直徑3m大口徑放空閥在水電工程的應用

陳洪偉　楊燕

【摘要】本文主要介紹了直徑3m大口徑放空閥在水電工程的運行工況、結構形式、控制方式、檢驗和試驗等，為水電工程的放空和保持生態流量提供參考。

【關鍵詞】大口徑；放空閥；水電工程

1、概述

放空閥是為滿足水電工程擋水建筑物和泄水建筑物檢修需要，需要放空水庫時，針對放空洞放水專用的錐形消能放空閥，具有完整的調流和消能功能。

放空洞采用上游洞段設檢修閘門和出口設放空閥的組合方案，放空閥安裝于放空洞尾部，其前端通過伸縮節與放空洞壓力鋼管連接，其后端直接排向天然河道，并設有導流罩和補氣管。

放空閥主要運行工況：

（1）當大壩需要進行泄放排空時，可將閥門調至全開位置，進行消能放水；當要求放空閥關閉時，放空閥可可靠嚴密關閉；當作為生態放水閥使用時，可將閥門調至部分開度位置，向下游泄放規定的生態流量。（2）放空閥無需平壓即可穩定地開啟和關閉，無有害的振動。（3）放空閥及其附件的工作壓力（包括最大水錘壓力在內的最大承壓水頭）不小于 1.60 MPa。（4）放空閥的額定過流量為152m3/s。放空閥可以在工作范圍的任意水頭作用下進行全開和全閉的操作。（5）放空閥應有足夠的強度和剛度，上下游法蘭應能傳遞出現的最大軸向力，閥殼配有堅固的底座能把全部垂直荷載包括延伸部件和水的重量、傳動操作機構的推拉力等安全地傳遞到混凝土基礎上。（6）放空閥底座應容許鋼管的少量伸縮帶來的位移，底座底面與底板接觸面要加工光滑。（7）放空閥通過現地控制柜應能手動和自動操作，并可遠方監控。遠方控制由計算機監控系統通過通訊信號（通訊接口為RS485）到本地控制柜中的PLC的控制加以實現。（8）放空閥必須采用自鎖性好的傳動裝置，使啟閉件能停在所要求的準確位置，以保證閥門的調流精度。（9）放空閥應設置開度指示裝置，并帶4mA-20mA閥位模擬信號。該信號參數采用PLC進行處理，并上傳至中控室。（10）放空閥應設置合理的導流裝置，保證閥門運行時出流穩定和減小噴射擴散區域，以保護下游河道的設施和環境。（11）放空閥應能在不拆開閥殼的情況下更換放空閥的活門軸頸密封及周圈密封。（12）放空閥由導流錐和可移動的套筒組成，流量控制通過套筒匝的前后移動來實現。放空閥工作時，水流以寬廣的放射狀對空噴射擴散，通過水流和空氣大面積的摩擦產生霧化，實現大氣消能。出口加裝導流罩，以達到控制水流排放區域的效果。當閥后出現負壓時，補氣裝置在低壓區會自動補氣，從而避免因大的渦流引發的汽蝕、振動。（13）套筒和錐體之間設有兩層密封：主密封采用橡膠軟密封和金屬硬密封復合密封方式。主密封為金屬密封，次密封為橡膠密封，實現“零”泄漏。橡膠密封圈用調節壓板和不銹鋼螺釘固定在閥座上，閥門所需密封比壓可通過螺釘調節，調整、檢修、更換方便。金屬硬密封采用不銹鋼L形金屬密封圈，啟閉件投入后，在水壓作用下L形密封圈自動膨脹，產生所需的密封比壓，具有自密封性確保金屬硬密封的可靠性。橡膠軟密封和金屬硬密封組合使用后，密封效果更好，可確保調流閥在全關時泄漏量為零。

2、放空閥的結構形式及性能參數

2.1 放空閥的結構形式

放空閥結構形式采用液壓驅動錐形閥，設備全套包括：閥門本體、液壓驅動裝置及液控站（P=16MPa）、電氣控制系統、導流罩及安裝板、雙法蘭傳力伸縮節、安裝基礎預埋件、法蘭及連接件、法蘭密封件等。

錐形閥主體采用兩段式，分為錐閥進水接管及錐閥主體。錐閥進水接管及錐閥主體之間采用高強度螺栓法蘭連接。進水接管設法蘭式支撐底座，通過環形基礎板安裝在錐閥主體鎮墩上，用于軸向水推力的輔助支撐。進水接管的另一端設法蘭與閥前可拆式傳力伸縮節連接。進水接管的下部設有支腳，支腳能承受閥門主體總重量及閥腔內介質的重量。

在錐體管與錐體的外部為圓筒形的套筒閘，套筒閘可以在錐體管上沿水流方向滑動，從而實現閥門的開啟和關閉。套筒閘與錐體管設專用U形密封，水壓自密封，能在不拆開閥殼的情況下極為方便的更換套筒閘密封。錐閥的密封為橡膠軟密封和金屬硬密封復合密封方式，主密封為橡膠密封，次密封為金屬密封。

錐閥出口端設置有導流裝置（導流罩），保證閥門運行時出流穩定，減小噴射水的流擴散區域，并進一步消除水流富余能量，以保護下游河道的設施和環境安全，導流裝置固定在錐閥主體鎮墩上。

錐閥采用雙液壓油缸驅動操作，油缸驅動裝置布置在閥門的垂直方向，上下各一個。

錐閥設置有線性位移傳感器，作為閥門的開度指示。該信號參數采用PLC進行處理，并可上傳至中控室。在錐閥的全開全關設置有接近行程開關，作為閥門的開關位置指示。

2.2 放空閥的性能參數

3、放空閥的液控系統

閥門液控系統由液壓泵站、油缸、電氣控制部分及連接管路等組成。系統有足夠的容量保證錐形閥正常運行。

3.1 液壓泵站

液壓泵站包括油泵、蓄能器、不銹鋼回油箱以及全部操作和自動控制所必須的不銹鋼閥門、不銹鋼管路、回油箱油位變送器（輸出DC4mA～20mA）、操作油壓力變送器、繼電器、指示表計、控制裝置和電纜等。

兩臺相同的帶電機的油泵，一臺工作、一臺備用。控制方式為工作和備用泵可以手動和自動交替切換。二臺油泵能單獨運行又能聯合運行。在聯合運行方式，每臺油泵能自動交替地作為工作泵，同時能夠手動選定工作泵。當操作油壓低于工作泵工作壓力時，備用油泵自動啟動。

每臺油泵配有組合閥組（包括減載閥、安全閥、截止閥及止回閥等）。當油壓超過正常工作油壓上限的2%時，安全閥開始排油；當油壓超過正常工作油壓上限16%時，安全閥排出油泵的全部供油量，壓力罐的壓力不再上升，當油壓降至正常工作油壓時，安全閥關閉。

3.2 蓄能器

蓄能器采用皮囊式蓄能器。額定工作油壓為16MPa。

皮囊式蓄能罐的總容量按下述要求確定：在供油泵不啟動的條件下放空閥接力器在正常下限工作油壓下全過程（一個接力器全行程定義為：接力器活塞從0-100%的行程）動作后，油壓仍高于允許的最小操作油壓（即事故油壓）。在運行的所有工況下油壓降到事故油壓時應保證放空閥能完成一次可靠的關閉操作。

3.3 回油箱

回油箱為不銹鋼鋼板焊接結構。其容積能容納系統全部油量包括操作油缸、蓄能器容積、油壓管路及閥門總容積的1.2倍。

4、放空閥的電氣控制系統

放空閥電氣控制系統采用可編程控制器控制系統。具有與電站計算機監控系統通信的接口，接口滿足電站計算機監控系統的要求并保證對放空閥進行有效的監控。

控制系統可通過一個轉換開關來選擇自動控制或手動控制方式。

電氣控制系統的控制要求：

（1）控制包括放空閥和液控站。控制系統以自動方式運行時，根據中央控制室的指令自動按操作程序控制放空閥開啟和關閉。控制系統以手動方式運行時，通過安裝在現地控制柜上的操作按鈕控制放空閥開啟和關閉。（2）放空閥控制系統使放空閥在開啟和關閉的過程中隨時可以停止并向相反方向運動。（3）當放空閥操作系統發生故障或因調試需要時，放空閥能通過手動操作開啟或關閉。（4）在中控室能顯示放空閥的開、關位置狀態。（5）現地和計算機監控系統能顯示：全開信號、全關信號、就地、遠方狀態、閥門故障、液壓故障、主電源狀態、閥位開度、油壓等。

5、放空閥的檢驗

5.1 廠內檢驗和試驗

放空閥組裝完成后，應對各主要尺寸和裝配尺寸進行檢驗。

放空閥及其附屬設備承受水壓的部分，均需在廠內進行耐壓試驗。當工作壓力小于或等于2.5MPa時，試驗壓力為工作壓力的1.5倍；當工作壓力大于2.5MPa時，其超過的部分取1.25倍。承受水壓部分的試驗壓力為2.4MPa；

放空閥主體在總裝后進行漏水試驗，試驗壓力為1.20MPa，持續時間30min。漏水試驗時，套筒閘密封和閥門殼體不允許漏水。

5.2 放空閥的現場試驗

放空閥現場試驗包括：無水動作試驗、止水密封性能試驗、充水動作試驗、動水關閥試驗。

放空閥放水狀態

6、結語

直徑3m大口徑、高水頭放空閥在水電工程的應用，也為水電工程的放空和保持生態流量提供了參考。

作者簡介：陳洪偉（1971-）， 男，漢族，籍貫：吉林省德惠市，高級工程師，主要從事水利水電工程建設和運行管理。