阿海水電站圓筒閥分析研究

胡秀成，韓冬冬，王 東

（1.云南華電金沙江中游水電開發(fā)有限公司，云南 昆明 650228；2昆明理工大學冶金與能源工程學院，云南 昆明 650093；3.貴州六盤水供電局，貴州 六盤水 553000）

阿海水電站圓筒閥分析研究

胡秀成1，韓冬冬2，王 東3

（1.云南華電金沙江中游水電開發(fā)有限公司，云南 昆明 650228；2昆明理工大學冶金與能源工程學院，云南 昆明 650093；3.貴州六盤水供電局，貴州 六盤水 553000）

阿海水電站圓筒閥是目前世界上已知最高的圓筒閥。本文對阿海水電站設(shè)置圓筒閥必要性進行了綜合分析，認為設(shè)置圓筒閥安全經(jīng)濟可靠。不同于其他電站圓筒閥，阿海圓筒閥采用先進的聯(lián)體接力器，本文分析了其液壓同步特點及控制系統(tǒng)，同時對操作模式進行了總結(jié)性說明。這對電站圓筒閥的設(shè)置、設(shè)計或改造等研究具有重要的指導意義。

圓筒閥；液壓同步；聯(lián)體接力器；控制系統(tǒng)

0 引言

對于多泥沙河流，水輪機停機時導葉漏水量過大、間隙空蝕嚴重，會產(chǎn)生長期運行后不能正常停機和開機時充水困難等一系列問題，嚴重危害機組安全經(jīng)濟運行。而球閥等，占地面積大，增加廠房投資，不經(jīng)濟。圓筒閥密封性好，但是液壓同步性差，易卡阻［1-3］，本文針對金沙江中游河段阿海水電站圓筒閥進行分析研究。

1 阿海設(shè)置圓筒閥必要性綜合分析

1.1 阿海運行特點及設(shè)置圓筒閥優(yōu)點

阿海電站供電范圍為廣東、華中四省和華東地區(qū)，接入云南電網(wǎng)的輸送平臺，在電網(wǎng)中具有調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用的功能。機組運行有以下主要特點：①電站過流含沙量較大，壩址多年平均含沙量0.741kg/m3。②阿海電站水庫調(diào)節(jié)庫容小，為日調(diào)節(jié)，機組啟動、停機頻繁。③是電力系統(tǒng)的主力電站，對機組長期穩(wěn)定安全運行要求高，水輪機過流部件應具有良好的抗磨損、抗空蝕性能，并具有可靠的防飛逸設(shè)施。根據(jù)機組以上特點，結(jié)合圓筒閥的主要優(yōu)點，有必要考慮設(shè)置圓筒閥。

水輪機設(shè)置圓筒閥的主要優(yōu)點：①圓筒閥具有良好的密封性能，提高了機組運行可靠性和靈活性。初步計算，當阿海停機時只關(guān)閉導葉，水輪機漏水量發(fā)電初期為1.7 m3/s左右，后期約3.4 m3/s，而停機時關(guān)閉導葉又關(guān)閉圓筒閥的漏水量僅為40 L/s左右，后者為前者的4%。因此消除了停機時導葉關(guān)閉位置因?qū)~漏水而造成的間隙空蝕損壞，解決了機組長期運行后由于導葉磨蝕漏水量過大不能停機和開機時充水困難等問題（云南某電站6號機開始運行時未投入圓筒閥，開停機很困難，無法用作熱備用機組［4］），充分發(fā)揮了水電機組調(diào)峰、調(diào)頻的靈活性。此外降低了機組制動轉(zhuǎn)速，延長制動瓦的壽命，同時縮短機組停機時間。②圓筒閥是機組有效的防飛逸裝置：阿海電站進水口設(shè)置有快速閘門作為機組防飛逸的措施。然而進水口快速事故閘門關(guān)閉時間為2～3 min，加上壓力鋼管中水體的作用，其飛逸時間還將延長（可達2～4 min），對機組安全不利。圓筒閥能快速動水關(guān)閉（關(guān)閉時間為60～90 s），且緊靠水輪機蝸殼進口，因而能更快速有效地防飛逸，減少飛逸持續(xù)時間。③機組正常運行時，圓筒閥筒體下端面與頂蓋過流表面齊平，不產(chǎn)生任何水力損失。此外，當水流被筒體截斷時，由于水流的軸對稱性，水流的擾動程度遠沒有蝶閥和球閥那樣嚴重，水輪機的固定和轉(zhuǎn)動部件所承受的動載荷都較小。④閥體結(jié)構(gòu)簡單可以分瓣，不受運輸條件的限制，尺寸可以做得比較大。同時，由于圓筒閥布置在水輪機固定導葉和活動導葉之間，所以圓筒閥的設(shè)置不會造成廠房尺寸的增加。

1.2 經(jīng)濟性分析及環(huán)境評價

（1）水輪機設(shè)置圓筒閥增加的價格非常微小。如大朝山電站最后中標廠商的圓筒閥報價僅在原水輪機價格基礎(chǔ)上增加了7.1%，僅占機組總價格的3.1%；小灣電站最后中標廠商的圓筒閥報價為機組價格的3.7%；糯扎渡電站主機招標過程，4個投標商的圓筒閥所增加的價格最高為水輪機價格的8.08%，均不超過10%。

（2）設(shè)置圓筒閥能延長機組大修周期，減少大修費用。水電廠大修費用通常按固定資產(chǎn)原值的1.4%提取。以漫灣電廠為例，采用圓筒閥后可以將水輪機的大修周期延長3倍［4］。漫灣電站1993年6月至1996年5月，平均每臺機每年減少檢修費用和利用常規(guī)檢修期發(fā)電增收約35萬元。

（3）減少漏水量，增加發(fā)電量，經(jīng)濟環(huán)保。阿海電站投運初期兩年，單獨運行時：根據(jù)電站徑流調(diào)節(jié)計算各月指標統(tǒng)計，豐水年、平水年、枯水年不棄水的月份數(shù)分別為8個月、9個月、12個月，3個代表年平均約290 d，占全年的79%。參考近幾年來漫灣電站統(tǒng)計結(jié)果，1臺機每年的正常停機時間平均約為3 200 h，圓筒閥實測漏水量約為導葉的1/30，導葉漏水量按額定流量的0.3%（阿海額定流量569.37 m3/s）計算可得出阿海圓筒閥每年可以減少并儲存的漏水9.5×107m3，每方水可發(fā)電0.194 kW·h，每年節(jié)約的、可以儲存在水庫里的水可發(fā)電1 843 kW·h。按上網(wǎng)電價每度0.25元計算，增收約460.75萬元/年，保守計算10年可以收回投資成本，小于電站投資收回年限。設(shè)置圓筒閥，相當于節(jié)約了5 852 t標準煤，減少14 586 t CO2排放，節(jié)能減排顯著。

可見，阿海電站設(shè)置圓筒閥對安全運行十分有利，經(jīng)濟環(huán)保。

2 阿海圓筒閥結(jié)構(gòu)與特點

圓筒閥設(shè)置于水輪機活動導葉和固定導葉之間，如圖1所示，上接圓筒閥接力器，由控制系統(tǒng)通過壓力油推動接力器活塞桿控制圓筒閥的上下運行。關(guān)閉圓筒閥時，筒體落下處于固定導葉與活動導葉之間，上端緊壓布置在頂蓋上的密封條，下端緊壓布置在底環(huán)上的密封條，從而達到截流止水的作用；機組開啟時，將筒體提升到座環(huán)上環(huán)與頂蓋構(gòu)成的空腔內(nèi)，筒體底部與頂蓋下端齊平，不干擾水流流動。在筒體外緣與座環(huán)固定導葉之間設(shè)有導向塊，焊在固定導葉上，減少在動水關(guān)閉水流的不對稱性下筒體外緣受力不均產(chǎn)生的擺動，起到限位和導向作用，防止卡阻。

圖1 阿海圓筒閥位置圖

阿海圓筒閥是目前已知的世界上最高的圓筒閥，由法國ALSTOM公司設(shè)計，不同于國內(nèi)其他圓筒閥，它采用聯(lián)體直缸接力器，確保圓筒閥在開啟和關(guān)閉過程中不會卡死。在微開時水拉力過大采用高油壓14 MPa開啟，微開后操作油壓為6.3 MPa。圓筒閥在90 s內(nèi)可完成緊急關(guān)閉或正常開啟，并且在60 s～90 s內(nèi)可調(diào)。

阿海圓筒閥不同于漫灣一期、大朝山電站圓筒閥機械同步機構(gòu)，采用電液同步操作機構(gòu)。并且在液壓同步時，不依靠同步分流器實現(xiàn)液壓同步［6］，它采用先進的聯(lián)體接力器實現(xiàn)分流同步。如圖2所示，其液壓同步操作機構(gòu)特點：

（1）6個接力器分成3組，每2個接力器一組。

（2）每組的2個接力器180°對稱安裝在筒體上端面處。

（3）3組接力器通過油管路并行連接至同一供壓系統(tǒng)和回油箱。

（4）每組中的2個接力器通過管路串聯(lián)（即其中一個接力器的上腔與另一個接力器的下腔連通），操作接力器的壓力油從各組第一個接力器（即主接力器）傳遞到第二個接力器（即輔接力器）。

（5）6個接力器安裝主、輔交替的排列方式順序均布于筒體上端面上。

（6）每組接力器中通過油管連通的2個接力器的油腔具有相同的油壓作用面積，因此，當油從主接力器傳輸?shù)捷o接力器時這2個接力器的活塞以及活塞桿的移動距離相等，每組中的2個接力器始終保持液壓同步。

（7）如果這3組接力器之間有不同步的趨勢時，由于筒閥筒體（薄壁圓環(huán)）的剛性，筒閥仍將保持液壓同步狀態(tài)。

圖2 阿海圓筒閥液壓系統(tǒng)解決方案

3 阿海圓筒閥控制系統(tǒng)分析

阿海圓筒閥由T.SLG（TurbinespeedLoadGovernor）控制，如圖3所示，它是通過對水輪機調(diào)速軟件的更改，使其用于筒閥的控制。T.SLG同時控制導葉開度、壓力、水輪機轉(zhuǎn)速、熱保護狀態(tài)、剪斷銷狀態(tài)等。

圖3 TSLG結(jié)構(gòu)圖

筒閥接力器的油壓系統(tǒng)由液壓控制塊（Hydraulic block control）控制，液壓控制塊上接入壓力油罐，控制著壓力油的注入。并且定位系統(tǒng)模塊（Block in position system）通過連接液壓控制塊確定筒閥接力器最大位置差等位移信號，并將各個筒閥位置差反饋給T.SLG的SPC（位置調(diào)節(jié)模塊），然后各個SPC通過CAN BUS（控制器局域網(wǎng)絡）反饋位置信號給T.SLG的UPC（處理模塊），UPC通過分析處理后確定是否滿足開啟或關(guān)閉條件后通過SPC控制液壓控制塊發(fā)出控制信號（操作模式下面將作分析），液壓控制塊動作，從而實現(xiàn)接力器的動作，完成筒閥的開啟與關(guān)閉。最后整個筒閥控制系統(tǒng)接入機組控制系統(tǒng)（Unit Control System）以實現(xiàn)對機組的整體控制。

T.SLG包含兩種獨立模塊，SPC（位置調(diào)節(jié)模塊）和UPC（處理模塊）。SPC主要反饋接力器的位置信號并且通過PWM（脈沖寬度調(diào)制）信號控制接力器。UPC同時需要分析所有SPC反饋的位置信號，并且通過分析處理確定操作模式。操作模式共有5種，如表1所示，優(yōu)先級依次為：NGA（Normal Global Auto）、HAS（HMI Step Auto）、NSA（Normal Step Auto）、HEM （HMI Electrical Manual）、SEM（SPC Electrical Manual）。確定操作模式后向UPC輸入邏輯輸入量，各個邏輯輸入量和邏輯輸出量都對應于相應的代碼（如向UPC發(fā)送的輸入量為R50即開啟筒閥），然后邏輯輸出作用于SPC控制液壓控制塊動作，從而實現(xiàn)筒閥接力器的控制。

表1 UPC模式

在5種模式中，NGA模式優(yōu)先級別最高，使用頻率最高，為機組的正常模式。需要注意的是故障發(fā)生在命令發(fā)出前后的問題。對于在對UPC發(fā)出開啟/關(guān)閉命令前發(fā)生小故障（如與SPC通訊失敗、故障后SPC1自由運動等小故障）或大故障（兩個位置工作不正確、命令傳輸至RG-BJ和壓力開關(guān)的反應檢測到不連貫等大故障），此時筒閥鎖定不動作。如果開啟關(guān)閉命令發(fā)出后出現(xiàn)故障，筒閥完成動作，但此時若關(guān)閉或開啟筒閥發(fā)生失步故障（接力器位置差超額定值等），筒閥會保持鎖定不動作；如果關(guān)閉或開啟時出現(xiàn)大故障，筒閥會自動運行至關(guān)閉位置。關(guān)閉的優(yōu)先級高于開啟，但若發(fā)生失步故障無論開啟或關(guān)閉筒閥均鎖定。

在UPC操作模式中，自動操作模式優(yōu)先級均高于手動操作模式，自動模式過渡到手動模式逐漸脫離了UPC、SPC，從而實現(xiàn)操作的冗余性，確保了穩(wěn)定運行。

在模式的選擇上要注意UPC模式的選擇條件，各個操作方式需要結(jié)合故障狀態(tài)進行選擇。對于NGA、HAS、NSA、HEM操作模式，如果發(fā)生接力器位置差值超值，UPC均會激活大故障保持筒閥鎖定。

對于SPC電氣手動操作方式，它不通過UPC控制，每個接力器為現(xiàn)地盤柜獨立控制，接力器最大位置差可以取任意值。

4 結(jié)語

（1）水輪機設(shè)置圓筒閥對安全運行十分有利，經(jīng)濟環(huán)保，節(jié)能減排顯著。

（2）阿海圓筒閥采用聯(lián)體接力器能實現(xiàn)同步分流，減少了卡阻。

（3）阿海圓筒閥控制系統(tǒng)自動化程度高，冗余性好，能夠確保機組穩(wěn)定運行。

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TK730.4+7

B

1672-5387（2016）10-0074-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.10.023

2016-05-01

胡秀成（1983-），男，研究方向：流體機械建模、流場仿真及優(yōu)化控制。