周寧抽水蓄能Ф2.35 m球閥的結構設計特點介紹及其結構思考

高 欣，魏顯著

（1.哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150040；2.哈動國家水力發電設備工程技術研究中心有限公司，黑龍江 哈爾濱 150040；3.水力發電設備國家重點實驗室（哈爾濱大電機研究所），黑龍江 哈爾濱 150040）

1 前言

周寧抽水蓄能電站位于福建省寧德市周寧縣境內，地處福建沿海 500 kV主網架附近，為閩東沿海北部新興能源基地和省網與華東區域電網連接處，距福州市、寧德市和南平市的公路里程分別為110 km、50 km和120 km，距寧德核電站、大唐寧德電廠分別約90 km、50 km，距寧德500 kV變電站距離33 km。哈爾濱電機廠有限責任公司承擔周寧抽水蓄能電站水泵水輪機、發電電動機和球閥以及調速器和自動化元件的設計制造工作。該球閥為Φ2.35 m球閥由上游延伸段 、球閥閥體、活門、接力器 、伸縮節 、基礎部件及其把合螺栓以及密封操作水管路和接力器控制油管路等組成。周寧抽水蓄能共4臺機組和球閥，周寧機組2021年底已完成現場1號和2號機的各項調試試驗工作，目前均已投入商業運行。

2 球閥的結構與分析

2.1 基本參數

球閥型號QF525-WY-235

公稱直徑Ф2 350 mm

最大靜水壓525.32 m

設計壓力760 m

開啟時間60～100 s,關閉時間 60～100 s

接力器操作油壓6.3 MPa

2個接力器直徑Ф550 mm.

2.2 球閥的結構布置

整個電廠為一洞兩機的布置形式，具備關機關閥的功能。Φ2.35 m球閥安裝在壓力鋼管后，水泵水輪機的蝸殼進口法蘭前。水泵水輪機進水閥的作用有：（1）水泵水輪停機或檢修時，關閉球閥減少或避免抽水蓄能電站上庫向下庫漏水；（2）水泵工況啟動、抽水調相或發電調相運行等運行工況利用球閥擋水造壓，以便機組啟動和工況轉換；（3）水泵水輪機發生事故如導水機構故障不能關閉時、廠房內管路或設備部件破裂損壞漏水時，緊急關閉球閥以切斷水流以防止事故擴大及機電設備和廠房安全； 球閥是水泵水輪機必不可少的附屬設備，其啟閉頻次與水泵水輪機主機的開關次數一樣，加上停機和檢修工況，其實際運行條件較水泵水輪機主體更為嚴苛、運行時間更長。因此，對球閥的結構安全性、可靠性和運行操作性能具有特別高的要求

球閥布置見圖1。球閥上游連接（項1）與壓力鋼管采用工地焊接相連,球閥的下游裝有帶進人門的伸縮節（項5），伸縮節上設置進人門減少了蝸殼進口廊道的開挖，增加了機墩的整體剛度，但進人門的連接螺栓強度和門的整體強度要給與充分考慮其安全性。閥體的上下游側法蘭均采用預設預緊力的螺栓與伸縮節和上游連接管連接，由于球閥采用退出工作密封平壓，以及水泵水輪機的蝸殼平壓管路的設計中已考慮了運行和檢修時蝸殼內的排氣和補氣功能，因此球閥不設置設旁通管和空氣閥。為保證球閥在檢修狀態的安全，在球閥檢修密封側設置了球閥防開啟自鎖功能。

圖1 球閥布置

球閥系統由球閥本體、密封操作柜、球閥控制柜、油壓裝置以及油管路和相應的水管路以及測壓系統組成。球閥臥軸布置，上下游側均設置水壓操作的金屬活動密封，上游側的金屬活動密封被稱為檢修密封，下游側的被稱作工作密封、油壓操作接力器的結構。不需要排空上游壓力鋼管和拆卸球閥便可以檢修和拆卸以及更換下游側金屬活動密封即工作密封。移動密封環通過上游側取水通入密封的投入和退出腔進行投退操作。

工作密封由球閥密封控制柜內的油控水閥進行控制，檢修密封為手動閥門控制。球閥開啟通過打開球閥工作密封來實現球閥上下游的平壓，檢修密封活動密封副和工作密封活動密封副上，可移動部分的移動密封環上均采用進口星型密封。星型密封由高硬度耐磨的聚氨酯環和“0”形圈組成，該密封的設計原理是密封圈具有足夠的伸縮性，當閥體與活動固定密封環由于受力變形，密封間隙變大時，能起到很好的補償作用，保證了密封性能。樞軸瓦采用進口的銅基鑲嵌式軸套，進口的U型橡膠密封。球閥采用雙接力器，轉臂與兩個雙作用活塞接力器采用6.3 MPa的油壓操作。通常，球閥的開機是在上游和下游側壓差通過工作密封打開后達到30%的壓差即可開啟，球閥開停機操作，通常在活動導葉處于全關位置后，在靜水中進行。但在抽水調相或發電調相運行工況，為縮短機組的工況轉換時間，且由于導葉的開啟時間要少于球閥的開啟時間通常球閥在活動導葉開啟前已經開啟一定角度。在緊急狀態下球閥的設計也能夠實現其動水狀態下關閉，以保證機組的安全。

2.2.1 閥體

閥體（見圖2）采用高強度合金鑄鋼ASTM A1A8 GR80-50制成，縱向垂直大小兩瓣閥體分半鑄造后，將活門初步加工后放入閥體中焊為一個整體。整體結構可提高閥體強度及剛度，可將閥軸產生的強大水推力安全可靠地傳遞到閥體上游法蘭上。此結構活門、閥軸采用整體結構，結構簡單，安全性高。閥體帶有連接上游連接管和下游伸縮節的法蘭，閥體、軸承座、上游側法蘭能承受在球閥截斷水流時，水流作用在活門和閥體上的最大水推力。閥體底部帶有整體結構底座，可將全部垂直荷載傳遞到混凝土基礎上。閥體能沿軸線方向作微量移動，使球閥地腳螺栓不承受軸向水推力。閥體頂部設置一個排氣孔，用于充水時排除閥體頂部的空氣，底部設置排污閥，用于檢修時排掉積水和沉積的泥沙。

閥體的結構剛度和強度是閥體結構設計的重要指標，在設計過程中，采用了先進的有限單元分析（FEM）技術進行剛強度計算分析和優化。

2.2.2 活門

活門（見圖2）采用高強度合金鑄鋼ASTM A1A8 GR80-50材料制造。活門的過流通徑與壓力鋼管相同，并經機加工，以減小通過球閥的水頭損失。左右閥軸與活門為整鑄結構。閥軸上對應支撐軸承位置設置了可更換的不銹鋼襯套，不銹鋼襯套與閥軸有一定緊量，采用熱套裝配。來自操作機構的力矩通過閥軸傳遞到活門上。活門采用了整體結構之后，提高了活門強度及剛度。閥體和活門進行同加工，保證了活門兩軸端與閥體軸承孔同軸，以及活門上密封座安裝面和閥體上密封環的接觸面同軸，使工作密封和檢修密封的漏水量降至最低。活門上裝有密封座，與閥體上的移動密封環配合起密封水的作用。

圖2 活門和閥體三維造型

在活門結構設計過程中，同樣采用了有限元（FEM）技術進行剛強度計算分析和優化，在應力允許范圍內，控制活門密封面的不均勻變形量和閥體水漲變形量滿足密封要求。

計算閥體時，是將上游連接管、閥體和伸縮節作為一個整體考慮，工況分別考核活門全開密封退出、只有檢修密封投入、只有工作密封投入三種工況，水壓力分別按最大靜水壓、設計壓力和打壓試驗和活門打壓試驗。

計算活門時，考慮以上的因素外，還要考慮檢修密封和工作密封處的變形情況，用于星型密封的選擇，以及分析活門閥軸的應力和變形情況等。

2.2.3 球閥密封

球閥密封為雙面金屬密封，主密封（見圖3）包括上游側檢修密封與下游側工作密封。密封裝置為可拆卸結構，由活動密封環和固定密封座組成。活動密封環材料為不銹鋼鑄鋼，固定密封座材料為不銹鋼鍛鋼。固定密封座用不銹鋼螺栓把合在活門上，可以方便地更換，所有螺釘牢固固定。活動密封環為 T型結構，設計成滑動式，活動密封環位于閥體與連接法蘭間的密封腔內，可根據控制前后移動，當活門到達全關位置后，活動密封環滑動并壓緊固定密封座，起到密封作用；在活門開啟前活動密封環離開固定密封座，解除密封。

圖3 移動密封環和固定密封座

下游側工作密封由球閥密封操作柜自動操作。上游側檢修密封由手動操作，并設有防腐蝕機械鎖錠裝置。活動密封環采用上游側壓力鋼管中的水作為介質，通過一套過濾系統過濾水質。活動密封環的投入和退出通過球閥密封操作柜控制活動密封環操作水源來實現。

球閥密封包括上游的檢修密封與下游的工作密封，密封裝置可拆卸。移動密封環和固定密封環均采用抗腐蝕抗磨蝕的不銹鋼材料制成。移動密封環和固定密封環見圖2，固定密封環用帶預緊力的螺釘把合在活門上，可以方便地更換。移動密封環位于閥體與過渡法蘭間的密封腔內。對于工作密封，當活門轉動到全關位置后，移動密封環在水壓力作用下動作并滑動，壓緊固定密封座起到密封作用，同時接力器達到接力器缸蓋位置以限位；在活門開啟前移動密封環脫離固定密封座，到位后發出位置信號，此時活門才可打開。閥體和過渡法蘭上的移動密封環滑動面，采用經精加工的不銹鋼護襯，兩端分別焊接在閥體上。上游側密封為檢修密封，設有防腐蝕機械鎖定機構。

密封有一套反映上下游密封位置的信號裝置，其信號通過電纜線接至球閥的控制系統。位置信號裝置中的限位開關，在密封環退出位置，可以發出電氣信號給控制系統。在信號未發出之前，活門禁止轉動。

2.2.4 球閥樞軸軸瓦和密封

軸承瓦采用德國格萊希亞公司生產的、進口的DEVA-BM自潤滑軸承材料，具有良好的承壓性和自潤滑性。軸承瓦采用特殊工具壓入軸承鋼套內，在閥體不分瓣拆開時，隨鋼套一起從閥體兩側拆出。軸瓦有足夠的承載能力，能在承受活門的最大軸向壓力時，保證樞軸正常轉動而不產生擦痕或有害變形。

鋼套外側與閥體接觸部位設有兩道O型靜密封，鋼套內側與閥軸接觸部位屬于旋轉運動密封，設兩道密封，一道接近閥體內側，采用整圈O型密封圈，防止泥沙進入軸瓦，密封槽設有平壓孔，使鋼套內外側壓力相同；另一道在閥體外側，采用U型密封圈，利用旁通孔引入的壓力水漲開U型密封的唇邊，達到密封效果。為了盡可能延長更換密封的周期，在U型密封圈的外側，增設了一道組合格萊圈密封。

2.2.5 活門操作機構

操作機構包括接力器、轉臂、鎖錠裝置及附件等。 球閥由一個雙作用油壓接力器操作，接力器與轉臂連接，轉臂與閥軸通過銷連接。接力器的作用為活門旋轉開啟、關閉的操作動力源。 接力器操作力能滿足球閥的動水關閉、靜水開啟和靜水關閉。接力器操作油取自球閥油壓操作系統，接力器能在油壓裝置的最小油壓下，實現最壞操作工況（動水關閉）下球閥的安全關閉。

接力器缸體采用鍛鋼材料，活塞環采用進口的聚四氟乙烯復合密封，僅一道密封即可使接力器內泄漏接近為零，而且壽命長，更換方便。活塞桿采用不銹鋼材料，并采用鍍鉻工藝，極大地提高了表面光潔度，增強了密封的可靠性。此外在活塞和前缸蓋上設置導向帶，以防止作用在密封上的側向載荷。接力器的兩端配有監測壓力用的接頭。

接力器供排油管為剛性管路，與接力器上管路活動接口采用高壓軟管連接。接力器設置檢修排油管路及閥門，用以在檢修時排凈接力器兩端的存油。

2.2.6 球閥鎖錠操作系統

球閥鎖錠操作系統包括活門位置鎖錠、檢修密封鎖錠、工作密封和接力器互鎖系統等。

（1）活門位置鎖錠裝置

球閥在活門的兩側均設有活門全關位置自動操作的液動鎖錠裝置和全開位置液動操作的液動鎖錠裝置以及鎖錠位置信號裝置，信號傳至球閥控制柜。球閥鎖錠機構的作用是將活門固定在全關或全開位置，防止誤操作打開或關閉閥門。液動鎖錠裝置在球閥全關后自動投入；球閥或水泵水輪機維修時，可以通過機械鎖錠裝置手動鎖定球閥在全關或全開位。球閥的試運行過程中，由于兩個活門位置鎖錠裝置與控制柜的距離不同，而導致其投退時間不同，影響了開關機時間。

（2）檢修密封鎖錠

當需要檢修機組或檢修球閥工作密封時，需投入球閥檢修密封環并按對稱順序投入檢修密封鎖錠。由于檢修密封環有自鎖功能，當上游充水后，即使投入腔失去水壓，檢修密封環仍能保持在投入位置。此外，檢修密封還具有投入腔水失壓后，退出腔建壓后的防開啟自鎖功能。只有退出腔建壓且閥體與上游連接管平壓管打開的情況下才能退出檢修密封。為了防止誤操作使檢修密封環退出，需投入檢修密封鎖錠作為雙保險。這種設置雖然是安全的，但是自鎖功能的水管路設置較為復雜。

（3）工作密封和接力器互鎖系統

為了加強球閥安全保護措施，防止誤操作而碾傷下游工作密封，下游工作密封和接力器上均設有切換閥，使工作密封和接力器之間能夠實現開啟和關閉的機械液壓互鎖功能。

球閥開啟前，只有工作密封環完全退出時，接力器才能開啟。

工作密封設有切換閥，安裝在伸縮節上，切換閥上的閉鎖管路連接至球閥控制柜內的控制閥，當工作密封環退出時，指針桿觸碰工作密封切換閥，改變了切換閥及閉鎖管路內的油路，最終通過控制柜內的控制閥實現接力器的開啟。

當球閥關閉后，工作密封環才能投入。

接力器上設有行程換向閥，換向閥上的閉鎖管路連接至球閥密封操作柜內的控制閥，當接力器關閉時,耳柄上的限位板觸碰換向閥，改變了換向閥及閉鎖管路內油路的走向，最終通過密封操作柜內的控制閥實現工作密封環的投入。

2.2.7 上游連接管和伸縮節

上游延伸管與壓力鋼管通過焊接方式相連，焊接形式的上游延伸管具有足夠的剛度和強度，能承受作用在球閥上的最大水推力。上游連接管上有與壓力鋼管排水管、活動密封環操作水管及其他管路連接的帶法蘭的管口。在上游連接管上設置測壓孔，用以測量壓力鋼管的壓力。測壓孔鑲有不銹鋼制造的測頭體。

上游連接管下部設置壓力鋼管排水管，并帶有放水用不銹鋼消能針閥，能夠充分消除壓力鋼管排水至尾水管時水流對尾水管里襯的沖擊，并在其上、下游配置一個不銹鋼檢修球閥。

對伸縮節上的進人門進行了有限元分析（FEM）計算分析，在最大設計壓力下，進人門的剛強度滿足使用要求。

為了便于球閥的安裝和拆卸，在下游側與蝸殼之間設有伸縮量為30 mm的套筒式伸縮節，套筒式伸縮節與蝸殼進口法蘭連接，能適應廠房因溫度高低變化引起的軸線方向的位移，以及施加在活門上的作用力能引起延軸線方向微小位移。法蘭處密封采用兩道“O”型橡膠密封圈，能有效防止管與法蘭因微小滑動而產生的漏水。

3 廠內試驗

球閥出廠前進行了動作試驗、活門閥體打壓試驗和密封試驗。

動作試驗：活門在整個開關運行過程中要運行平穩，無卡阻及震動現象發生。

打壓試驗：球閥與上游連接管參與球閥的打壓試驗進行了打壓試驗，為設計壓力的1.5倍為壓力11.175 MPa,試驗時上下游移動密封環處于全開狀態。

活門壓力試驗：壓力為設計壓力的1.2倍，試驗時檢修密封處于關閉狀態，上游側封堵；工作密封處于關閉狀態上游側封堵。

活門密封試驗：工作密封和檢修密封分別進行了密封試驗，試驗壓力7.45 MPa，采用檢修密封處于關閉狀態，上游側封堵；工作密封處于關閉狀態上游側封堵的方法進行，漏水量滿足合同要求。

經各項試驗表明，閥體和活門的應變水平均在合理范圍之內，閥體、活門和上游延伸管以及伸縮節具有足夠的強度和剛度，密封漏水試驗結果符合設計要求且滿足合同的要求，表明該項目設計工作取得圓滿成功，并順利出廠驗收。

4 電站調試的一些思考

4.1 關于活門位置鎖錠裝置

球閥在活門的兩側均設有活門全開和全關位置手自一體的液動鎖錠裝置以及鎖錠位置信號裝置，信號傳至球閥控制柜。活門的位置鎖定不能阻止接力器的誤動作且該裝置與控制柜的距離遠近還導致其開關時間的不同，影響流程的安排。由于水泵水輪機的工況轉換較復雜，簡潔有效的控制措施對于水泵水輪機的控制的順暢執行是有利的。南網陽江球閥的理念就只采用活門全開位置的手動鎖定，而不需要采用自動控制參與流程。

4.2 工作密封和接力器互鎖系統

該系統對于調試初期的球閥是非常有好處的，因為它防止了由于接力的誤動導致工作密封的損害。

4.3 工作密封和尾水閘門互鎖系統

球閥只采用工作密封與尾水閘門的電氣互鎖，而沒有采用液壓互鎖，可能產生一定安全隱患。而南網陽江項目采用的是液壓互鎖。

4.4 檢修密封環的自鎖

檢修密封環有自鎖功能增加了控制的復雜程度，且自鎖管路長期存在承受高水壓的風險。

5 結束語

周寧抽水蓄能電站Φ2.35 m球閥不僅在在哈爾濱電機廠有限責任公司車間內，順利通過并完成了球閥閥體、活門的打壓試驗、球閥活門的密封試驗和球閥的動作試驗以及接力器的密封試驗、壓力試驗和接力器動作試驗等以及業主較為嚴苛的驗收。在2021年底1號和2號球閥也已在工地現場完成各項無水調試和有水調試工作，并全部與2022年元月順利投入商業運行，效果良好，為哈爾濱電機廠有限責任公司贏得了較好的國際聲譽，也為閩東電力發展注入了新的活力。