溧陽抽水蓄能電站球閥開啟異常的分析及處理方法

趙世寬

(哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

溧陽抽水蓄能電站共安裝6臺單機容量為250 MW的可逆式水泵水輪機-發(fā)電電動機組，機組采用“一洞三機”形式，即每3臺機組共用一條引水隧洞，共2條。尾水采用單機單管形式，每臺機組配備一臺主進水球閥，起到停機時隔斷上庫水源和發(fā)生事故時及時截斷水流的作用。

1 球閥主要結構

主進水球閥由閥體、活門、軸承、轉臂、密封、接力器及基礎附件等組成，與一般球閥不同的是，溧陽球閥采用單接力器單轉臂的結構。主進水球閥示意圖見圖1。

進水球閥的密封分為檢修密封和工作密封，采用密封環(huán)和密封座壓合的形式，利用上游壓力水源配合閥旁的密封控制柜，通過液壓回路的切換實現(xiàn)密封的投入、退出動作。檢修密封為現(xiàn)地手動操作，工作密封為遠方自動操作。

為保證密封和球閥的安全，球閥配有兩套機械液壓閉鎖裝置，即球閥未達到全關時密封不能投入或退出；密封投入時球閥不能開啟。

檢修密封和工作密封各配有3個密封指示裝置，指示裝置的探頭隨密封環(huán)投退而伸長或縮短，從而與限位指示開關接觸，便于監(jiān)測密封的完全投入和退出狀態(tài)，防止球閥誤動作。

圖1 主進水球閥示意圖

球閥接力器采用油壓操作，帶動與活門相連接的轉臂，驅動球閥在0°～90°動作。球閥的活門轉動應靈活，與固定部件應有足夠間隙[1]。需要指出的是，水電站進出水球閥只能在全開和全關兩個位置，起到“通流”和“斷流”的功能，不能調節(jié)流量。

2 球閥主要參數(shù)

形式：臥式球閥

進口及出口直徑：φ3 050 mm

最大凈水頭：348.4 m

設計壓力：4.66 MPa

試驗壓力：6.99 MPa

最大流量：111.04 m3/s

接力器直徑：φ1～φ670 mm

接力器操作油壓：4.40～6.30 MPa

活門開關時間：40～120 s

旁通閥直徑：φ300 mm

空氣閥直徑：φ200 mm

3 問題描述

2015年10月23日上午，溧陽6#球閥(首臺球閥)接力器節(jié)流孔板加工(由φ10 mm擴孔至φ15 mm)回裝后，在額定壓力下進行6#球閥開啟、關閉時間調整(時間調整至50±5 s)。通過實際動作情況來看，球閥開啟、關閉時間較未調整前有顯著縮短，但在接力器開啟末端約47 mm行程時，肉眼觀察球閥幾乎停止動作，在蝸殼內觀察球閥活門并未開啟至與上下游流道水平?，F(xiàn)場錄波曲線顯示接力器開啟腔壓力及關閉腔壓力同時突變升高且關閉腔壓力大于開啟腔壓力，此時接力器繼續(xù)以緩慢的速度開啟至全開。當球閥達到全開時，關閉腔壓力再次突變升高，在球閥達到全開的瞬間，接力器操作油管路有劇烈振動并伴有較大聲響。從錄波曲線上看，接力器關閉腔壓力峰值約為11.25 MPa(現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)用的壓力傳感器量程為10 MPa，此時關閉腔壓力很可能已經(jīng)超過傳感器量程)，然后關閉腔壓力緩慢降低?，F(xiàn)場初步分析認為壓力異常是接力器關閉腔有空氣造成，但對關閉腔排氣后情況依然沒有好轉。

4 原因分析

圖2為現(xiàn)場錄制的球閥開啟、關閉時接力器“行程-壓力”曲線。

圖2中左側為開啟波形，右側為關閉波形?？梢钥闯?，最后開啟階段，緩沖行程為46.95 mm，時間約為26.14 s，可以計算出此時接力器的動作速度約為1.8 mm/s。需要指出的是，6#球閥接力器在流量沒調整之前(未鉆孔)是看不出壓力及行程異常的。圖3為節(jié)流孔板未鉆孔前(φ10 mm)時現(xiàn)場錄制的接力器開啟“行程-壓力”曲線。

圖2 行程-壓力曲線圖(緩沖異常)

圖3 行程-壓力曲線圖(節(jié)流孔板未鉆孔前)

從圖3中可以看出，6#接力器之前的開啟時間為111.4 s，全行程為1 921 mm，從曲線上看接力器動作速度比較均勻，可以粗略計算出當時接力器的平均動作速度約為17.24 mm/s，也就是說接力器流量增大后，緩沖區(qū)1.8 mm/s的速度是小于流量調節(jié)前的平均速度。但是這個緩沖現(xiàn)象并未在小流量時表現(xiàn)出來，可以認為是在流量增大后才出現(xiàn)了異常，并不是之前有異常而未被發(fā)現(xiàn)，節(jié)流孔板擴孔后，6#球閥在額定壓力下的關閉正常，時間為52 s左右，其中緩沖時間約為2 s，關閉時間已符合要求，也就是說擴孔尺寸是正確的。

10月23日下午，通過調整接力器換向閥，已經(jīng)將開啟時間調整至62 s，其中緩沖時間為16 s，但是壓力異常的情況依然存在。11.25 MPa的瞬間壓力對于接力器是破壞性的(接力器設計壓力為7.5 MPa，強度耐壓試驗壓力為設計壓力的1.5倍[2])，所以并未再多次試驗。

通過對球閥開啟、關閉的過程分析，緩沖異常的現(xiàn)象具有極高的可重復性，即每次都發(fā)生在開啟末端約47 mm行程，且關閉時并未發(fā)現(xiàn)此問題，按照現(xiàn)場經(jīng)驗，考慮為球閥接力器結構問題。

現(xiàn)場將接力器與球閥轉臂分解后，使接力器固定在豎直狀態(tài)。油壓操作接力器開啟、關閉后發(fā)現(xiàn)依然出現(xiàn)開啟緩沖異常問題，排除球閥本體碰撞或刮研，確定為接力器緩沖區(qū)結構導致。緩沖區(qū)結構如圖4所示。

圖4 接力器開啟腔緩沖區(qū)結構

圖4中項20為接力器開啟腔緩沖環(huán)，通過查找圖紙，緩沖環(huán)內孔尺寸為φ286.2H8 mm，進入緩沖區(qū)的活塞桿尺寸為φ286f8 mm，活塞桿與緩沖環(huán)為基孔制的間隙配合，間隙最大為單邊0.21 mm，間隙最小為單邊0.13 mm，從數(shù)值上來看，此間隙值與其他抽水蓄能電站情況類似。

將接力器活塞缸分解后，對活塞桿及緩沖環(huán)尺寸進行了反復測量，數(shù)據(jù)均在設計公差允許范圍內。后經(jīng)設計核算，確定接力器緩沖區(qū)間隙在設計計算過程中代入公式錯誤，導致緩沖區(qū)設計間隙過小，從而影響緩沖回油，節(jié)流孔板擴孔后，接力器油流量增大，將緩沖效果“無限放大”，進一步造成接力器進入緩沖區(qū)后回油不暢，動作緩慢，壓力升高。

5 處理方法

通過重新計算， 確定將接力器開啟緩沖環(huán)內孔重新加工，由之前的φ286.2H8 mm擴大至φ286.9H8 mm，加工過程中保證緩沖環(huán)其他加工參數(shù)滿足設計要求，回裝后重新進行試驗，波形見圖5。

從圖5中可以看出，總開啟時間為46.32 s，其中緩沖時間為1.58 s，并未出現(xiàn)緩沖過慢問題，開啟腔壓力由開啟過程中的0.87 MPa升至緩沖階段的3.39 MPa，最后壓力峰值為6.62 MPa且最終穩(wěn)定在5.67 MPa。關閉腔壓力由開啟過程中0.65 MPa升至緩沖階段的3.62 MPa，最后壓力峰值為7.5 MPa且最終趨近于0。緩沖階段的關閉腔壓力相比之前試驗沒有出現(xiàn)較大峰值。

圖5 行程-壓力曲線圖(緩沖環(huán)內孔重加工后)

6 結語

(1) 溧陽抽水蓄能電站主進水球閥采用單接力器單轉臂的結構形式，相比于雙接力器球閥，雖然在結構上有所簡化，但增加了接力器受力等參數(shù)的計算過程，是造成該接力器緩沖區(qū)間隙計算錯誤的原因之一。

(2) 建議將接力器設計成緩沖時間可調的結構，即將緩沖間隙設計得更大一些，在緩沖區(qū)設置回油管，在管路上安裝流量調節(jié)閥。利用閥門來調節(jié)緩沖時間，但增加了管路和閥門的同時，也就意味著增加了出現(xiàn)問題的風險性，應酌情考慮。

(3) 目前溧陽電站前3臺球閥無水調試已全部完成，遠方、現(xiàn)地動作正常，信號正確，開啟及關閉時間均在50±5 s范圍內，滿足機組的開機及工況轉換的時間要求。