高水頭抽水蓄能電站進水球閥閥座基礎結構研究

何少潤，陳泓宇，楊慶文，施玉澤

（1.中國南方電網調峰調頻發電公司，廣東省廣州市 510640，2. 清遠蓄能發電有限公司，廣東省清遠市 511853，3.中國水利水電第十四工程局有限公司，云南省昆明市，650000）

高水頭抽水蓄能電站進水球閥閥座基礎結構研究

何少潤1，陳泓宇2，楊慶文3，施玉澤3

（1.中國南方電網調峰調頻發電公司，廣東省廣州市 510640，2. 清遠蓄能發電有限公司，廣東省清遠市 511853，3.中國水利水電第十四工程局有限公司，云南省昆明市，650000）

抽水蓄能電站進水球閥基礎混凝土支墩一般采用球閥底座與基礎板之間保證能夠相對滑動的設計，本文就ALSTOM（阿爾斯通）、VOITH（伏伊特）、ANDRITZ（安德里茲）和日本東芝水電這幾個知名廠商的設計結構型式進行介紹和分析，說明球閥底座與基礎板之間采用有效的相對滑動設計是相當重要的。

抽水蓄能；進水閥；閥座基礎；結構；辨析

0 引言

高水頭、高轉速抽水蓄能電站的進水球閥在機組啟停、工況轉換以及甩負荷時會有一個作用在活門上的強大水流推力，如仙游抽水蓄能電站球閥全關時的水推力達到27.7MN。雖然設計上該力是由閥體通過延伸段鋼管及上游壓力鋼管傳遞給上游混凝土基礎的，但閥體在上游水道瞬間推力作用下還是有一個沿著水流軸向移動的趨勢，而球閥基礎混凝土支墩由于材質、體積的原因是不設計用來承受球閥所帶來水推力的。因此，在設計、選用水輪機進水閥時都有相關的設計規定。[1]

（1）《水輪機進水球閥選用、試驗及驗收規范》之“5.1.14”：“進水球閥底座應允許在基礎板上沿壓力鋼管方向少量位移，最大允許位移量應按進水球閥關閉時間作由于上游壓力鋼管的最大水推力引起的閥體軸向移動計算確定，基礎板滑動面間應有防銹措施。”

（2）《水輪機進水液動蝶閥選用、試驗及驗收導則》（DL／T 1068-2007）之“5.1.15”：“進水蝶閥底座應允許少量的沿壓力鋼管方向的位移”。

（3）《水輪機設計手冊》第十七章“水輪機進水管道上的閥門”：“閥體的下半部的地腳承受蝴蝶閥的全部重量和操作活門傳來的力和力矩，但不考慮承受作用在活門上的水推力，此水推力由上游或下游側的連接鋼管傳到基礎上。為此，在地腳螺釘和孔的配合間，應按水流方向留有30～50mm間隙……”。

據此，各設計制造廠商分別選擇了各具特色的基礎座滑動面（含防銹）的結構型式，本文僅就ALSTOM（阿爾斯通）、VOITH（伏伊特）、ANDRITZ（安德里茲）和日本東芝水電這幾個知名廠商的設計結構型式進行介紹和分析。

1 ALSTOM（阿爾斯通）系列

1.1 廣州抽水蓄能電站一期工程

廣州抽水蓄能電站一期工程（簡稱GZ-Ⅰ）GZ-Ⅰ球閥底座基礎結構如圖1所示，其特點是：

（1）球閥基礎由帶套管基礎螺桿（含調整配件）、基礎板裝配（含調整件）和附有螺套、墊圈、螺母的全扣緊固螺釘裝配（與球閥底座把合）三部分組成。其中，基礎螺桿裝配生根于二期混凝土（球閥支墩）和基礎板共同澆筑于三期混凝土中。

（2）M64×4（光桿部分?75mm）的基礎螺桿長約2370mm，套管長700mm，基礎螺桿的上端部可以在套管內有一定的調節裕量以彌補澆筑二期混凝土時埋設的誤差。

（3）在澆筑三期混凝土前，安裝并調整基礎板的水平與高程符合圖紙的設計要求。

圖1 GZ-Ⅰ球閥基礎（單位：mm）Fig. 1 GZ-Ⅰ inlet valve base

（4）球閥就位時底座與基礎板、基礎螺桿的把合如圖2所示，長螺套下聯基礎螺桿、上聯球閥底座緊固螺栓，其外徑?105mm與底座、基礎板?120mm螺孔有一定調節裕量；底座緊固螺栓下端面與基礎螺桿上端面設計有5mm間隙，應在現場測量確定全扣螺釘的擰入量。

（5）球閥底座下平面和基礎板上平面加工精度均要求達到Ra3.2，安裝時接觸面涂抹潤滑油脂；且基礎底板設計有注油通道和油槽，可以從設置在側面的油杯向滑動面注入潤滑油脂。

（6）澆筑三期混凝土經養護后緊固螺栓的預緊力矩為250N·m。

1.2 惠州抽水蓄能電站

惠州抽水蓄能電站（簡稱惠蓄）球閥底座基礎的固定方式如圖3所示，其結構特點是：

（1）球閥基礎是由8×M60基礎螺桿（用螺母直接與球閥底座把合）、基礎板（含調整附件）兩部分組成，基礎螺桿和基礎板均澆筑于三期混凝土中（球閥支墩為二期混凝土）。

（2）M60基礎螺桿長約705mm，在與二期混凝土中的錨筋聯結固定后直接澆筑于三期混凝土中。由于基礎螺桿是直接通過螺母與球閥底座把合緊固的，需要安裝施工隊伍具有較高的工藝作業能力，才能確保基礎螺桿與基礎板埋設的位置、高程及水平達到設計要求。

（3）球閥基礎板埋設部件裝配如圖4所示，其作業程序是：根據球閥的中心、里程和球閥底座尺寸在二期混凝土的基礎錨筋上焊接高程調整螺栓→將調整支座裝配于高程調整螺栓上→把基礎螺栓穿入基礎板→調整螺桿外露部分到基礎板上的距離→套上保護套管和螺母→吊放該裝配至安裝位置的基礎埋件上→配合工字鋼調整球閥基礎板的水平、中心和高程（要求基礎板水平≤0.10mm/m、高程偏差≤1 mm、中心偏差≤±2mm）→調整合格后在百分表監控下進行點焊加固→終檢后進行三期混凝土澆筑。

圖3 惠蓄球閥基礎（單位：mm）Fig.3 Huizhou pumped storage power station inlet valve Foundation

（4）吊裝球閥后用液壓工具按1400N/m（±140N·m）對稱擰緊固定螺母和墊圈（見圖3）。

（5）球閥底座下平面和基礎板頂面兩個接觸的工件表面的加工光潔度均為Ra3.2，安裝時涂抹二硫化鉬潤滑脂，使得球閥底座與基礎板緊密貼合時形成油膜起到潤滑作用[3]。

1.3 海南瓊中抽水蓄能電站

海南瓊中抽水蓄能電站（簡稱海蓄）球閥基礎底座的固定方式如圖5所示，其結構特點是：

（1）球閥基礎是由8×M60基礎螺桿（上端部絲牙聯結長螺母）、基礎板（含調整附件）和M60全扣絲桿（帶螺母，與球閥底座把合）三部分組成。基礎螺桿和基礎板均澆筑于三期混凝土中（球閥支墩為二期混凝土）。

（2）M60基礎螺桿長約570mm，在與二期混凝土中的錨筋聯結固定后直接澆筑于三期混凝土中。由于基礎螺桿是直接通過螺母與球閥底座把合緊固的，需要安裝施工隊伍具有較高的工藝作業能力，才能確保基礎螺桿與基礎板埋設的位置、高程及水平達到設計要求。

（3）球閥就位時底座與基礎板把合結構如圖6所示，在螺母1000N·m擰緊力矩作用下的墊片與閥體底座之間、閥體底座與基礎板之間是緊密貼合沒有間隙的。

（4）球閥底座下平面和基礎板頂面兩個接觸工件表面的加工光潔度均為Ra3.2，安裝時涂抹二硫化鉬潤滑脂，設計意圖是閥體底座與基礎板之間緊密貼合形成油膜在相對滑動時能起到潤滑作用。

圖4 惠蓄球閥基礎埋設Fig.4 Huizhou pumped storage power station inlet buried foundation

圖5 海蓄球閥基礎（單位：mm）Fig.5 Hainan pumped storage power station inlet valve Foundation

圖6 球閥基礎把合結構（單位：mm）Fig.6 Inlet valve base structure

2 VOITH（伏伊特）系列

廣州抽水蓄能電站二期工程（簡稱GZ-Ⅱ）球閥基礎的結構形式如圖7所示，其特點是：

（1）球閥基礎由基礎螺栓組裝 （含套筒）、帶滑板的基礎板（含調整附件）和附有定距隔套的緊固螺母組合（直接將球閥底座與基礎螺桿把合）三部分組成。其中，基礎螺栓組裝澆筑于二期混凝土中；套管中的地腳螺桿、基礎板（含調整附件）澆筑于三期混凝土（非收縮型）中。

（2）M80×6地腳螺桿長2540mm穿過基礎板直接把合球閥底座，其上端部可以在套管內有較大的調節裕量以彌補澆筑二期混凝土埋設時的可能引起的誤差。

圖7 GZ-Ⅱ球閥基礎結構Fig.7 GZ-Ⅱ inlet valve base structure

（3）基礎板可用生根于二期混凝土的調整螺釘調整其高程、水平及方位，尤其是基礎板上方12mm厚的鋁銅板（B21 CA46400）的高程和水平度應符合圖紙設計要求，最終交付三期混凝土澆筑。

（4）球閥就位時底座與基礎螺桿把合結構如圖7之A-A視圖所示，其作業程序是：準確測量球閥底座魚眼孔深度和定距隔套原高度→確定每個定距隔套的加工尺寸→進行隔套加工→調整合適的球閥底座魚眼孔與定距隔套的上下游間隙→采用液壓拉伸器按67MPa擰緊螺母、通過墊環將定距隔套緊壓于基礎板上→檢測墊環至球閥基礎螺栓魚眼孔端面間隙應為0.15～0.20mm。

圖8 仙蓄球閥基礎結構（單位：mm）Fig.8 Xianyou pumped storage power station inlet valve base structure

（5）滑板上下表面及基礎板上平面加工精度均為Ra6.3，安裝時涂抹MoS2潤滑劑使得閥體底座與滑板構成良好的摩擦副。

3 ANDRITZ（安德里茲）系列

3.1 仙游抽水蓄能電站

仙游抽水蓄能電站（簡稱仙蓄）球閥基礎的結構形式如圖8所示，其特點是：

（1）球閥由基礎框架（含支撐基礎板的地腳螺桿）、基礎板（含調整附件）和附有定距隔套的緊固螺釘（與球閥底座把合）三部分組成。基礎框架生根于一期混凝土并澆筑于二期混凝土中；基礎板澆筑于三期混凝土（非收縮型）中。

（2）支撐基礎板的M64地腳螺桿長約2100mm，隨其基礎框架直接澆筑于二期混凝土中，其澆筑后的定位對基礎板的方位影響較大，安裝調整及固定時需要采取穩妥的作業措施。

（3）在澆筑三期混凝土前，安裝并調整滑板式基礎底板的水平、高程與方位符合圖紙設計要求。

（4）球閥就位時底座與基礎板把合結構如圖9所示，定距隔套的高度在現場根據實際測定使底座上平面與墊塊之間有0.2～0.3mm的間隙，壓力鋼管處于排空狀態時定距隔套處于中間位置。

（5）球閥底座下平面加工精度要求達到Ra3.2，與表面有潤滑油槽的滑動式基礎底板之間需涂二硫化鉬潤滑油脂；且基礎底板設計有注油通道，可以從設置在側面的油杯向滑動面注入潤滑油脂。

（6）澆筑三期混凝土經養護后緊固螺栓的預緊力矩為 5150N·m[4]。

3.2 深圳抽水蓄能電站

深圳抽水蓄能電站（簡稱深蓄）ANDRITZ在仙游抽水蓄能電站實踐的基礎上經改進用于深蓄的球閥基礎結構如圖10所示，其特點是：

（1）球閥基礎由框架式安裝模板、帶滑板的基礎板（含調整附件）和附有定距隔套的緊固螺釘（與球閥底座把合）三部分組成。其中，框架式安裝模板生根于一期混凝土澆筑于二期混凝土中；框架式安裝模板套管中的地腳螺桿、基礎板澆筑于三期混凝土（非收縮型）中。

圖9 底座與基礎板把合結構Fig.9 Base and base plate closing structure

圖10 深蓄球閥基礎結構（單位：mm）Fig.10 Shenzhen pumped storage power station ball foundation structure

（2）框架式安裝模板套管中的M64地腳螺桿長約2100mm，其支撐、固定基礎板的上端部可以在套管內有較大地調節裕量以彌補框架式安裝模板在澆筑二期混凝土時埋設的誤差（控制在±2mm內）。

（3）在澆筑三期混凝土前，安裝并調整包括滑板的基礎板的水平、高程與方位符合圖紙設計要求。

（4）球閥就位時底座與基礎板把合結構如圖11所示，左右支墩基礎板上各均布四塊750×150×3（厚度3mm）的滑板，其材質為FZB06（雙金屬自潤滑材料），具有承載能力高、減摩耐磨性能好的特點，定距隔套的高度在現場根據實際測定使底座上平面與墊塊之間有0.2～0.3mm的間隙。

圖11 底座與基礎板把合結構（單位：mm）Fig.11 Base and base plate closing structure

（5）球閥底座下平面加工精度要求達到Ra3.2，與表面有潤滑油槽的滑動式基礎底板之間需涂二硫化鉬潤滑油脂；且基礎底板設計有注油通道，可以從設置在側面的油杯向滑動面注入潤滑油脂。

（6）澆筑三期混凝土經養護后緊固螺栓的預緊力矩為 5150N·m[5]。

4 東芝水電系列

4.1 清遠抽水蓄能電站

清遠抽水蓄能電站（簡稱清蓄）球閥基礎座的固定方式如圖12所示，其結構特點是：

（1）球閥基礎由安裝框架定位基礎螺栓、基礎板（含調整附件）和附有定距套筒的緊固螺母（與球閥底座把合）三部分組成。其中，安裝框架（包括基礎螺栓下端部）焊接固定于一期混凝土的預埋鋼筋上并澆筑于二期混凝土中；基礎螺栓上部一段與基礎板澆筑于三期混凝土（非收縮型）中。

（2）M125×6A基礎螺栓長2390mm，如圖13所示的安裝框架可以經過精心施工將基礎螺栓準確定位。

（3）在澆筑三期混凝土前，安裝并調整基礎板的水平、高程及方位符合圖紙設計要求。

（4）球閥就位時底座與基礎板把合結構如圖14所示，定距套筒的高度在現場根據實際測定使底座上平面與墊塊之間有0.1～0.3mm的間隙。

圖12 清蓄球閥基礎結構（單位：mm）Fig.12 Inlet valve foundation structure of Qingyuan pumped storage power station

（5）球閥底座下平面及基礎板上平面的加工精度均為Ra12.5，安裝時接觸面需涂二硫化鉬潤滑油脂。

（6）澆筑三期混凝土經養護后緊固螺栓的力矩使得螺M125栓伸長值0.23±0.02mm。

4.2 球閥閥體基礎混凝土裂隙

四臺機組投入運行后均發現球閥閥體基礎三期混凝土有不同程度的裂隙，其中以4號機最為嚴重，參見圖14。

設計制造廠商分析認為，雖然產生裂隙的三期混凝土已不再承受拉應力，但固結于二期混凝土的基礎螺栓在整體強度上還不會受到影響。鑒于裂隙狀況可能會有惡化的趨勢，建議進一步查找原因并研究遏制裂隙的對策[2][6][7]。

圖13 清蓄球閥基礎框架Fig.13 Inlet valve foundation frame of Qingyuan pumped storage power station

5 結束語

（1）根據惠蓄、清蓄球閥的實際監測，閥體在各種工況的軸線方向位移如表1所示。

圖14 底座與基礎板把合結構（單位：mm）Fig.14 Base and base plate closing structure

圖15 球閥基礎裂隙情況（單位：mm）Fig.15 Basic fracture of inlet valve

表1 閥體在各種工況的軸線方向位移Tab.1 Valve body axis displacement in various conditions

可以看出，惠蓄球閥閥體軸向位移最大值為100%負荷關球閥時的1.672-0.295=1.377mm ；清蓄球閥閥體軸向位移最大值為100%負荷動水關球閥的1.501-0.361=1.090mm。這足以證實必須在球閥底座與埋設于混凝土支墩的基礎板之間采取能夠相對滑動的設計才能有效減小球閥對混凝土支墩的推力，避免支墩混凝土承受過大的拉應力。

（2）采用框架式安裝模板或者基礎框架（如仙蓄、深蓄和清蓄）有助于準確定位基礎螺栓，使得球閥基礎板埋設中心、里程和高程能夠較好的滿足設計要求和實際需要。

（3）較長的埋設于二期混凝土中的地腳螺桿（如GZ-Ⅰ的M64×2370mm、GZ-Ⅱ的M80×2540mm、仙蓄和深蓄的M64×2100mm、清蓄的M125×2390mm）對球閥基礎板的固定是有利的，顯然優于較短而又僅埋設于三期混凝土中的基礎螺栓。

（4）采用附有套管的地腳螺桿（如仙蓄、深蓄和GZ-Ⅱ）使得其固定基礎板的上端部可以有較大的調節裕量以彌補澆筑二期混凝土時可能潛在的埋設誤差，而澆筑于二期混凝土中又直接與球閥底座穿接緊固的基礎螺栓則需要更為精湛的施工工藝和較長的作業時間。

（5）球閥底座與基礎板之間襯墊承載能力高、減摩耐磨性能好的滑板（如GZ-Ⅱ的12mm厚鋁銅板、深蓄3mm雙金屬自潤滑材料FZB06）能夠有效避免接觸面銹結、大大降低相對滑移時的摩阻力，從而銳減基礎混凝土所可能承受的拉應力。

（6）采用在現場根據實際測定、加工定距隔套高度的方式使得球閥基礎緊固時其底座上平面與墊塊之間可以保持0.2～0.3mm的間隙，這種有助于閥體少量軸向移動的設計顯優于僅靠潤滑脂降低摩阻力而接觸面無預留間隙的固定方式。

（7）適當提高球閥底座下平面和基礎板上平面的加工精度對滑動面的相對移動肯定是有利的，建議采用深蓄、仙蓄、海蓄的Ra3.2（屬于半精加工一般配合的加工面），能使得安裝時接觸面涂抹二硫化鉬潤滑油脂的實效和時效更佳。而清蓄球閥基礎底板下平面和基礎板上平面的加工精度設計僅Ra12.5（屬于可見加工痕跡的粗加工非配合的加工面），其實際效果自然要差得多。

（8）采用設計有注油通道和接觸面有潤滑油槽的基礎板（如GZ-I、仙蓄和深蓄），可以隨時從設置在側面的油杯向滑動面注入潤滑油脂，始終保持閥體相對位移時的低磨阻狀態。

（9）球閥底座和基礎板摩擦面的正壓力是由底座緊固螺栓的擰緊力矩和球閥正常啟閉時相應下壓力兩部分組成的，球閥閥體沿水流方向滑移時底座與球閥基礎板之間的摩擦力也是與此正壓力成正比的。因此，適度控制球閥固定螺母的擰緊力矩也是不可忽視的。例如，清蓄在參與伸長的螺桿長度實際僅約300mm的情況下（參見圖14）設定基礎螺桿的伸長量為0.23±0.02mm，其所產生的軸向力壓縮定距套筒會在一定程度上減小其預留設計間隙，再加上加工、安裝等多方面因素，也是完全有可能導致滑動面摩阻增大、基礎混凝土承受超載拉力而出現裂隙的。

（10）安裝初期，由于場地濕度大，同為Q345材質、加工精度偏低的閥體座板與基礎板可能因銹蝕而粘接在一起形成較大靜摩阻力，這個不利因素也要在設計階段予以考慮。

[1] 梅祖彥.抽水蓄能技術[M].北京：機械工業出版社.

[2] 何少潤，陳泓宇.清遠抽水蓄能電站主機設備結構設計及制造工藝修改意見綜述[J]，水電與抽水蓄能，2016，2（5）.HEShaorun，CHENHongyu. Review on Amendments of the Main Equipment Structure Design and Manufacturing Process of Qingyuan Pumped Storage Power Station[J]，Hydro Power and Pumped Storage，2016，2（5）.

[3] 張春.抽水蓄能電站一管多機相繼甩負荷過渡過程研究 [J].水利水電技術， 2011，42（12）.ZHANG Chun. Study on transition process of load successive rejection of multiple units per penstock in pumped storage hydropower power station[J].Beijing：Water Resources and Hydropower Engineering，2011，42（12）.

[4] 鄭源，張健等. 水力機組過渡過程[M].北京：北京大學出版社，2008：1-4.

[5] 張健，盧偉華， 范波芹，胡建永. 輸水系統布置對抽水蓄能電站相繼甩負荷水力過渡過程影晌[J].水力發電學報， 2008，27（5）.ZHANG Jian，LU Weihua，FAN Boqin，HU Jianyong. The influence of layout of water conveyance system on the hydraulic transients of pump-turbines load successive rejection in pumped storage station[J]， Journal of Hydroelectric Engineering， 2008，27（5）.

[6] 陳泓宇，李華，程振宇. 清遠抽水蓄能電站三臺機組同甩負荷試驗關鍵技術研究，水電與抽水蓄能，2016，2（5）.Chen Hongyu，LI Hua，CHENG Zhengyu. Review of the Load Rejection Test of the Pumped Storage 3 Units Together in Qingyuan Pumped Storage Power Station， Hydropower and pumped storage，2016，2（5）.

[7] 杜榮幸，王慶，榎本保之，陳泓宇.長短葉片轉輪水泵水輪機在清遠抽蓄中的應用，水電與抽水蓄能，2016，2（5）.DU Rongxing， WANG Qing， ENOMOTO Yasuyuki， CHEN Hongyu. Application of Splitter Blades Runner Pump Turbine in QingYuan Pump Storage Station， Hydropower and pumped storage，2016，2（5）.

Analysis of the Basic Structure of the Inlet Ball Valve in Pumped Storage Power Station

HE Shaorun1，CHEN Hongyu2，YANG Qingwen3，SHI Yuze3
(1.CSG Power Generation Company，Guangzhou, 510640，China; 2.CSG Power Generation Company Qingyuan Pumped Storage Power Co.，Ltd, Qing yuan 511853 China; 3.China Water Conservancy and Hydropower Fourteenth Engineering Bureau Co.,Ltd.，Kunming，650000 China)

Pumped storage power station inlet valve foundation concrete pier base and the base plate between the valve to ensure the design of slide relatively， the ALSTOM （Alston）， VOITH （s），ANDRITZ （Ander Liz） and several well-known manufacturers of Japan’s Toshiba hydropower design structure were introduced and analyzed， that between the valve base and foundation in the design of effective relative sliding is very important.

pumped storage; inlet valve; valve seat foundation;structure; discrimination

TV732.7

A

570.30

10.3969/j.jssn.2096-093X.2017.01.008

2016-10-09

2016-11-23

何少潤（1946—），1967年畢業于華東水利學院水動專業，教授級高工，長期從事水電站機電設備管理及安裝調試工作。Email： 248370406@qq.com

陳泓宇（1975—），男，工程師，主要研究方向：電站基建和電廠技術管理工作。Email： 542120791@qq.com

楊慶文（1973—），男，高級技師，中國水利水電第十四工程局有限公司，主要研究方向：電站機電設備安裝管理。Email: yqw.1973@163.com

施玉澤（1975—），男，高級技師，中國水利水電第十四工程局有限公司，主要研究方向：電站機電設備安裝管理。