大型水輪機筒形閥近年來的應用淺析

劉功梅，曾鎮嶺（中國長江三峽集團公司，四川 成都 610041）

大型水輪機筒形閥近年來的應用淺析

劉功梅，曾鎮嶺
（中國長江三峽集團公司，四川 成都 610041）

摘要：水輪機筒形閥因能夠良好保護電站水輪機導水機構而得到廣泛應用。本文對國內主要大型水輪機筒形閥的應用和主要特點進行了初步分析。

關鍵詞：水輪機；導水機構；筒形閥

水輪機筒形閥是一個安裝于活動導葉和固定導葉之間的薄壁筒形結構部件。其主要功能是保護混流式水輪機的導水機構，消除導葉關閉位置因導葉漏水而造成的間隙空蝕損壞和磨損，同時也是機組防飛逸的措施之一，能在緊急工況下，快速、可靠、安全地切斷水輪機進水，防止機組飛逸，保護水輪發電機組。水輪機筒形閥由于其具有自關閉能力、水力損失基本為零、能有效地保護導水機構、防止機組飛逸、不需專門布置位置從而不占用廠房空間、投資小等諸多優勢，被國內、外許多電站選擇使用。

現行2004年版水力發電廠機電設計規范規定：“對于多泥沙河流水電廠的單元壓力管道輸水管或壓力管道較長的單元壓力管道輸水管，為水輪機裝設進水閥或在水輪機流道上裝設筒形閥，應進行技術經濟比較論證”。在我國已有漫灣、大朝山、小浪底、阿海、小灣、錦屏和溪洛渡等大型電站裝設了水輪機筒形閥。本文在對國內主要大型水電機組及其筒形閥的應用情況和運行狀況進行調研的基礎上，對筒形閥的應用及其主要特點進行了初步分析。

1　水輪機筒形閥在國內水電站的應用

1962年，世界上第一臺水輪機筒形閥投運，筒形閥在國外已有幾十年成功運行經驗。國內在20世紀80年代后期才開始引進了筒形閥的技術，國內第一臺水輪機筒形閥于1993年6月在漫灣水電站投入運行。

截至目前，國內、外許多電站都采用了水輪機筒形閥。國內已投產的漫灣、石泉、小浪底、大朝山、灘坑、光照、瀑布溝、小灣、糯扎渡、錦屏一級、錦屏二級、阿海、溪洛渡等電站都安裝了水輪機筒形閥，運行情況良好。國內裝有最大直徑筒形閥的梨園電站也將投運，國內200MW以上機組水輪機筒形閥的主要參數統計見表1。

表1　國內200 MW以上機組水輪機筒形閥的主要參數

由表1可知，隨著水輪機筒形閥應用經驗的積累，以及設計、制造水平的提高，國內也逐步突破不同層次的筒形閥制造難度系數，從而確保水輪機筒形閥在不同水頭、不同容量的巨型水電機組上也能得以安全可靠應用。

2　水輪機筒形閥的優勢及其局限性

2.1水輪機筒形閥優勢

（1）保護導水機構，延遲機組大修周期。對于過機泥沙含量較大的中、高水頭大型水輪機，導水機構剛強度相對較小，導葉關閉后，在上、下游水壓差的作用下，導葉立面、上/下端面間隙變大，通過間隙的含沙水流速度較高，磨蝕的危害性較大；另外，在停機過程中，隨著活動導葉關閉，導葉立面、上/下端面間隙的含沙流速非常大（如溪洛渡電站，經計算含沙流速達45～54.8m/s），從而加劇導水機構的磨蝕。導水機構的損壞程度和導葉的漏水量大小成為確定機組大修的決定性因素，導致機組的大修周期縮短，增加電站年機組大修臺時數、人工和設備材料費用以及大修期間的電能損失。筒形閥具有良好的密封性能，停機時關閉筒形閥，可消除導葉前后的壓差，消除導葉關閉位置因導葉漏水而造成的間隙空蝕損壞，從而延長檢修周期，保護導水機構。

（2）基本消除導葉漏水，降低機組制動轉速。若導葉磨損厲害，機組將可能因導葉漏水量過大而引起停機蠕動、不能停機，開機充水困難，危及設備安全，影響電站經濟運行等問題。例如，漫灣電站6號機開始運行時未投入筒形閥，開/停機很困難，無法用作熱備用機組；溪洛渡電站，經設計院計算，停機時僅關閉導葉，水輪機漏水量將從發電初期的1.3 m3/s左右增加到后期的9.3m3/s，而停機時關閉導葉且關閉筒形閥的漏水量僅為0.07m3/s左右，后者僅為前者的5.4%～0.8%。另外，設置筒形閥后，可使機組機械制動轉速由原設計的35%降為15%以下，延長制動瓦的壽命，同時縮短機組停機時間。

（3）筒形閥是機組有效的防飛逸裝置。筒形閥為可緊急關機的隔斷閥，可做機組事故的保護閘。對于單機單管沒有設置水輪機進口閥的機組，一般進水口都設有快速閘門，作為機組防飛逸的措施之一。進水口快速事故閘門關閉時間為2～3min，加上壓力鋼管中水體的作用，其飛逸時間還將延長（可達2～4min），對機組安全不利。筒形閥能快速動水關閉（關閉時間為60～70 s），且緊靠水輪機蝸殼進口，因而能更快速有效地使機組安全地退出飛逸，減少機組的飛逸持續時間。

（4）減少導葉漏水電能損失，增大年發電量。根據GB/T15468-2006規定，在額定水頭下，圓柱式導葉漏水量不大于水輪機額定流量的0.3%。實際電站運行一段時間后，導葉漏水將遠超過0.3%標準。如，漫灣電站，實測僅關閉導葉漏水量為1.644m3/s（為額定流量的0.49%），關閉筒形閥的漏水量為0.052m3/s，僅為前者的1/30，電站機組平均耗水約4.6m3/kW·h，不裝筒形閥，則每年枯水季節(按5個月計)電站導葉漏水量損失6.21×107m3，比裝筒形閥多損失電量為1.35×107kW·h，按0.2元/kW·h電價計，效益損失約270萬元/年；溪洛渡電站導水機構漏水量按合同保證值估計，未采用筒形閥的平均漏水量不大于1.25m3/s，而裝設筒形閥后，導葉漏水量不大于0.02 m3/s，因此，溪洛渡電站裝設筒形閥后，停機漏水減少1.23m3/s。按停機時間估算，每年電站至少減少漏水量約2.6×108m3，增加年發電量約1.47×108kW·h，增加收益約4 000多萬元/年。這尚未計入導水機構漏水磨蝕損壞導致機組檢修周期縮短，檢修時間延長所損失的電能和檢修費用。

（5）筒形閥閥體重量較輕，一般為蝶閥的1/2～1/3，與球形閥相比更輕。同時由于筒形閥布置在水輪機固定導葉和活動導葉之間，所以筒形閥的設置基本不會造成廠房尺寸的增加，不會引起土建費用的增加。

（6）閥體結構簡單可以分瓣，不受運輸條件的限制，尺寸可以做得比較大。

（7）由于筒形閥具有動水啟閉的特性，所以，它開啟時，閥后不需充水平壓，無需設伸縮節、旁通閥、空氣閥、旁通管路等一套復雜的輔助設備，這就大大簡化了布置。

（8）一定程度上可以作為機組的檢修閘門，可以部分地取代進口快速閘門的作用，其對多泥沙河流、調峰調頻電站的機組保護作用及較高的性能價格比已經受到水電行業廣泛的重視。

2.2水輪機筒形閥應用的局限性

（1）導致頂蓋的結構發生改變。首先引起頂蓋尺寸加大，因筒形閥在開啟位置位于頂蓋內部，因此頂蓋的高度與不設筒形閥的結構相比需要增加，同時頂蓋與座環相把合處必須設計成上法蘭結構，而若不設筒形閥，頂蓋與座環把合處可以設計成下法蘭結構，頂蓋的上法蘭結構與下法蘭結構相比，尺寸增大，同樣鋼板厚度條件下剛度下降，故頂蓋法蘭的厚度需增加。

（2）造成頂蓋自流排水無法實現，同時頂蓋均壓管設置比較困難。因為頂蓋均壓管若從控制環以內引出的話，必須跨過控制環的高度后在地板下部向外引出機坑。

（3）增加水輪機的復雜性。筒形閥由閥體、導向機構、密封、接力器（或液壓缸）、同步控制裝置、油壓裝置、管路、監測系統儀表、自動化元件、盤柜及控制裝置等組成，其將使水輪機結構變得復雜，操作系統的復雜性也將大幅增加。

（4）筒形閥不能完全用做水輪機檢修閥，不能完全滿足水輪機檢修的需要。

3　水輪機筒形閥可靠性、存在問題及建議

3.1筒形閥的可靠性

水輪機筒形閥運行可靠性分為筒形閥體自身關閉可靠性和同步裝置可靠性兩項。鑒于當前筒形閥的設計、制造水平，筒體自身關閉可靠性應該相當可靠，除非筒形閥體下進入了鋼筋和樹枝這類異物，會引起筒體關閉不到位，但這樣的事故幾率相當低。因此，筒形閥運行可靠性主要在于同步裝置可靠性[2]。

目前，筒形閥同步方式主要有機械液壓同步和電液同步兩種方式。機械液壓同步裝置是采用絲桿鏈條進行同步。該同步方式完全依靠鏈條強迫各接力器同步運行，在國外電站于20世紀90年代就進行了應用，可靠性非常高。據漫灣電站統計，筒形閥初期投運7年半時間內，5臺機累計經過了8 000多次開關操作實踐的考驗，運行正常，均未發生過卡阻現象。但機械液壓通同步裝置的絲桿鏈條造價高，擠占機坑內有效空間，并且在運行中會產生較大噪聲。電液同步裝置包括同步液壓馬達式電液同步控制系統、全數字集成式（數字缸）電液同步控制系統、大容量比例閥電液同步控制系統、電液轉換器同步控制系統。目前，電液同步裝置已廣泛被各電站所采用，除了個別電站在運行初期存在電氣元件故障、筒形閥卡阻等同步故障問題，各種同步方式總體上運行良好[2]。不同同步方式的筒形閥同步裝置在國內各電站的應用情況見表2。

3.2水輪機筒形閥應用中存在的問題及建議

問題：筒形閥控制系統復雜，筒形閥的同步運行一直備受關注，筒形閥不同步情況也曾發生，另外，其也一定程度上增加機組故障率，甚至增加機組的非計劃停運次數。

水輪機筒形閥控制系統復雜，相對于不采用筒形閥的中、低水頭電站，增設筒形閥系統必然增加機組故障點。根據經驗，引起筒形閥系統不同步的因素主要有：筒型閥體變形、提升不垂直、同步分流器堵塞、接力器負載分布不均、供排油管路及接力器差異等機械原因，以及位移傳感器差異、自動化元件故障等電氣原因。例如，2011年，小灣電站4號機組筒形閥系統因分流器內的分油盤損壞，導致筒形閥系統卡澀，更換分流器后運行正常。

要降低故障率，消除因筒形閥故障引起機組非計劃停運等，建議從如下方面著手：1）加強筒形閥的剛強度設計，根據計算結果并結合筒形閥的應用經驗，選擇筒形閥的厚度（可適當增加厚度），確保筒形閥的剛強度，避免筒體受力變形。2)制定合格的筒形閥安裝工藝，加強筒形閥安裝過程控制，確保最終安裝質量，尤其導向條、限位塊安裝應該確保質量。3）通過筒形閥開關試驗和自關閉試驗來驗證接力器的同步性，并檢驗位移傳感器、分流器等的性能，確保其滿足使用要求；可采用調整接力器進出油閥開度以平衡管道長度不一造成的不同步[3]。4）注重筒形閥接力器操作油質，加強雜質過濾，確保同步分流器不被堵塞。5）采用優質的接力器、管路閥門、同步分離器等液壓系統部件和高可靠性的自動化元件。6）在電站運行過程中，加強巡檢和定期維護保養，排除可能存在的質量缺陷，及時解決影響筒形閥正常運行的問題。

表2　筒形閥同步裝置及其應用

4　結論

水輪機筒形閥在國內、外許多電站取得了廣泛應用，筒形閥尺寸直徑最大超過10m，最高達2.6m，制造難度系數最大達2 750，應用水頭覆蓋較寬，最大水頭超過300m。因此，水輪機筒形閥在設計、制造及應用上積累了豐富的經驗。目前，筒形閥筒體自身關閉相當可靠，同步裝置也得到了廣泛研究，經實際運行檢驗，其可靠性比較高。當前的水輪機筒形閥技術已比較成熟，可充分根據電站使用條件、電站技術經濟比較論證以及業主的取舍來決定電站是否采用水輪機筒形閥。

參考文獻：

[1]秦云川.大朝山電站設置水輪機筒形閥過程的回顧[J].云南水力發電，2001，17（增刊）：15-17.

[2]蔣登云，劉丁，孫文彬，等.水輪機圓筒閥同步方式與快速門的關系初探[EB/OL].水力機械信息網（2010-11-3）.

[3]竇學剛，顧挺，張冬生.錦屏二級水電站水輪機筒形閥同步控制系統可靠性分析[J].水電站機電技術，2013，36（2）：32-34.

中圖分類號：TV732.7

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）02-0075-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.021

收稿日期：2014-09-19

作者簡介：劉功梅（1982-），男，工程師，從事水電站機電工程技術管理工作。