1.6m球形阀改造项目上和卡杜里Ølm球形阀,高桥Ølm球形阀,小天都Ø1.6m球形阀和华光潭Ø1.75m球形阀上使用。上、下密封环采用改进后的国内较先进的密封环结构,消除了原来的止漏环受力不好而产生歪斜发卡的现象。前、后阀体密封环滑动处均堆焊有不锈钢层,以防止运转中产生锈蚀发卡和磨损橡胶密封圈。阀体的二轴孔是通过轴瓦承受旋转部分重量以及作用在活门上的水压力。
    (2)取消旁通阀及球形阀轴心充、排水阀
    原招标书是要求设旁通阀的,在签技术协议时,我们说通了用户,同意取消旁通阀。由于球形阀上、下游密封均采用密封环结构,因此,原来球形阀采用密封盖所用的向球阀轴心充水和排水液压阀及检修液压阀而设置的闸阀和管路自然取消。同时,利用球形阀下游密封环开启间隙向蜗壳充水的流量,超过Ø250mm。液压阀充水的流量,所以,向蜗壳充水的液压阀及为检修液压阀而设置的闸阀和管路也同时取消。
    (3)活门及封水环
    活门采用阀轴与整铸活门焊接为一体的结构,阀轴与整铸活门焊接为一体的结构也是我公司研发出的新结构,在渔子溪Ø1.6m球形阀和华光潭Ø1.75球形阀上使用过。活门上、下游处加工有把合封水环的螺孔和止口,以便于封水环套上后把紧、定位,更换封水环也不用拆卸球形阀阀体,封水环加工成变截面的,上游封水环垂直于阀轴中心线的中心位置最厚,靠两端阀轴逐步变薄。下游封水环垂直于阀轴中心线的中心位置最薄,靠两端阀轴逐步变厚。这也是我公司研发的新结构。封水环把合在活门上,靠水压力使活门变形,封水环变平,与阀体上的密封环紧密接触,达到止漏目的。封水环损坏后,在不解体球形阀的情况下更换封水环。同时在制造中,封水环、密封环可单独加工,为加工带来方便。活门两轴颈与轴瓦及密封接触面为红套并焊固的不锈钢套,以防活门轴锈蚀,磨损轴瓦。
    球形阀活门只能处于全开或全关位置,不得停留在任何中间位置作调节流量用。
    (4)密封环位置显示装置
    密封环为铸造不锈钢,在球形阀上、下游导环与阀体之间往复滑动,且带有专业密封件厂家制造的组合密封圈。这种组合密封圈密封性能好,使用寿命长。密封环在球形阀上不是处于全关位置就是处于全开位置,且行程为10mm。在球形阀上、下游密封环上分别设置了位置行程开关,由电路接至中控室,以显示密封环处在全关或全开位置信号,便于准确地操作接力器开、关球形阀活门。
    (5) 取消止漏盖及其附属零件
    由于采用密封环代替止漏盖,密封环比止漏盖轻得多,大大节约了原材料及碟簧等零件,使加工简便了,结构简单化了。
    (6)操作机构接力器大大简化
    接力器的直径为Ø700mm,行程为1540mm。接力器的活塞杆通过臂柄与活门轴相连接。接力器的下端盖与支座之间用销轴铰链连接,能自由摆动。油压设备的额定油压为。5.8~6.3MPa
    球形阀采用油压操作接力器开启、关闭。上游检修密封的圆周上设有3个手动机械锁锭,在检修机组时,除关闭球形阀检修密封外,用手动机械锁锭锁住,另外,还需关闭操作接力器开启腔管路上的截止阀,以保证机组在检修时的绝对安全。
    1) 取消金属铰链配油结构,采用金属软管结构,使接力器结构简化。加工工作量减少。
    2) 接力器活塞杆密封采用专业密封件厂家的密封件,代替多层V型橡胶密封或石棉盘根密封,使密封性能提高。
    3) 接力器活塞杆杆体部分镀硬路,使活塞杆不至于生锈磨坏密封圈。
    4) 接力器活塞密封采用2道孔用方形圈密封,替代原来的活塞环密封,这种组合密封的密封压力高,密封压力为0~40MPa,经久耐用。而活塞环加工工序多,废品率高,且工作时窜油量大,使油压设备的油泵启动频繁,能耗大。
    (7) 采用烧结自润滑轴瓦
    轴承及其密封装置由烧结自润滑瓦、钢套、轴用回转方形密封圈、压垫盖等零部件组成。两端轴之间用回转方形密封圈,该密封圈为专业密封件厂家的产品,用以密封通过轴瓦而来的压力水。球形阀活门轴瓦采用最新研制的烧结自润滑轴瓦,以代替钢背复合材料轴瓦和铸锡青铜轴瓦,降低轴瓦造价,同时不需黄甘油润滑,可取消铜瓦的注油杯,使加工方便,结构简单,同时,该种轴瓦的摩擦系数小,提高了操作力矩的安全裕度。
    (8)球形阀上、下游密封环采用油操作
    在球形阀上游检修密封处于全开位置时,应首先开启工作密封,向蜗壳内充水,当活门前、后水压趋于平衡后(前、后压差不大于30%),球形阀即能平稳开启。
    由于电站水质差,用水操作需滤水器,且至今电站用的滤水器均不好用,所以采用油操作,从而可节省双向滤水器,使操作更可靠、安全。为了不使密封环腔内含有水分的油回到油压设备中去,污染油源,锈蚀自动化元件,故将密封环内的排油另接至用户自备的废油箱内。
    (9) 取消球形阀的集油装置
    由于球形阀的设计与自动控制设计无漏油接口,因此,取消了球形阀的集油装置。
    (10) 空气阀
    空气阀名义直径为Ø200mm,装在球形阀伸缩管的顶部。当蜗壳放水时,它就自动打开。当蜗壳充水时,其内部的空气通过空气阀排入大气中。当球形阀动水关闭时,空气阀向蜗壳及伸缩管补人空气,以免产生真空而丧失稳定性。
    (11)伸缩节
    伸缩节装于球形阀后,与球形阀阀体法兰和蜗壳法兰连接。伸缩节既可补偿管道的温度变形,又便于检修球阀的工作密封和整体吊装球阀。
    (12) 上游连接管
    上游连接管装于球形阀前,与球形阀阀体法兰连接。另一端与上游引水管在工地焊接,焊缝进行射线探伤检查。
    4 运输
    由于瓦屋山Ø2.5m球形阀为目前国内自行设计的尺寸最大的球形阀设备,而电站所处位置又在山区,设备运往工地经过几十座桥梁与山路,运输尺寸及运输重量受到限制。因此,球形阀本体分作3大件(前阀体、后阀体、活门)发运。运到工地后,重新组装、重新试验,合格后才移交给业主。
    5 电站试验
    球形阀安装后,进行了无水操作试验、油与水管路打压试验、有水操作试验等一系列机组运行前的试验。机组运行后,由业主方主持,有各方代表参加,在制造厂代表指导下进行动水关闭操作试验。球形阀的动水关闭操作试验对球形阀来说是一种工况最恶劣环境的试验,一般业主不愿意作此试验,因而在我国做了球形阀动水关闭操作试验的水电站并不多,今后应该会多一些,而对制造厂家来讲,提供的球形阀设备应该具备此功能。
    6 球形阀运行情况
    瓦屋山1号机球形阀于2008年1月21日投入商业运行、2号机球形阀于2008年2月4日投人商业运行以来,已运行了两个多月了,总体运行良好,深受用户好评。球形阀正常开、关时间为120s整定油压为5.8MPa;Ø200空气阀补、排气正常;Ø700接力器操作容量足够,能自如地转动球形阀,包括动水关闭球形阀。在运行初期,有一次误操作,机组被突然甩负荷,球形阀立即动水关闭,截断了水流,使机组安全停机,保护了机组免受逸速损坏。在3月上、中旬, 1号、2号机停机进行消缺处理,两台球形阀是无缺可消,用户对设计质量和运行质量很满意。
    7 结语
    球形阀作为机组的进水阀门,对机组的事故保护和对机组的检修起着至关重要的作用,球形;阀运行性能的好坏,直接影响电厂的经济效益和社会效益,因此,电站对球形阀的结构性能要求也越来越高。像瓦屋山水电站这种特大型球形阀在设计、制造中,都有非常大的难度,既要考虑球形阀的强度、刚度、变形、密封性能,又要考虑铸件、锻件、加工件厂家的设备能力,以及运输条件。瓦屋山水电站球形阀的成功设计制造及顺利投运,为今后的设计制造工作积累了宝贵的经验。
    参考文献
    〔1〕林洪德十三陵电站Ø1.75m球形阎祈技术〔J〕.东方电机,1996,(2):76~81。
    〔2〕林洪德.龙潭电站球形阅结构设计中的新技术〔J〕.东方电机,1997,(2):61~66,60。
    〔3〕林洪德.渔子涣电站Ø1.6m公球形间改造〔J〕.东方电机,2004,(1)77~82。