惠蓄上游引水隧洞排水針形閥及其消能方式改造淺析

劉少偉,王 琪

(惠州蓄能發(fā)電有限公司,廣東 惠州 516100)

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惠蓄上游引水隧洞排水針形閥及其消能方式改造淺析

劉少偉,王 琪

(惠州蓄能發(fā)電有限公司,廣東 惠州 516100)

惠蓄機(jī)組具有水頭高,引水隧洞長(zhǎng)的特點(diǎn),其進(jìn)水閥前引水隧洞排水面臨高水頭、高壓力、高能量、大流量和時(shí)間長(zhǎng)的考驗(yàn)。需要一組耐高壓、消能良好、抗振性能好和過流能力強(qiáng)的排水系統(tǒng)。因此上游引水隧洞排水系統(tǒng)由第一道不銹鋼球閥、第二道針形閥和第三道閘閥組成。在第一次進(jìn)行上游水道排水的時(shí)候出現(xiàn)了針型閥因振動(dòng)過大,水錘導(dǎo)致針型閥閥芯斷裂,通過分析針型閥斷裂的原因,將針型閥的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)加工成梯形結(jié)構(gòu),增加閥芯彈簧緩沖機(jī)構(gòu),取消閥芯翼板,調(diào)整安裝方式的改造,以達(dá)到在往后的排空上游隧洞內(nèi)的水時(shí)不會(huì)再出現(xiàn)閥芯斷裂的現(xiàn)象,排水過程要平穩(wěn),保證了上游隧道排水的安全。

抽水蓄能機(jī)組；技術(shù)改造；針型閥；消能方式

1 概述

惠州蓄能水電廠(以下簡(jiǎn)稱惠蓄)水輪機(jī)工況額定凈水頭為517.4 m,毛水頭為557 m,引水系統(tǒng)長(zhǎng)3 104 m；惠蓄電站上庫正常蓄水位為762 m,下庫正常蓄水位為231 m。上游引水隧洞排水消能針形閥安裝高程為140 m,兩者水頭差為622 m即62.2 bar。這使得惠蓄機(jī)組具有水頭高,引水隧洞長(zhǎng)的特點(diǎn),其進(jìn)水閥前引水隧洞排水面臨高水頭、高壓力、高能量、大流量和時(shí)間長(zhǎng)的考驗(yàn)。因此需要一組耐高壓、消能良好、抗振性能好和過流能力強(qiáng)的排水系統(tǒng)。

惠蓄進(jìn)水閥上游引水隧洞排水系統(tǒng)由第一道不銹鋼球閥、第二道針形閥(以下稱“上游引水隧洞排水針形閥”)、消能孔板和第三道閘閥組成,用于排空進(jìn)水閥前上游引水隧洞里面的水,惠蓄電廠機(jī)組進(jìn)水閥上游引水隧洞正常排水工作方式是:第一道不銹鋼球閥和第三道閘閥全開,由全不銹鋼高壓閥門——針形閥來控制排水流量和速度,在不同的工作水頭下,調(diào)節(jié)針型閥的開度來控制排水速度和流量。

在第一次進(jìn)行上游引水隧洞檢查維護(hù)排水的時(shí)候出現(xiàn)了上游引水隧洞針型閥在排水過程中振動(dòng)過大,針型閥閥芯斷裂,分析針型閥斷裂的原因,對(duì)針型閥的傳動(dòng)機(jī)構(gòu),閥芯彈簧,閥芯翼板以及安裝方式進(jìn)行了相應(yīng)的改造,以達(dá)到了在往后進(jìn)行類似工作時(shí)不會(huì)再出現(xiàn)閥芯斷裂的現(xiàn)象,保證安全排空上游引水隧洞內(nèi)的水。

2 針形閥參數(shù)

惠蓄進(jìn)水閥上游引水隧洞排水針形閥是由西班牙ims,S.A.公司制造的全不銹鋼高壓閥門,閥門參數(shù)如表1所示。

表1 閥門參數(shù)

最大動(dòng)水工作壓力56 bar,能在0～56 ar的動(dòng)水頭下排水,排水的速度變化在0～3 m3/s變化范圍；

閥體進(jìn)出水口法蘭角度：90°,水流垂直向下進(jìn)入,經(jīng)過閥心消能減壓后水平向左流出；

針形閥在不同的工作水頭下,可以調(diào)節(jié)閥門的開度來控制排水速度。

3 故障過程

2008年7月11日晚23:50開始上游引水隧洞排水工作。開啟1#機(jī)組進(jìn)水閥上游引水隧洞排水管的針形閥排水。此時(shí),上游水位為630 m,下游水位213 m,針形閥前水頭為417 m。經(jīng)過調(diào)整開度,按照排水要求流量控制在2 300 m3/h(0.64 m3/s)左右。排水至7月12日13:25,針形閥發(fā)生劇烈振動(dòng)并伴隨間歇巨大的撞擊聲(水錘現(xiàn)象)?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行操作人員迅速關(guān)閉了針形閥上游的球閥,避免了事故的擴(kuò)大和惡化。

事故現(xiàn)場(chǎng)情況如下(閥門開關(guān)操作機(jī)構(gòu)及其連接部件掉落):

1) 閥桿斷裂并彎曲。

2) 操作機(jī)構(gòu)連接螺栓和螺母螺紋被剪平。

3) 上部球閥下法蘭的一個(gè)連接螺母被振脫掉落地面。

4) 針形閥下游法蘭漏水現(xiàn)象。

5) 在排水過程中還伴隨著巨大的噪聲。

2008年7月15日更換新針形閥后,繼續(xù)引水隧洞排水,針形閥閥桿再次斷裂。事故現(xiàn)場(chǎng)圖片詳見圖1～4。

圖1 閥桿斷裂斷面

圖2 掉落地面的操作機(jī)構(gòu)

圖3 斷裂的閥桿

圖4 閥桿渦桿的兩齒崩塌

4 原因分析

在第一次事故中,針形閥操作機(jī)構(gòu)經(jīng)過連續(xù)13.5 h的振動(dòng),閥桿在斷裂面產(chǎn)生裂口并在振動(dòng)的驅(qū)使下進(jìn)而發(fā)展成為整個(gè)閥桿斷裂。閥桿斷裂后,閥心失去固定,在高速水流和高水頭的作用下閥心自關(guān)閉,不停撞擊斷裂閥桿,并且反彈撞擊閥體,閥心如此來回運(yùn)動(dòng)直到與斷裂閥桿脫離接觸[1]。操作機(jī)構(gòu)同樣與斷裂閥桿一起被聯(lián)動(dòng)撞擊,使連接螺栓螺紋破壞而失去緊固連接掉落地面。

高壓水流通過針形閥時(shí),由于流速極高、流態(tài)變化大,將不可避免引起針形閥的振動(dòng)[2]。根據(jù)現(xiàn)象分析,除水力因素外,針形閥結(jié)構(gòu)存在如下缺陷是造成破壞的主要原因：

1) 閥桿支承精度與剛度不足。閥桿主要依靠軸套支承。針尖與閥座配合精度不足,且只有3塊翼板導(dǎo)向,針尖與針頭連接強(qiáng)度較弱,因此該部分不能對(duì)閥桿起著良好的支承效果。傘形齒輪機(jī)構(gòu)內(nèi)螺桿與螺母配合間隙大,也不能對(duì)閥桿起著良好的支承效果[3]。由于上述原因,在水流的作用下,閥桿將發(fā)生徑向振動(dòng)和彎曲。

2) 傘形齒輪機(jī)構(gòu)與支架連接剛度不足,防松不可靠,在閥桿振動(dòng)作用下將產(chǎn)生松脫,最終造成閥桿折斷的嚴(yán)重后果。

3) 傘形齒輪機(jī)構(gòu)無法鎖錠。閥桿在水流的作用下產(chǎn)生強(qiáng)烈軸向振動(dòng),并不斷朝關(guān)閉方向移動(dòng),使得閥門難于控制和增加閥桿的受力。

4) 針尖從針頭脫出,顯然是在閥桿折斷后由于撞擊造成的結(jié)果。

惠蓄針形閥工作條件完全是在設(shè)計(jì)規(guī)定的水頭和流量范圍內(nèi),但只經(jīng)短時(shí)間運(yùn)行即發(fā)生嚴(yán)重破壞,顯然該針形閥不能適應(yīng)高水頭下的工作。為了避免破壞現(xiàn)象重復(fù)發(fā)生,需要對(duì)針形閥作結(jié)構(gòu)性的改進(jìn)。

4.1改造方案

通過認(rèn)真分析研究,從改進(jìn)閥門結(jié)構(gòu)、排水管路布置和針形閥安裝方式,減小水力振動(dòng)對(duì)針形閥的影響等方面采取措施,對(duì)其進(jìn)行技術(shù)改造：

4.1.1閥門結(jié)構(gòu)改造

原針形閥操作傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較短且傳動(dòng)軸為單純的硬連接,無緩沖機(jī)構(gòu),抗震性較差,所以在引水隧洞高水頭排水時(shí)經(jīng)不起劇烈振動(dòng)導(dǎo)致操作機(jī)構(gòu)螺栓震脫,安全系數(shù)較低[4]。

所以對(duì)原針型閥(見圖5)進(jìn)行以下改造：

1) 將原來的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)加工成階梯形；

2) 增加了彈簧緩沖機(jī)構(gòu)(加強(qiáng)了操作機(jī)構(gòu)的抗震性),提高了安全系數(shù)；

3) 取消了閥芯上3塊翼板。

改造完成后新針型閥(見圖6)。

4.1.2排水管路布置及消能方式改造

1) 原針型閥的消能方式采用孔徑為Φ120 mm單個(gè)節(jié)流片進(jìn)行消能,消能作用十分有限。現(xiàn)將針形閥后消能孔板的數(shù)量由1片增加至3片。改造為1個(gè)消能筒,包含了3個(gè)連續(xù)的消能孔板。每片節(jié)流片中心加工3個(gè)Φ40 mm的節(jié)流孔。水流每經(jīng)過1片消能孔板,需要分別通過3個(gè)Φ40 mm的節(jié)流孔,有效地降低了上游側(cè)的水壓,水流經(jīng)過3片串聯(lián)的消能孔板后即進(jìn)行了3次降壓,這樣經(jīng)過3消能孔板后有效降低了上游水壓,即達(dá)到了高水頭消能的目的(見圖7)。

圖5 原針形閥結(jié)構(gòu)示意

圖6 新針形閥結(jié)構(gòu)示意

圖7 改造后的消能孔板

2) 為減小水流產(chǎn)生的脈動(dòng),將針形閥由橫向水平布置改為垂直布置,并將閘閥位置下移(見圖8所示)。

3) 加強(qiáng)管路支架。

由于上游引水隧洞排水管振動(dòng)大,在排水過程中管路振動(dòng)大會(huì)加劇針型閥的振動(dòng)。通過改進(jìn)管路固定方式,可以減小排水管路及其閥門在排水時(shí)的振動(dòng),減輕高壓和高速水流對(duì)針形閥及其連接螺栓的作用力的破壞作用。主要改進(jìn)如下：

①水平支架調(diào)整到閘閥法蘭上方。

②垂直支架增設(shè)基礎(chǔ)錨板,錨板錨鋼與混凝土中的鋼筋牢固焊接。垂直職稱與錨板由螺栓可靠連接。

③對(duì)垂直支撐上部進(jìn)行了修改,增加側(cè)支撐,以增強(qiáng)水平方向的固定。在支撐座于管道表面之間增加10 cm厚的彈性橡膠墊片,降原線接觸的半圓固定環(huán)

圖8 排水管路和針形閥安裝布置方式對(duì)比

改為半罩子形狀的面接觸固定,增加固定面積,以增加阻力,提高抗扭性,在結(jié)構(gòu)上其補(bǔ)償作用[5]。

④增加側(cè)支撐采用槽鋼制作。為避開上游墻面的消防管線,在現(xiàn)場(chǎng)墻面設(shè)置槽鋼底座與槽鋼焊接,槽鋼采用4個(gè)M16鍍鋅膨脹螺栓與墻面連接。

4.2改造效果

改造后,進(jìn)行了A廠2#機(jī)組的針形閥排水試驗(yàn)。改造后的針形閥排水效果較好,閥門本體和閥桿的振動(dòng)明顯減少,排水時(shí)噪音有所降低；水流經(jīng)過消能孔板時(shí),排水管路的振動(dòng)也明顯降低,噪聲減少。

機(jī)組上游引水隧洞排水管路改造后,提高了針形閥和排水可靠性,獲得了良好的消能效果,達(dá)到了針形閥機(jī)構(gòu)改造和消能孔板形式改造的目的,消除了上游引水隧洞排水時(shí)的閥門破壞和水淹廠房等安全隱患。

5 結(jié)語

惠蓄上游引水隧洞排水管消能方式及排水針型閥改造完成后,到目前為止,分別通過針型閥對(duì)A廠和B廠上游水道進(jìn)行排水檢修,未出現(xiàn)閥門損壞、排水振動(dòng)大噪音大等故障。目前針型閥運(yùn)行狀況良好,表明此次對(duì)針型閥及其消能方式改進(jìn)是成功的,為類似工程提供了參考。

[1] 盛國(guó)成, 劉智強(qiáng). 液壓錐閥閥口流場(chǎng)數(shù)值模擬與仿真分析[J]. 科技資訊, 2007(24):37-38．

[2] 張文麗. 針型閥沖蝕、變形失效分析[D]. 成都：西南石油大學(xué), 2013.

[3] 高紅, 傅新. 錐閥閥口氣穴流場(chǎng)的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2002, 38(8):27-30．

[4] 蔣小麗. 高壓氣井針形節(jié)流閥結(jié)構(gòu)性能分析與優(yōu)化[D]. 成都：西南石油大學(xué), 2014．

[5] 曾偉, 吳巍巍. 基于Fluent的高壓針形節(jié)流閥沖蝕磨損分析[J]. 內(nèi)江科技, 2013, 34(6):74．

(本文責(zé)任編輯 馬克俊)

Modification of Needle Valve and Improvement of Energy Dissipation Way of Upstream Diversion Tunnel of the Huizhou Pumped Storage Power Plant

LIU Shaowei, WANG Qi

(Huizhou Pumped Storage Power Station, Huizhou 516100,China)

Huizhou pumped storage plant has characteristics with high water head and long water diversion tunnel. The drainage of pressure steel pipe before main inlet valve faces the challenges of high pressure, high energy, mass flow and long hours. Therefore, an upstream drainage system is needed having advantages of pressure capacity, good energy dissipation, anti-vibration and hydraulic characteristics.The upstream drainage system consists of the first stainless steel ball valve, the second high-pressure needle valve made of stainless steel and the third gate valve, which are used for emptying upstream diversion tunnel before the main valve. When draining the upstream tunnel for the first time the needle valve vibrates excessively which results in the valve core damaged by water hammer. Through the analysis of the fracture reason, some mechanical reconstruction are conducted; Remould drive mechanism of needle valve into trapezoidal structure, and add a spring buffer mechanism of the valve core, then cancel the wing plate of valve core, and change the installation method. After the reconstruction the same accident never appears again in the subsequent drainage, water flows smoothly in the drainage process, ensuring the safety of the upstream drainage tunnel.

pumped storage unit； modification；needle valve；energy dissipation way

2016-05-18;

2016-05-30

劉少偉(1984),男,本科,工程師,從事抽水蓄能電站機(jī)電運(yùn)行管理工作。

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