新型球閥在耿達水電站中的應用

1、概述

　　耿達水電站位于四川省阿壩州汶川縣及臥龍特別行政區耿達鄉境內的岷江上游支流漁子溪河上，是該河流上第二座梯級電站。電站設計水頭283m，最高水頭302.2m，最低水頭255.7m，設計最大引用流量69.3m3/s，電站共裝有4臺單機容量為40MW的高水頭混流式水輪發(fā)電機組，每臺水輪機前端裝有一臺φ1.6m的球形閥。電站的引水流程為：大壩取水———壓力隧洞———調壓井———壓力鋼管———四臺機組———尾水———排入漁子溪河。電站由原水利電力部成都勘測設計院設計，原中國水利水電第十工程局施工。電站始建于1982年3月，1986年3月開(kāi)始下閘蓄水，1986年5月第一臺機組發(fā)電，1988年6月全部建成。

2、舊球形閥運行中存在的主要問(wèn)題

2.1、活門(mén)軸端漏水

　　球形閥經(jīng)過(guò)較長(cháng)時(shí)間運行后，活門(mén)兩端轉軸與軸套間由于摩擦磨損會(huì )形成相對的橢圓，U型橡皮密封的性能隨之下降，水即會(huì )從軸端處漏出，沖刷損壞軸端密封圈，造成軸端漏水;而要處理漏水只有全站停機停水，放空壓力鋼管內的積水后方能進(jìn)行。造成這種現象的主要原因是閥體組合縫正處在軸端的中央，閥體沿活門(mén)軸孔中心線(xiàn)分半，造成軸孔兩側螺栓孔跨距大、把合力不足引起的。這種設備固有的結構缺陷導致的合縫面漏水給檢修帶來(lái)了極大的麻煩，給電站的安全運行帶來(lái)了隱患，給電站的經(jīng)濟效益帶來(lái)了巨大的損失。

2.2、移動(dòng)密封環(huán)行程指示桿漏油

　　球形閥在運行過(guò)程中會(huì )經(jīng)常動(dòng)作移動(dòng)密封環(huán)，特別是工作密封移動(dòng)環(huán)，在每次球形閥開(kāi)關(guān)過(guò)程中都會(huì )動(dòng)作一次，從而帶動(dòng)安裝在移動(dòng)密封環(huán)上的行程指示桿就會(huì )動(dòng)作一次。雖然行程指示桿使用了兩道O型橡膠密封，但由于是動(dòng)密封，球形閥經(jīng)較長(cháng)時(shí)間運行后，行程指示桿密封就會(huì )因性能下降而漏油，進(jìn)而造成壓油裝置油料損失，給電站經(jīng)濟運行帶來(lái)影響。行程指示桿密封裝置見(jiàn)圖1。

圖1 行程指示桿密封裝置圖

2.3、密封環(huán)漏水大

　　由于電站水頭高且所處河段屬山區河流，河水中泥沙含量大，球形閥在運行過(guò)程中密封環(huán)止水面常會(huì )因關(guān)閉不嚴而漏水，引起密封環(huán)汽蝕磨損，從而加速密封環(huán)的損壞，造成密封環(huán)漏水過(guò)大，進(jìn)而影響機組大修和正常的安全運行。

　　鑒于以上種種原因，結合“5.12”震后恢復生產(chǎn)，我廠(chǎng)決定對耿達水電站球形閥進(jìn)行改造，重點(diǎn)對球形閥的結構進(jìn)行了重新設計，使其滿(mǎn)足電站安全生產(chǎn)的需要。

3、新球形閥的基本參數(表1)

表1 新球形閥基本參數表

4、新球形閥的工作原理

　　當球形閥要開(kāi)啟時(shí)，首先解除檢修密封處的鎖錠，然后在檢修密封的開(kāi)啟腔通入壓力油，使檢修密封處于開(kāi)啟狀態(tài)，且上游檢修密封的行程開(kāi)關(guān)的信號顯示開(kāi)啟，在此狀況下，先后打開(kāi)旁通管手動(dòng)閥和液壓閥，向蝸殼內充水，一定延時(shí)后，在下游工作密封的開(kāi)啟腔通入壓力油，使工作密封處于開(kāi)啟狀態(tài)，且下游工作密封的行程開(kāi)關(guān)的信號顯示開(kāi)啟，當活門(mén)前后壓力趨于平衡，控制球形閥的壓力傳感器和壓力開(kāi)關(guān)的顯示達到設定值時(shí)，接力器轉動(dòng)活門(mén)由全關(guān)旋轉到全開(kāi)，接著(zhù)關(guān)閉旁通管液壓閥，球形閥開(kāi)啟過(guò)程結束。

　　當球形閥要關(guān)閉時(shí)，首先打開(kāi)旁通管液壓閥，接力器轉動(dòng)活門(mén)由全開(kāi)旋轉到全關(guān)，然后在下游工作密封的關(guān)閉腔通入壓力油，使工作密封處于關(guān)閉狀態(tài)，且下游工作密封的行程開(kāi)關(guān)的信號顯示關(guān)閉，最后關(guān)閉旁通管液壓閥，水流被全部截斷，球形閥關(guān)閉過(guò)程結束。

　　一般情況下，上游檢修密封始終處于開(kāi)啟位置，只有當機組檢修或球形閥更換工作密封時(shí)才關(guān)閉球形閥檢修密封并投入檢修密封的機械鎖錠。正常停機或機組發(fā)生事故時(shí)，在關(guān)閉導水機構的同時(shí)，還需關(guān)閉球形閥工作密封。值得一提的是球形閥工作密封是要經(jīng)常被操作、動(dòng)作的，而檢修密封是很少動(dòng)作的。另外，在引水鋼管充滿(mǎn)水的情況下，球形閥活門(mén)或處于關(guān)閉，或處于開(kāi)啟，不允許停留在其它位置做調節流量用。

5、新球形閥的結構特點(diǎn)

　　(1)球形閥本體由分半的前閥體、后閥體、活門(mén)、自潤滑軸承及檢修密封、工作密封等零部件組成，附屬設備有旁通閥、空氣閥、部分管路和部分自動(dòng)化元件等。

　　(2)新球形閥為橫軸型，活門(mén)中間流道直徑與上、下游引水管直徑相同，具有全開(kāi)時(shí)阻力損失小(可忽略不計)、全關(guān)時(shí)密封性能好的優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的雙密封環(huán)球形閥，能在機組事故且導水機構不能關(guān)閉時(shí)實(shí)現動(dòng)水關(guān)閉球形閥。

　　(3)閥體采用偏離軸孔斜分半整鑄結構，分半面與水流方向成51°夾角，其優(yōu)點(diǎn)是閥體分半面為整圓，便于密封，同時(shí)使分半面螺栓分布均勻，受力好，避免了沿閥體軸孔中心線(xiàn)垂直分半所造成軸孔兩側螺栓跨距大，把合力不足，合縫錯牙漏水現象。閥體兩側各有一個(gè)水平軸承座用于支撐閥軸和活門(mén)。閥體帶有連接上游側壓力鋼管和下游側可拆卸伸縮節的法蘭，閥體、軸承座、上游側法蘭能承受在球形閥截斷水流時(shí)水流作用在活門(mén)和閥體上的最大水推力。閥體兩側均設有整體的支撐底座，按傳遞球形閥全部垂直荷載設計。設計允許球形閥沿壓力鋼管軸線(xiàn)方向相對于基礎板有微小位移，因此基礎板與球形閥支撐底座接觸面需加工光滑，且該位移不會(huì )損壞或擦傷地腳螺栓、螺母。閥體頂部設置一個(gè)排氣孔，用于充水時(shí)排除閥體頂部的空氣，底部設置排污閥，用于檢修時(shí)排掉積水和沉積的泥沙。

　　(4)活門(mén)采用鑄鋼整體制造，具有很好的剛強度�；铋T(mén)兩軸身覆蓋有不銹鋼襯套，以增加活門(mén)軸抗磨蝕能力，進(jìn)而保護軸承及其密封。

　　(5)主密封為雙面金屬密封，分為上游側檢修密封與下游側工作密封，均為可拆卸式結構。主密封包括高強度不銹鋼移動(dòng)密封環(huán)和不銹鋼固定密封座，移動(dòng)密封環(huán)位于閥體與過(guò)渡法蘭間的密封腔內，可根據需要控制其前后移動(dòng);固定密封環(huán)用不銹鋼螺栓把合在活門(mén)上，當活門(mén)到達全關(guān)位置后，移動(dòng)密封環(huán)滑動(dòng)并壓緊固定密封座，起到密封作用;在活門(mén)開(kāi)啟前移動(dòng)密封環(huán)離開(kāi)固定密封座，解除密封。閥體和過(guò)渡法蘭上的密封環(huán)導向面采用不銹鋼護襯。移動(dòng)密封環(huán)上的密封采用進(jìn)口的D型密封圈，密封圈密封面中含有潤滑材料，在保證密封的同時(shí)使密封圈有較長(cháng)的壽命。移動(dòng)密封環(huán)均由取自操作系統的壓力油進(jìn)行操作，下游工作密封由球形閥控制系統自動(dòng)控制操作上游檢修密封采用手動(dòng)控制操作，并設有手動(dòng)鎖錠桿，可以在工作密封檢修時(shí)將檢修密封鎖錠在全關(guān)位置。工作密封和檢修密封均設有移動(dòng)密封環(huán)位置指示信號裝置，其信號通過(guò)電纜線(xiàn)接至球形閥的控制系統。球形閥主密封結構見(jiàn)圖2。

圖2 球形閥主密封及接近開(kāi)關(guān)傳感器示意圖

　　(6)密封環(huán)位置信號裝置電信號器采用進(jìn)口產(chǎn)品接近開(kāi)關(guān)傳感器。為了保證密封環(huán)動(dòng)作的可靠性，在密封環(huán)圓周上均布了四個(gè)電信號器，只有當密封環(huán)在退出位置時(shí)四個(gè)點(diǎn)全部接通才發(fā)出電氣信號給控制系統。在信號未發(fā)出之前，活門(mén)禁止轉動(dòng)。接近開(kāi)關(guān)傳感器結構見(jiàn)圖2。

　　(7)球形閥軸承采用德國進(jìn)口的DEVA-BM自潤滑軸承，具有良好的承載性能。軸承瓦鑲嵌在軸承鋼套里，可隨鋼套一起在閥體不解體條件下從閥體內拆出來(lái)。鋼套外側與閥體接觸部位設有兩道O型靜密封，鋼套內側與閥軸接觸部位屬于旋轉運動(dòng)密封，設兩道密封，一道接近閥體內圓，采用整圈O型橡膠密封圈，起封沙作用，盡可能防止泥沙進(jìn)入軸瓦，密封槽設有旁通孔;另一道在閥體外側，采用進(jìn)口格萊圈。球形閥軸承及密封結構見(jiàn)圖3。

圖3 球形閥軸承及密封示意圖

6、結語(yǔ)

　　在耿達水電站新球形閥應用中，通過(guò)采用偏離軸孔斜分半整鑄結構，提高了合縫密封的可靠性，避免了舊閥體沿軸孔中心線(xiàn)垂直分半所造成的軸孔兩側螺栓跨距大、把合力不足的缺陷。同時(shí)，在球形閥軸承的運用中，采用德國進(jìn)口的DE-VA-BM自潤滑軸承，改善了軸承的承載性能，進(jìn)一步提高了活門(mén)軸端密封的可靠性，解決了舊球形閥活門(mén)軸端的漏水現象。通過(guò)改變移動(dòng)密封環(huán)位置狀態(tài)的顯示方式，變動(dòng)密封為靜密封，有效解決了舊球形閥移動(dòng)密封環(huán)行程指示桿漏油現象。同時(shí)，通過(guò)在移動(dòng)密封環(huán)上采用雙套密封圈設置，并在密封圈之間加開(kāi)溢流口，有效避免了油混水現象的發(fā)生;通過(guò)采用高強度不銹鋼主密封，提高了密封環(huán)的抗汽蝕磨損性能，延長(cháng)了密封環(huán)的使用周期。應該說(shuō)，新球形閥在耿達水電站的應用是成功的，解決了舊球形閥近30年來(lái)存在的諸多問(wèn)題，提高了電站的經(jīng)濟效益，促進(jìn)了電站安全生產(chǎn)長(cháng)治久安。