水電站水力自動控制閥“偷關”故障分析

史恩澤，陸 波

(國網東北分部綠源水力發電公司太平灣發電廠，遼寧 丹東 118000)

0 引言

自2000年以來，國內一些水電廠為解決水輪發電機組技術供水系統的壓力波動頻繁和以油為能源的操作閥門存在的油滲漏問題，相繼引進了以色列某公司生產的水力自動控制閥，替代原有的依靠手動操作的壓力調節閥。該類型的閥門用水作為啟閉操作能源，水源取自機組的技術供水，自投入應用以來，憑借其設計和制造工藝的獨特優勢，加上其產品壽命長、維護工作量小，具有自動調整壓力和逆止閥的功能，可根據閥門上游來水壓力的變化，自動控制閥門的開度來穩定下游水壓，在減輕運維人員勞動強度等方面發揮了一定的作用。

很多水電站也將該設備的啟閉操作引入水輪發電機組自動運行的流程中，機組接到自動開機指令，控制電磁閥發“開啟”指令，閥門自動開啟，技術供水投入。同理，當機組接到自動停機指令，機組轉速降到0時，控制電磁閥發“關閉”指令，閥門自動關閉，技術供水中斷。

然而，近幾年來，該類型的閥門發生了幾起“偷關”事故，給運行中的水輪發電機組帶來了安全隱患，也使技術人員對該產品的可靠性和安全性產生了質疑。

針對東北地區某水電站發生的幾起水力自動控制閥“偷關”事故，分析“偷關”事故原因及危害，并提出相應的運維建議。

1 “偷關”事故

某水電站位于遼寧省寬甸滿族自治縣長甸鎮拉古哨村，電站廠區內有兩座引水式廠房，其中A廠房內安裝有1，2號水輪發電機組，單機容量75 MW，1989年投產發電。B廠房內安裝有3，4號水輪發電機組，單機容量100 MW，2014年投產發電。

2001年，該電站將1, 2號機組的發電機冷卻水操作閥41DP和水導軸承潤滑水操作閥43DP, 44DP更換為以色列某公司生產的水力自動控制閥。

2014年6月，正在運行中的2號機組發生了一起水力自動控制閥“偷關”事故，導致發電機冷卻水中斷，當時由于機組的保護裝置和報警裝置也存在一些問題，運行人員未及時發現，從而導致機組在沒有冷卻水的情況下繼續運行近6 h后自動停機，造成發電機某些部件損壞，機組因搶修而退出備用。

事故發生后，為增強設備的可靠性，電廠接受了設備廠家代表的建議，對控制系統進行升級改造，控制啟閉的電磁閥由原單線圈雙穩態電磁閥更換為雙線圈雙穩態電磁閥。

2018年8月和2020年9月，該電站正在運行中的1號機組又分別發生了水力自動控制閥“偷關”故障，這兩次故障由于運行人員發現及時，并在短時間內通過手動方式將水力自動控制閥打開，避免了事故的發生。

2 水力自動控制閥自動開關的原理

2.1 水力自動控制閥的主要結構

水力自動控制閥由閥體和控制操作結構組成。

(1) 閥體結構。主要包括：閥體、閥桿、密封圓盤、隔離圓盤、固定導向盤、中心導向、橡膠隔膜、橡膠密封、排水孔、濾過器等。

(2) 控制操作結構。主要包括：導閥(a)、針閥(a2)、三通Relay、手動三通(b)、啟閉電磁閥(c)、導水管等部件組成。其中，導閥的是作用是根據上游水位變化，通過控制閥體開度使其閥后壓力穩定在一定范圍內，導閥下部的針閥可調節閥門的開關速度。電磁閥的功能是接受開、停機指令，自動控制閥門的開啟和關閉。

2.2 水力自動控制閥的自動開關流程

關于水力自動控制閥自動開關的工作原理，國內一些刊物已有詳細闡述，本電站原本采用的是單線圈雙穩態電磁閥，其自動開關工作流程如圖1和圖2所示。將“手動三通”的旋鈕旋至“Auto”位置，使“手動三通”的下腔與電磁閥的兩孔相通，閥體的開關由電磁閥進行控制，即自動控制。

圖1 水力自動控制閥自動開啟流程

圖2 水力自動控制閥自動關閉流程

(1) 閥體開啟過程是閥體隔膜上腔排水，路徑為：隔膜上腔水→閥門d3→導水管→導閥→三通Relay→導水管→閥門d2→下游，閥體隔膜被頂起，上腔水排出，閥體開啟。

(2) 閥體關閉過程是閥體隔膜上腔注水，路徑為：上游壓力水→閥門d1→導閥→導水管→閥門d3→閥體隔膜上腔，閥體隔膜被壓下，與彈簧共同作用，閥體關閉。

在整個控制過程中，“三通Relay”起到了十分重要的作用，由閥體、活塞、上腔、下腔、側腔等組成，其活塞所處位置決定水力自動控制閥的開啟和關閉。當活塞處于上腔位置時，側腔打開，閥體處于開啟狀態；活塞處于下腔位置時，側腔關閉，閥體處于關閉狀態。而自動狀態下，三通Relay的活塞位置由電磁閥控制。

雙線圈雙穩態電磁閥的控制原理與單線圈雙穩態電磁閥的控制原理相似，只是電磁閥增為兩個，一個控制開啟，一個控制關閉。

3 水力自動控制閥的故障類型及分析

根據水力自動控制閥的工作原理和對國內一些使用單位的了解，運行中的水力自動控制閥的故障類型包括：不能開啟；不能關閉；無指令條件下自動開啟(“偷開”)；無指令條件下自動關閉(“偷關”)。

3.1 控制閥“不能開啟”或“不能關閉”

水力自動控制閥“不能開啟”或“不能關閉”是由控制系統管路堵塞、接頭漏水或隔膜破損所致，這些缺陷使控制系統無法形成滿足閥門開啟或關閉所需要的閥體上、下腔之間的壓差。

3.2 控制閥“偷開”

水力自動控制閥“偷開”是由于閥門d3至導閥之間的管路有破損、接頭損壞、滲漏或控制開啟的電磁閥關閉不嚴而漏水等原因導致，使得三通Relay活塞移動至上腔位置，側腔打開，閥體上腔的壓力水排出。

3.3 控制閥“偷關”

水力自動控制閥“偷關”是因為水力自動控制閥關閉需要將三通Relay活塞壓入下部，其側腔處于封閉斷水狀態，上游壓力水經過閥門d1、導閥、導水管、閥門d3至閥體隔膜上腔，壓下閥體的隔膜，閥體關閉。如果控制關閉的電磁閥存在關閉不嚴而漏水的缺陷，當漏水量的壓力積累到關閥所需壓力臨界值時，壓力水會將三通Relay活塞壓入下腔，此狀況下水力自動控制閥會被“偷偷地”關閉。

電磁閥漏水是由于控制系統通路內的水中含有雜質，雜質可能是控制系統取水源的濾過器質量問題，導致雜質進入控制通路，也可能是控制管路內結垢造成的，雜質卡到電磁閥閥芯處，導致控制關閉的電磁閥封水不嚴密，漏水的壓力逐步積累，在無任何預知的情況下，將三通Relay活塞壓入下腔位置，“偷偷地”將水力自動控制閥關閉，2014年6月那次“偷關”事故，就是由于控制系統的管路結垢所致。

理論上講三通Relay活塞處于下腔位置，閥體就會關閉，但從結構上講，其上腔沒有壓力水，活塞不會自動滑到下腔位置，其壓力僅來自電磁閥，故判斷水力自動控制閥“偷關”的主要原因是電磁閥關閉不嚴。

4 水力自動控制閥“偷關”特點及危害

4.1 “偷關”特點

根據上述分析可知，水力自動控制閥“偷關”的原因是由于有雜物或垢物卡在電磁閥的閥芯處使其關閉不嚴，漏水量積累到關閉閥體壓力臨界值時，會將三通Relay的活塞置于下腔位置，導致閥體關閉。當下一次開啟時，閥芯下面的雜質會被水流沖走，“偷關”問題就會自動消失。因此，水力自動控制閥的“偷關”缺陷具有一定的偶發性，發生之前沒有任何預兆，下一次開啟后會自動消失。

4.2 “偷關”故障危害

水力自動控制閥的“偷關”問題，對水輪發電機組危害極大，它會使正在運行中的水輪發電機組冷卻水或潤滑水中斷，如不能及時發現，會使機組溫度迅速升高，對推力軸承部件(推力瓦、鏡板、油瓦測溫元件等)、導軸承部件(導軸瓦、油瓦測溫元件等)和主軸等摩擦部件損壞，并對發電機定子(定子線棒、銅環、測溫元件、絕緣盒等)和轉子(磁極線圈、極間連接線)的絕緣材料造成破壞，同時還可能導致事故停機，對電網造成一定的影響，危害極大。2014年6月發生的一起“偷關”故障最后導致定子和轉子絕緣受損，最終引發發電機出口開關跳閘，機組因過速而發生事故停機。

對于控制閥“不能開啟”的故障，一般在機組投入運行前能夠發現，不會造成事故；對于控制閥“不能關閉”和“偷開”的故障，會使機組停機狀態下技術供水仍然投入，也不會引發機組安全問題。因此，預防這類控制閥“偷關”問題，是安全防范的重中之重。

5 水力自動控制閥運維建議

(1) 水力自動控制閥閥體本身一般不會損壞，只要在機組大修時進行分解檢查即可避免，同時應定期更換橡膠密封。

(2) 橡膠隔膜一旦發生破損，會導致閥門本身無法開啟或關閉，應在檢修時進行檢查，并定期實施更換。

(3) 導閥、電磁閥、手動三通、三通Relay等部件因使用了優質材料，一般不易損壞，也不易結垢，只要在機組檢修時進行清洗即可，同時設備管理單位應存有少量備品。

(4) 要加強對控制系統中的管路和濾過器的檢查和清洗，防止結垢或雜質進入，并定期更換，同時建議在控制管路前加裝外置精密濾過器，從而最大限度地防止雜質進入，降低事故風險。

(5) 巡回檢查過程中要注意加強對密封接頭的檢查，防止發生“偷開”和“開不啟”故障。

6 水電站機組技術供水建議

因水力自動控制閥的啟閉操作能源是取自水電站機組的技術供水，決定了操作能源不能像油那樣雜質度低，即使加裝再精細的過濾器，也不能完全確保微小雜質不進入控制管路中，不如用電作操作源可靠。如果不能徹底解決電磁閥漏水問題，“偷關”故障就不能完全避免。

為了提高水電站機組技術供水的可靠性，提出相關改進建議，即：取消機組自動啟停流程中與水力自動控制閥通斷的關聯功能，該閥設置在手動常開狀態，在其后端加裝電動閥(蝶閥或球閥)，電動閥的開啟和關閉加入機組自動啟停流程中，替代水力自動控制閥，用于機組冷卻水和潤滑水的投入和退出。這樣既保留了水力自動控制閥自動調壓等優點，又能通過電動閥保證技術供水通斷的可靠性。

該電站B廠房內3，4號機組就采用的是減壓閥后面加裝電動蝶閥的設計，減壓閥常開，電動閥開啟引入機組自動啟停流程，自2014年投產以來，運行狀況良好，從未發生任何影響機組運行的安全問題。

7 結束語

以色列某公司生產的水力自動控制閥使用壽命長、維護工作量小、自動調壓可靠性高，可減輕運維人員勞動強度，適應工作水頭變化大且頻繁的中高水頭水電站。但該產品受技術供水用作操作能源的局限，無法徹底解決自動控制電磁閥的漏水問題，盡管水力自動控制閥的“偷關”事故的頻率極低，但發生后危害極大，不僅是對機組本身的影響，還會對電網造成一定的沖擊，機組本身的容量越大，對電網的沖擊也越大。

因此，對于已使用水力自動控制閥的水電站，不建議將對其啟閉操作引入機組自動啟停流程中，但要利用其自動調壓等優點，進行科學的維護管理，避免“偷關”事故的發生。