抽蓄電站工作密封新型機械液壓保護裝置

郭 鵬，秦 俊

（國網新源控股有限公司抽水蓄能技術經濟研究院，北京 100761）

0 引言

在構建以新能源為主體的新型電力系統中，新能源大規模高比例接入電力系統，導致電力系統“雙高雙峰”特征日益凸顯，抽水蓄能電站集源、荷、儲多種“技能”于一身，是電力系統的“調節器”和“平衡器”，是保障電力系統安全穩定經濟運行的有力武器。抽水蓄能電站地下廠房位于上、下水庫水面以下幾十米至幾百米，通過輸水系統上接上水庫，下聯下水庫，其中主進水閥是截斷上庫水流確保地下廠房安全防止水淹廠房的核心設備，工作密封是確保上水庫幾百米壓力與下游設備可靠隔離的關鍵部件[1,2]。

作為抽水蓄能電站地下廠房最重要的安全設備，主進水閥的安全性極為重要[3,4]。為了確保水淹廠房、控制電源丟失、主進水閥可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）失去控制等極端條件下主進水閥也能安全關閉，抽水蓄能電站主進水閥控制設計了僅僅依靠機械液壓回路的失電控制回路，能夠由機械液壓回路直接動作自動關閉主進水閥活門，并自動投入工作密封的功能。然而在主進水閥關閉末期，固定在主進水閥拐臂上的楔形臂與主進水閥全關感應行程閥之間存在機械配合問題，導致主進水閥活門關閉末期仍在關閉過程期間工作密封提前自動投入，存在工作密封動密封環與固定在主進水閥活門上的固定密封環發生刮擦損壞的重大難點問題。

本文主要針對抽水蓄能電站主進水閥失電關閉過程中工作密封過早投入的重大難點問題，通過優化主進水閥全關反饋控制油回路，增設控制油油壓緩沖器（蓄能器）裝置，可徹底解決主進水閥接力器關閉活門過程末期工作密封過早投入導致的工作密封破壞。

1 工作密封機械液壓保護裝置現狀

目前國內抽水蓄能電站主進水閥大部分為球閥型式，球閥一般應為橫軸雙面密封閥；工作密封是抽水蓄能電站球閥截斷水流的主要工作部件之一，位于球閥下游側，工作密封本體包括動密封環和固定密封環。NB/T 35004-2013水力發電廠自動化設計技術規范中3.3.8規定：球閥的正常啟閉應采用液壓操作，當控制電源消失時可緊急關閥[5]。抽水蓄能電站機組及其附屬設備采購項目第三冊通用技術規范第2章水泵水輪機及其附屬設備第0204節2.6.2控制要求（3）進水閥的控制回路應由直流和交流雙回路供電，進水閥系統應該既有在電源正常的情況下“得電關閉”的液壓控制回路，又有在冗余電源均消失的情況下“失電關閉”的液壓控制回路，實現進水閥的“得電關閉”和“失電關閉”雙回路冗余控制，以保證安全。根據上述要求，球閥失電關閉回路，理論上除了關閉活門以外，工作密封也應在失電情況下自動投入。

1.1 工作密封失電自動投入應用技術

球閥通過機械液壓控制系統中的失電檢測電磁閥實現球閥活門失電關閉和工作密封失電自動投入，達到截斷水流的目的。國內某抽水蓄能電站在失電情況球閥活門全關與工作密封投入的過程如圖1所示，球閥全關允許工作密封投入的閉鎖設計如圖2所示。

圖1 主進水閥全關反饋油管路示意圖

圖2 主進水閥全關允許工作密封投入閉鎖配合示意圖

如圖1所示，球閥處于開啟狀態時，工作密封退出（上游退出腔有水壓、下游投入腔無水壓），球閥活門全開，此時工作密封控制閥處于平行位，工作密封失電檢測電磁閥線圈帶電，球閥全關與工作密封壓力水源供水閉鎖閥左側有油壓；球閥全關允許工作密封投入行程閥（以下簡稱行程閥）閥桿處于伸出狀態，此狀態將禁止工作密封在球閥未全關的條件下投入，如圖3所示。

圖3 主進水閥全開時行程閥伸出狀態不允許工作密封投入示意圖

當球閥正常關閉，依靠順控流程控制時，待球閥接力器全關不再動作后，再投入工作密封，此時不會發生工作密封破壞；當球閥失電關閉時，此時工作密封在液壓系統控制下自動投入，不受順控流程控制，存在球閥接力器關閉末期還在運動過程中，工作密封提前投入造成損壞的潛在重大難點問題。如圖1所示，球閥失電停機電磁閥和工作密封失電電磁閥同時失電的控制過程描述如下：

（1）球閥在失電停機電磁閥的作用下動作，接力器動作關閉球閥活門；

（2）工作密封失電檢測電磁閥線圈失電，彈簧作用，導致工作密封失電檢測電磁閥變位至彈簧側；

（3）工作密封控制閥處于平行位右側有油壓的管路通過工作密封失電檢測電磁閥彈簧側通路接至球閥全關允許工作密封投入行程閥上部；

（4）球閥全關與工作密封壓力水源供水閉鎖閥左側有油壓部分也接至球閥全關允許工作密封投入行程閥上部；

（5）球閥失電動作通過接力器關閉球閥活門過程的末期，當固定在球閥拐臂上的楔形臂壓住球閥全關感應行程閥后，由于行程桿的動作將導致行程閥變位（由平行位變為交叉位），此時球閥全關允許工作密封投入行程閥上部油壓將通過交叉位泄壓，如圖2所示；

（6）工作密封控制閥處于平行位右側有油壓的管路最終通過行程閥泄壓，因此工作密封控制閥將在彈簧的作用下由平行位變為交叉位；

（7）球閥全關與工作密封壓力水源供水閉鎖閥左側有油壓管路最終通過行程閥泄壓，因此壓力水源供水閉鎖閥將在彈簧的作用下變位至彈簧側；

（8）工作密封上游退出側壓力水將通過工作密封控制閥交叉位泄壓；

（9）工作密封下游投入側將通過工作密封控制閥交叉位從球閥全關與工作密封壓力水源供水閉鎖閥彈簧側的變位從壓力水源供水閉鎖閥下部獲得壓力鋼管過來的壓力水，從而投入工作密封。

1.2 現應用技術缺陷

在控制電源丟失情況下，球閥工作密封投入和球閥活門關閉的PLC控制邏輯失效，其先后時序只能由固定在進水閥接力器臂柄上的楔形臂與行程閥之間的機械配合來控制，如圖4（a）和（b）所示。當球閥接力器由全開位移動至接力器全關位時，行程閥的行程桿會與接力器臂柄上的楔形臂接觸，行程桿會先后經歷預動作行程（1.75 mm）、換向行程 （4 mm）及過行程階段（2 mm）。行程閥的行程桿有7 mm的行程，實際行程桿大約動作5 mm左右就會導致行程閥由平行位切換至交叉位。當球閥活門即將完全關閉時，行程閥開始與楔形臂發生接觸，行程閥的行程桿在上方凸輪與楔形臂的接觸作用下開始向下動作。工作密封提前投入時進水閥活門尚未完全關閉，還有約3%的剩余開度，因此造成了工作密封的動密封環與固定在進水閥活門上的固定密封環發生刮擦并損傷工作密封的后果。

圖4 楔形臂與行程閥局部示意圖

不造成工作密封破壞的理想情況應當是當球閥活門完全關閉的瞬間，行程桿在楔形臂和凸輪的作用下恰好向下動作5 mm，行程閥由平行位切換至交叉位，進而觸發工作密封投入流程。然而實際情況下，由于楔形臂和行程閥之間的安裝存在一定誤差，無法保證球閥活門完全關閉的瞬間行程閥恰好完成內部工位切換；并且為保證失電情況下工作密封能夠切實投入，安裝工人在調整楔形臂和行程閥之間的位置時會刻意使行程閥的動作時間點略微超過進水閥活門完全關閉的時間點，即在活門完全關閉前行程閥的行程桿便已動作5 mm，行程閥由平行位切換至交叉位，這將導致在活門完全關閉前工作密封便開始投入，極大地增加了工作密封在投入過程中與固定在進水閥活門上的固定密封環發生刮擦進而引發工作密封損壞的風險。即上述步驟中第5步由于行程閥的提前動作，導致后續不可控的第6步到第9步也提前動作，從而導致工作密封提前投入造成破壞。

2 工作密封機械液壓保護裝置改進措施

針對抽水蓄能電站球閥機械液壓失電控制回路存在缺陷的現狀，主要解決思路是推遲行程閥變位導致的控制油壓泄壓時間，以保證球閥接力器全關到底不動后活門也不動作，此時再自動投入工作密封，從而避免工作密封的破壞。

改進措施是在球閥全關允許工作密封投入反饋控制油回路增設控制油油壓緩沖器（蓄能器）裝置，蓄能器以石油基液壓油和氮氣為工作介質，如圖5所示，實現控制油回路中控制油泄壓的8~10 s延時控制，彌補接力器拐臂上的楔形臂與進水閥全關感應行程閥之間機械配合的不足，可以有效避免球閥失電關閉過程中關閉末期工作密封提前投入導致的進水閥工作密封破壞的情況。

圖5 改進后的主進水閥全關反饋油管路示意圖

蓄能器作為球閥全關反饋油管路的重要組成部分，以石油基液壓油和氮氣為工作介質，安裝在球閥全關反饋油管路，主要原理就是利用波義耳定律，即在定量定溫下，理想氣體的體積與氣體的壓強成反比[6]。蓄能器膠囊中氮氣氣體具有壓縮性，如圖6所示，通過液壓油來壓縮膠囊實現儲能工作。開始的時候將預定壓力（3.5 MPa）的氮氣氣體充到蓄能器中的氣密隔離件的膠囊內，而膠囊的周圍則是液壓油，該液壓油與球閥全關反饋油管路相通。當球閥全關允許工作密封投入控制油回路中壓力升高時，控制油進入蓄能器并壓縮膠囊內部的氮氣氣體從而儲存能量；當球閥全關允許工作密封投入控制油回路中壓力下降至3.5 MPa以下時，壓縮的氮氣氣體開始膨脹，使得控制油流向球閥全關反饋油管路從而釋放能量。

圖6 控制油油壓緩沖器（蓄能器）裝置

蓄能器內的控制油排入球閥全關反饋油管路中，為球閥全關反饋油管路中的控制油提供臨時的油壓補充，實現球閥全關反饋油管路中油壓的延時釋放，使得控制油沒有完全通過球閥全關感應行程閥交叉位回流至回油箱，從而避免球閥全關反饋油管路發生快速瞬時泄壓；這樣，在蓄能器的延時泄壓作用下，能夠保證當球閥活門完全關閉時，工作密封自動投入，避免工作密封提前投入而造成損壞。

3 結語

在主進水閥控制油路上增設蓄能器裝置，并于蓄能器中預先充入預定壓力的惰性氣體；在失電狀態下，通過主進水閥控制油路和工作密封控制水路對主進水閥和工作密封的配合控制，以及蓄能器對主進水閥控制油路的延時泄壓作用，能夠實現控制油回路中控制油泄壓的8～10 s延時控制，彌補接力器拐臂上的楔形臂與主進水閥全關感應行程閥之間機械配合的不足，可以有效避免主進水閥失電關閉過程中關閉末期工作密封提前投入導致的進水閥工作密封破壞的情況。該改進措施有力支撐我國抽水蓄能電站工程建設和運行，社會安全經濟效益巨大，推廣應用前景廣闊。