深圳抽水蓄能電站球閥結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)工藝分析

楊 昭，顧志堅(jiān)，陳泓宇

（中國(guó)南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司深圳蓄能發(fā)電有限公司，廣東 深圳 518115)

0 前言

深圳抽水蓄能電站位于深圳市東北部的鹽田區(qū)和龍崗區(qū)內(nèi)，距深圳市中心約20 km，是一座日調(diào)節(jié)的純抽水蓄能電站。電站的總裝機(jī)容量1 200 MW，平均水頭448.30 m，設(shè)4臺(tái)立式單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)-發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，單機(jī)容量（發(fā)電工況）300 MW。樞紐工程由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞室群及開(kāi)關(guān)站等部分組成。輸水系統(tǒng)為一管四機(jī)，每臺(tái)機(jī)組蝸殼進(jìn)水口前設(shè)置1臺(tái)球閥。1臺(tái)機(jī)組檢修，不影響其他機(jī)組正常運(yùn)行。

深蓄電站4臺(tái)球閥由安德里茨設(shè)計(jì)，其中2號(hào)、4號(hào)由東方電機(jī)生產(chǎn)供貨，1號(hào)、3號(hào)由安德里茨生產(chǎn)供貨，并對(duì)安裝調(diào)試質(zhì)量負(fù)責(zé)。安裝由葛洲壩集團(tuán)機(jī)電建設(shè)公司完成。由于抽水蓄能電站的特殊性，機(jī)組高水頭、球閥啟停頻繁，要求球閥既要有良好的密封效果，又要開(kāi)關(guān)穩(wěn)定、可靠、迅速，因此有必要對(duì)其結(jié)構(gòu)裝配及試驗(yàn)等進(jìn)行深入分析。

1 球閥的主要設(shè)計(jì)參數(shù)

直徑：Φ2 300 mm

設(shè)計(jì)壓力7.06 MPa

接力器活塞直徑：Φ480 mm

接力器操作方式：水壓操作

接力器數(shù)量：2

開(kāi)啟時(shí)間：40～80 s可調(diào)

關(guān)閉時(shí)間：40～80 s可調(diào)

2 球閥主要部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

球閥安裝在引水管下游端的電站廠房?jī)?nèi)，球閥上游側(cè)設(shè)有一個(gè)進(jìn)水接管，進(jìn)水接管通過(guò)兩節(jié)湊合節(jié)與引水壓力鋼管相連，采用焊接方式相連。下游側(cè)通過(guò)伸縮節(jié)與蝸殼延伸管相連。

球閥本體由整體的閥體(由分半的左閥體、右閥體鑄件焊接為一體)、活門(mén)、自潤(rùn)滑軸承及檢修密封、工作密封、2個(gè)Φ480搖擺式接力器等零部件組成。附屬設(shè)備有上游連接管、下游伸縮節(jié)、球閥充水平壓用的旁通閥系統(tǒng)、壓力鋼管排水管路等。結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 球閥結(jié)構(gòu)圖

2.1 閥體

閥體采用沿水流方向垂直分半整鑄而成，材料為鑄鋼20SiMn。在活門(mén)裝入兩半閥體后，用窄縫焊將分半閥體焊為整體，提高了閥體強(qiáng)度。閥體和活門(mén)可以進(jìn)行同加工，保證了活門(mén)上密封環(huán)安裝面和閥體上止漏環(huán)的接觸面位置準(zhǔn)確，具有可靠的密封性能。這種結(jié)構(gòu)使閥體剛性更好，省略了分半結(jié)構(gòu)閥體中間的分半面法蘭，減少了分半面處大量的加工工序，減輕了重量，節(jié)約了加工成本。同時(shí)使周圈密封加工方便，加工公差易于保證，密封效果好。

2.2 活門(mén)

活門(mén)采用鑄鋼20SiMn整體鑄造，過(guò)流通徑與壓力鋼管相同，并經(jīng)機(jī)加工，以減小通過(guò)球閥的水頭損失。左右閥軸與活門(mén)鑄造為一體，提高了活門(mén)強(qiáng)度。閥軸和活門(mén)不再須用螺栓把合，兩閥軸支承中心的距離明顯減小，由上游推力產(chǎn)生的作用在閥軸上的彎矩也相應(yīng)減小，從而改善了閥軸的受力狀況?；铋T(mén)支撐采用DEVA自潤(rùn)滑軸承，閥軸與軸承和軸端密封貼合的表面有不銹鋼襯套。

2.3 球閥密封

主密封包括上游側(cè)檢修密封與下游側(cè)工作密封，由一個(gè)T型活動(dòng)密封環(huán)和一個(gè)固定密封座組成。活動(dòng)密封環(huán)和固定密封座的密封表面采用數(shù)控加工，保證了密封面形狀，并且閥體和活門(mén)上的密封環(huán)安裝面采用同加工，保證了同軸度。閥體上與活動(dòng)密封環(huán)相接觸的表面堆焊不銹鋼層，使工作密封更加可靠，提高了密封性能。密封環(huán)采用壓力鋼管中的水作為操作介質(zhì)，為了顯示密封環(huán)的工作情況，安裝有檢測(cè)密封環(huán)投入情況的行程開(kāi)關(guān)。

相比惠蓄、廣蓄A(yù)廠等電站采用的D型密封，雖然D型密封于安裝槽完全貼合，具備幾何尺寸的穩(wěn)定性，有抵抗扭矩的能力，但同時(shí)D型密封結(jié)構(gòu)存在磨損量小的缺陷（D型底部撐滿(mǎn)了密封槽，無(wú)壓縮空間），D型頭部的過(guò)盈量磨損消耗后，即會(huì)產(chǎn)生滲漏，因此在深蓄電站密封圈的選型上采用組合密封結(jié)構(gòu)，由一個(gè)抗磨的聚氨酯環(huán)和O形圈組成。同時(shí)O形圈提供預(yù)緊力，使組合密封具有很大的伸縮性，當(dāng)閥體與密封環(huán)由于受力變形，密封間隙變大時(shí)，能起到很好的補(bǔ)償作用，保證了密封性能。見(jiàn)圖2。

根據(jù)要求，檢修密封還具有投入腔失壓后的防開(kāi)啟自鎖功能，以及在下游側(cè)無(wú)壓狀態(tài)、退出腔建壓后的防開(kāi)啟自鎖功能。因此相比同類(lèi)球閥如仙游機(jī)組球形閥，檢修密封取消了機(jī)械鎖定，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。檢修密封環(huán)同樣采用上游壓力鋼管中的水作為操作介質(zhì)，手動(dòng)操作。見(jiàn)圖3。

圖2 組合密封結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 檢修密封結(jié)構(gòu)圖

2.4 軸承及其密封裝置

軸承及其密封裝置由自潤(rùn)滑軸瓦、鋼套、U形密封圈、壓墊蓋等零部件組成。自潤(rùn)滑軸瓦采用德國(guó)DEVA公司的BM型軸瓦，具有良好的自潤(rùn)滑性能，摩擦系數(shù)低，抗壓強(qiáng)度高。軸承共采用兩道密封，內(nèi)側(cè)密封主要是防止泥沙污物進(jìn)入軸承摩擦表面，但水能透過(guò)該道密封而進(jìn)入軸承表面對(duì)軸承起潤(rùn)滑作用。這樣可確保軸承的潤(rùn)滑水是清潔的，防止損壞軸承。主要的封水密封位于軸承的外側(cè)，采用進(jìn)口的U形聚氨酯密封圈，能確保閥軸上無(wú)泄漏。在不排空壓力鋼管，檢修密封投入的情況下，可以更換軸承密封。

2.5 球閥操作機(jī)構(gòu)

操作機(jī)構(gòu)接力器的直徑為Φ480 mm，行程為1 390 mm，直缸搖擺式結(jié)構(gòu),額定操作水壓為16 MPa，雙接力器操作。除去臂柄、支座等連接件，接力器主體全英國(guó)進(jìn)口。接力器的活塞桿通過(guò)臂柄與活門(mén)軸相連接，接力器的下端蓋與支座之間用銷(xiāo)軸鉸鏈連接，可自由擺動(dòng)。接力器操作力通過(guò)基礎(chǔ)板及地腳螺栓傳遞給混凝土基礎(chǔ)。

2.6 旁通管路

深蓄電站進(jìn)水閥同惠蓄、清蓄相比一個(gè)重要特點(diǎn)就是有旁通閥。旁通管路自進(jìn)水接管跨閥體連接到下游伸縮節(jié)上，由兩個(gè)Φ250液壓操作針形閥組成。球閥開(kāi)啟前，需先通過(guò)旁通管路來(lái)平衡閥門(mén)前后壓差。上游針形閥為檢修閥門(mén)，處于常開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)下游側(cè)工作針形閥需要檢修時(shí)關(guān)閉。見(jiàn)圖4。

圖4 旁通管路結(jié)構(gòu)圖

進(jìn)水閥正常開(kāi)關(guān)：在上游側(cè)檢修密封處于全開(kāi)位置時(shí)，打開(kāi)旁通閥，向蝸殼充水，使活門(mén)前、后水壓趨于平衡（活門(mén)前、后壓差不大于30%），然后打開(kāi)下游工作密封，最后開(kāi)啟活門(mén)?；铋T(mén)全開(kāi)后，關(guān)閉旁通閥。正常關(guān)閉時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉水輪機(jī)導(dǎo)葉，再轉(zhuǎn)動(dòng)活門(mén)。當(dāng)活門(mén)到全關(guān)位置時(shí)，關(guān)閉工作密封。

3 驗(yàn)收試驗(yàn)問(wèn)題情況及改進(jìn)意見(jiàn)

為了檢驗(yàn)球閥相關(guān)零部件設(shè)計(jì)的合理性和加工質(zhì)量，保證球閥工地安裝的順利進(jìn)行，在球閥總裝完成后出廠之前進(jìn)行球閥裝配試驗(yàn)出廠驗(yàn)收。

驗(yàn)收現(xiàn)場(chǎng)球閥裝配試驗(yàn)工裝設(shè)施基本完善，進(jìn)水接管、中間環(huán)、密封環(huán)、止漏環(huán)、伸縮節(jié)、閥體和活門(mén)等呈整體裝配狀態(tài)。見(jiàn)證項(xiàng)目為整體壓力試驗(yàn)、工作密封漏水試驗(yàn)、檢修密封漏水試驗(yàn)、檢修密封自鎖功能試驗(yàn)、止漏環(huán)動(dòng)作及行程試驗(yàn)、活門(mén)動(dòng)作試驗(yàn)、止漏環(huán)和密封環(huán)硬度測(cè)量、部分裝配尺寸等。

3.1 深蓄1號(hào)球閥驗(yàn)收情況

2016年11月2日，根據(jù)驗(yàn)收檢查記錄卡試驗(yàn)操作流程在安德里茨裝配車(chē)間進(jìn)行1號(hào)機(jī)球閥整體壓力試驗(yàn)，當(dāng)壓力升高至3.5 MPa，打開(kāi)連通工作密封和閥體內(nèi)腔的閥門(mén)時(shí)，在工作密封9點(diǎn)-10點(diǎn)之間位置處出現(xiàn)泄漏，狀態(tài)為多點(diǎn)流態(tài)溢出。安德里茨分析原因?yàn)槠綁翰僮鞑划?dāng)所致，緊急將工作密封投入腔升壓至約5.5 MPa后泄漏狀態(tài)為滴水狀，繼續(xù)升壓至10.6 MPa壓力。鑒于整體壓力試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)多點(diǎn)流態(tài)溢出泄漏，為檢查密封面情況，2016年11月3日完成球閥排水后，轉(zhuǎn)動(dòng)活門(mén)檢查密封面，主要情況如下：

1）在工作密封3點(diǎn)鐘、9點(diǎn)鐘附近發(fā)現(xiàn)有相對(duì)位移引起的擦痕，8點(diǎn)鐘位置附近有多處超出密封嚙合線寬度擦壓痕跡，見(jiàn)圖5；

2）閥體內(nèi)清潔度差，內(nèi)部有鐵屑等異物，見(jiàn)圖6。

圖5 超出密封嚙合線擦壓痕跡

圖6 閥體內(nèi)部清潔情況

3.2 原因分析

擦痕及漏水產(chǎn)生的原因如下：

1）泄露試驗(yàn)要求通過(guò)泵與閥體及止漏環(huán)的投入腔和退出腔接通升壓，模擬現(xiàn)場(chǎng)工況。但此升壓過(guò)程在實(shí)際運(yùn)行操作時(shí)是不存在的。首先應(yīng)在止漏環(huán)投入腔加壓，保證閥體充水不泄露，然后當(dāng)閥體充滿(mǎn)水時(shí)，給閥體加壓，當(dāng)閥體打壓升壓至與止漏環(huán)投入腔平壓狀態(tài)過(guò)程中，止漏環(huán)投入腔壓力會(huì)迅速上升，需通過(guò)泄壓閥控制,如通過(guò)手動(dòng)控制，壓降速度與幅度成非線性的變化，結(jié)合升壓與降壓的過(guò)程，止漏環(huán)與固定密封環(huán)在嚙合的情況下會(huì)在上下游方向反復(fù)運(yùn)動(dòng)，易造成劃傷。一旦產(chǎn)生泄露，閥體與止漏環(huán)同時(shí)泄壓，平壓破壞，惡性循環(huán)。但在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，不會(huì)因?yàn)樾孤抖霈F(xiàn)閥體與止漏環(huán)同時(shí)失壓的狀態(tài)。

2）試驗(yàn)進(jìn)水孔在底部，止漏環(huán)整圈壓力不均勻。

3）閥體內(nèi)部清潔不到位。

4）壓力泵內(nèi)部未清理。

2.青年價(jià)值觀的含義及其構(gòu)成要素。世界觀給予我們對(duì)所處世界的一般性看法，人生觀是人們對(duì)人生目的、意義的認(rèn)識(shí)和態(tài)度。青年價(jià)值觀是青年人生觀的體現(xiàn)，是在具體的人生觀的指導(dǎo)下形成、發(fā)展的。在我國(guó)，青年人生觀一般可以分為兩類(lèi)：即無(wú)產(chǎn)階級(jí)人生觀和非無(wú)產(chǎn)階級(jí)人生觀?！豆伯a(chǎn)黨宣言》中指出：“過(guò)去的一切運(yùn)動(dòng)都是少數(shù)人的或者為少數(shù)人謀利益的運(yùn)動(dòng)。無(wú)產(chǎn)階級(jí)的運(yùn)動(dòng)是絕大多數(shù)人的、為絕大多數(shù)人謀利益的獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)”［1］?！盀榻^大多數(shù)人謀利益”由馬克思、恩格斯提出，被毛澤東凝練成“為人民服務(wù)”，這正是無(wú)產(chǎn)階級(jí)政黨的宗旨，也是無(wú)產(chǎn)階級(jí)人生觀概念的升華。

3.3 處理及改進(jìn)意見(jiàn)

1）更換處理后的固定密封環(huán)，重新試驗(yàn)。

2）增加新的齒輪泵。接止漏環(huán)投入腔和退出腔。保證止漏環(huán)壓力穩(wěn)定。

3）增加止漏環(huán)投入腔注水點(diǎn)。

4）采用兩套泵，分別對(duì)閥體和止漏環(huán)投入腔加壓，保證壓力上升平穩(wěn)。

5）徹底清理閥體內(nèi)部。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算分析

自2016年10月份至2017年1月份，在安德里茨裝配車(chē)間分別完成了深蓄球閥1號(hào)和3號(hào)球閥的工廠驗(yàn)收試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)量活門(mén)沿下游方向的變形相比于單獨(dú)的活門(mén)的有限元結(jié)果基本吻合，對(duì)深蓄球閥閥體和活門(mén)整體進(jìn)行了有限元計(jì)算，針對(duì)變形的問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

4.1 試驗(yàn)、單獨(dú)活門(mén)有限元計(jì)算和閥體與活門(mén)整體

（1）球閥工廠驗(yàn)收試驗(yàn)放置狀態(tài)：水平放置在支撐上，投入轉(zhuǎn)臂上的鎖錠銷(xiāo)。

（2）單獨(dú)活門(mén)有限元計(jì)算：由于水壓力引起的活門(mén)力通過(guò)軸套傳遞到軸承中心點(diǎn)。在中心點(diǎn)施加位移約束Ux=Uy=0,見(jiàn)圖7。

圖7 單獨(dú)活門(mén)有限元計(jì)算

（3）閥體與活門(mén)整體有限元計(jì)算：考慮活門(mén)與推力軸承之間0.4 mm的間隙。其余邊界條件依據(jù)（1）試驗(yàn)，閥體與活門(mén)整體有限元計(jì)算見(jiàn)圖8。

圖8 閥體與活門(mén)整體有限元計(jì)算

其中閥體與活門(mén)整體有限元計(jì)算工況:一是閥體與活門(mén)與水接觸的表面施加7.06 MPa的壓力，同時(shí)考慮靜水壓力；二是閥體與活門(mén)的重量；三是工作密封投入腔的閥體表面施加8.5 MPa壓力，同時(shí)考慮工作密封投入腔壓力8.5 MPa時(shí)，工作密封作用于活門(mén)的力。

4.2 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較分析

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)同有限元計(jì)算作比較，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比表 單位：mm

根據(jù)表1對(duì)比結(jié)果，我們可以得出以下結(jié)論：

1）活門(mén)中心水流方向變形的計(jì)算結(jié)果與1號(hào)、3號(hào)球閥活門(mén)試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)趨于一致。

2）排除鎖錠銷(xiāo)與銷(xiāo)孔間隙引起活門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)的影響（6點(diǎn)變形+12點(diǎn)變形實(shí)測(cè)值與計(jì)算結(jié)果比較），1號(hào)，3號(hào)球閥活門(mén)12點(diǎn)和6點(diǎn)位置的變形與計(jì)算值趨于一致。

3）通過(guò)有限元分析可以看出，在活門(mén)中心不同部位架表，變形量的大小不一樣，最大、最小變形量差值在0.30 mm左右。因此，百分表架設(shè)的部位不一樣，其讀數(shù)會(huì)存在一定差異。總體上來(lái)說(shuō)，活門(mén)的變形趨勢(shì)是與有限元分析吻合的。

5 結(jié)束語(yǔ)

深圳抽水蓄能電站進(jìn)水閥采用安德里茨公司成熟設(shè)計(jì)，東方電機(jī)和安德里茨各制造2臺(tái)，借鑒和吸收了廣蓄、惠蓄、仙游、清蓄等運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)加以改進(jìn)完善，目前4臺(tái)進(jìn)水閥已全部通過(guò)出廠驗(yàn)收，其中整體壓力試驗(yàn)、檢修密封試驗(yàn)、工作密封試驗(yàn)漏水量遠(yuǎn)小于合同要求0.1 L/min。其設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)收的成功經(jīng)驗(yàn)對(duì)其他同類(lèi)電站進(jìn)水閥有借鑒意義。

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