水輪發(fā)電機組進水蝶閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

邱雄挺

（浙江浙能華光潭水力發(fā)電有限公司，浙江 杭州 311322）

0 引言

隨著我國水電行業(yè)開發(fā)的不斷發(fā)展，水力發(fā)電作為可再生能源電力的主力軍之一，對穩(wěn)定整個電網(wǎng)系統(tǒng)起到非常重要的作用，所以水電站水輪發(fā)電機組的安全、穩(wěn)定、可靠運行顯得尤為重要。水電站水輪機蝸殼前端安裝進水閥門，主要目的是為防止水輪發(fā)電機組突然甩負荷引起機組飛逸事故擴大；同時，在機組停機時，關(guān)閉進水閥門，可以減少導水葉漏水量，避免水能損失，影響發(fā)電企業(yè)經(jīng)營效益；另外，在機組檢修期間，關(guān)閉進水閥門，隔斷水源，確保檢修作業(yè)人員人身安全。

水輪發(fā)電機組進水閥門根據(jù)水電站工作水頭的高低進行選型，中低水頭（一般在200 m以下）水電站采用蝶閥，高水頭（一般在200 m以上）水電站采用球閥。蝶閥按轉(zhuǎn)軸位置分為豎軸式和橫軸式，按操作方式分手動、電動和液壓方式，其中臥軸蓄能器式液壓控制型蝶閥為中低水頭水電站常用進水閥門。

蝶閥的液壓控制系統(tǒng)采用蓄能器式液壓閥組集成化設(shè)計，具有保壓功能，它主要保證蝶閥在全開狀態(tài)，水輪發(fā)電機組運行時，防止液壓系統(tǒng)突然失壓，蝶閥在水流作用下關(guān)閉，造成機組事故停機。同時，蝶閥在水流動情況下關(guān)閉，由于水流慣性作用，會產(chǎn)生一定危害的水錘，對設(shè)備造成損壞，同時引水鋼管、引水隧洞壓力上升，容易發(fā)生鋼管爆裂和隧洞塌方。通過液壓控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)蝶閥關(guān)閉時接力器關(guān)腔油量，實現(xiàn)快關(guān)、慢關(guān)兩階段線性關(guān)閉功能，消除水錘產(chǎn)生的危害。

本文主要針對早期建造的水電站水輪發(fā)電機組進水蝶閥經(jīng)數(shù)十年運行后，出現(xiàn)的缺陷、可能存在的安全隱患進行梳理、匯總、綜合分析、研究，提出可行性解決方案，并對進水蝶閥結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化、改良，此類方法已在水電站中得到實踐，為國內(nèi)外水電站水輪發(fā)電機組進水蝶閥出現(xiàn)類似問題的解決提供經(jīng)驗參考和借鑒。

1 當前現(xiàn)狀

國內(nèi)水電行業(yè)歷史悠久，早期投產(chǎn)的水電站至今已有幾十年，經(jīng)過數(shù)十年的技術(shù)發(fā)展，工藝不斷創(chuàng)新，設(shè)備性能不斷提升，產(chǎn)品都已更新?lián)Q代。水電站水輪發(fā)電機組進水蝶閥作為重要的輔助設(shè)備之一，伴隨著設(shè)備運行時間的推移，逐漸暴露出諸多問題，蝶閥常見問題如下。

（1）蝶閥工作密封老化、磨損嚴重，蝶閥全關(guān)后漏水嚴重，無法完全隔斷水源，機組檢修時威脅檢修作業(yè)人員人身安全。

（2）蝶閥閥軸軸頭密封結(jié)構(gòu)簡單，密封件老化，軸頭出現(xiàn)漏水，一旦止水密封失效，上游水經(jīng)閥軸流入廠房內(nèi)，存在水淹廠房安全隱患。

（3）接力器鎖定裝置不可靠，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，手動機械鎖定不合理，鎖桿強度不夠，鎖定連接接觸部件易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，出現(xiàn)鎖定裝置投入，依然可以開啟蝶閥，存在安全隱患。

（4）接力器密封結(jié)構(gòu)簡易，運行數(shù)年后出現(xiàn)滲漏油；零部件制造加工工藝粗糙，接力器在檢修、安裝過程中密封件易受損。

（5）液壓控制系統(tǒng)回油量大，蓄能器油壓下降過快，壓油泵啟停頻繁，空氣閥密封不嚴漏水等。電氣控制系統(tǒng)可編程控制器PLC、控制電源等電氣控制回路單套運行，會因一個設(shè)備元器件故障整個控制系統(tǒng)癱瘓無法正常運行。

當前，電網(wǎng)系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性、可靠性運行關(guān)系著國家日常經(jīng)濟運作、社會居民生活起居，安全生產(chǎn)儼然成為電力生產(chǎn)經(jīng)營單位首要任務。作為發(fā)電企業(yè)要根據(jù)國家、行業(yè)的法律、法規(guī)和企業(yè)制度，定期對發(fā)電設(shè)備運行健康水平進行評估，對于存在問題、安全隱患的設(shè)備，切實開展好發(fā)電設(shè)備檢修、技術(shù)改造工作，為電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定提供有力保障。

2 改進措施

鑒于以上水電站水輪發(fā)電機組進水蝶閥存在的問題，分析問題根源，探究解決方案，優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計。結(jié)合某水電站水輪發(fā)電機組進水蝶閥改造優(yōu)化的實踐經(jīng)驗，對上述問題進行如下改進。

（1）早期設(shè)備不齊全，原材料供應不足，生產(chǎn)制造水平低，加工工藝不精。經(jīng)過數(shù)十年的社會發(fā)展，設(shè)備升級、制造加工水平提升，產(chǎn)品質(zhì)量提高。

（2）設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計不夠完善。設(shè)備運行數(shù)年后，漏水、滲油、機件磨損等逐漸凸顯出來，通過結(jié)構(gòu)改良，合理設(shè)計可以有效提升設(shè)備使用壽命。

（3）液壓控制系統(tǒng)回油量大、油壓下降快等問題，通過液壓回路電磁閥選型升級以及設(shè)備革新得以消除；電氣控制系統(tǒng)可編程控制器、控制電源結(jié)合技術(shù)改造進行冗余配置，互為備用。

3 優(yōu)化方案

3.1 材質(zhì)選型

蝶閥閥體及蝶板材質(zhì)采用Q345B，閥座材質(zhì)采用鍛16Mn，閥座密封面堆焊不銹鋼，不銹鋼材質(zhì)選用06Cr19Ni10。蝶閥密封采用雙向密封，分別為工作密封和檢修密封，工作密封為非金屬橡膠密封，材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)丁腈橡膠；檢修密封為金屬密封，材質(zhì)為04Cr13Ni5Mo。蝶閥閥軸材質(zhì)采用20Cr13，表面防腐處理，軸座材質(zhì)選用鍛16Mn。伸縮節(jié)材質(zhì)選用Q345B。軸套采用無鉛型無給油自潤滑軸套。

3.2 鎖定裝置

解決無法自動鎖定、易打滑、有死區(qū)等問題（圖1為鎖定裝置結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化前，圖2為鎖定裝置結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化后）。①通過改變鎖定裝置鎖桿的原材料、加工工藝、尺寸規(guī)格，增加鎖桿強度。②改變鎖定裝置的受力方式，以往蝶閥全關(guān)時，鎖定裝置投入，鎖桿頂住蝶閥閥軸拐臂，防止閥門開啟，此方式易打滑，且受力超過拐臂本體強度后，致使蝶閥拐臂變形滑過鎖桿，使蝶閥開啟，此鎖定裝置受力方式為接觸式相互擠壓產(chǎn)生阻力。現(xiàn)將結(jié)構(gòu)形式進行改變，鎖桿為活塞式，蝶閥關(guān)閉后，鎖定裝置鎖桿嵌入蝶閥閥軸拐臂內(nèi)，若要開啟蝶閥需將鎖桿剪斷方可，此鎖定裝置受力方式為剪切力，遠遠大于鎖桿與拐臂的擠壓力。③改變操作方式，由手動純機械鎖定裝置換成自動液壓投退鎖定裝置，可以避免人為的誤操作。④增加鎖定裝置投入位置開關(guān)，并將位置節(jié)點接入電氣控制系統(tǒng)，參與程序邏輯，防止鎖定未退出開蝶閥的安全隱患。

圖1 鎖定裝置優(yōu)化前結(jié)構(gòu)型式

圖2 鎖定裝置優(yōu)化后結(jié)構(gòu)型式

3.3 閥軸軸頭

解決蝶閥閥軸軸頭漏水問題。①改變閥軸材質(zhì)，老式蝶閥閥軸選用碳素鋼，長期在水中運行，容易出現(xiàn)銹蝕，閥軸多次旋轉(zhuǎn)運行，會出現(xiàn)磨損，使得閥軸與軸套之間產(chǎn)生縫隙，另外閥軸銹蝕表面的鐵屑進入軸承轉(zhuǎn)動部位，加劇軸承磨損，長此以往，閥軸軸頭出現(xiàn)漏水，同時產(chǎn)生的顆粒物進入軸頭，增加閥軸轉(zhuǎn)動摩擦，情況嚴重的，因阻力過大，閥軸旋轉(zhuǎn)將帶動軸頭密封壓環(huán)一同運動，致使密封壓環(huán)緊固螺栓變形或者斷裂。解決此問題可將蝶閥閥軸選用不銹鋼材質(zhì)，同時提高閥軸強度，可以避免銹蝕引起軸承磨損，并將軸套選用無鉛型無給油自潤滑軸套，避免軸套無潤滑油發(fā)生干摩擦現(xiàn)象。②改變閥軸軸頭密封結(jié)構(gòu)，老式蝶閥閥軸軸頭密封采用1道O型圈密封和石棉盤根密封，該密封形式易磨損、老化，長時間運行后，易發(fā)生滲漏情況。通過增加1道密封圈，由O型圈改成V型密封圈或Y型密封圈，閥軸軸頭外圈增加1道防塵圈，防止外界雜質(zhì)進入閥軸內(nèi)部。

4 結(jié)語

（1）蝶閥本體及其附件采用上述材料，以及通過對閥軸軸頭、接力器等內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，蝶閥工作密封、閥軸密封件、接力器密封等密封效果提高，耐磨性、抗銹蝕性能增強，整體結(jié)構(gòu)得到改善。

（2）鎖定裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，蝶閥避免了誤操作開關(guān)，鎖桿能有效地起到鎖住作用，消除了因鎖定裝置無法鎖住蝶閥關(guān)閉狀態(tài)帶來的危害。

（3）通過對水輪發(fā)電機組進水蝶閥的現(xiàn)狀進行分析、研究，并結(jié)合實例經(jīng)驗，選用合適的原材料，改良其結(jié)構(gòu)形式，提高設(shè)備裝置性能，有效解決水電站蝶閥存在的共性問題，提升了水輪發(fā)電機組安全、可靠性，提高了企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營效益，同時，有效避免了發(fā)電設(shè)備存在的安全隱患，對今后水電站水輪發(fā)電機組進水蝶閥的改造具有一定的借鑒和指導意義。