劉功梅，曾鎮(zhèn)嶺（中國長江三峽集團(tuán)公司，四川 成都 610041）

大型水輪機(jī)筒形閥近年來的應(yīng)用淺析

劉功梅，曾鎮(zhèn)嶺
（中國長江三峽集團(tuán)公司，四川 成都 610041）

摘要：水輪機(jī)筒形閥因能夠良好保護(hù)電站水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)而得到廣泛應(yīng)用。本文對國內(nèi)主要大型水輪機(jī)筒形閥的應(yīng)用和主要特點(diǎn)進(jìn)行了初步分析。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；導(dǎo)水機(jī)構(gòu)；筒形閥

水輪機(jī)筒形閥是一個安裝于活動導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉之間的薄壁筒形結(jié)構(gòu)部件。其主要功能是保護(hù)混流式水輪機(jī)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，消除導(dǎo)葉關(guān)閉位置因?qū)~漏水而造成的間隙空蝕損壞和磨損，同時也是機(jī)組防飛逸的措施之一，能在緊急工況下，快速、可靠、安全地切斷水輪機(jī)進(jìn)水，防止機(jī)組飛逸，保護(hù)水輪發(fā)電機(jī)組。水輪機(jī)筒形閥由于其具有自關(guān)閉能力、水力損失基本為零、能有效地保護(hù)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、防止機(jī)組飛逸、不需專門布置位置從而不占用廠房空間、投資小等諸多優(yōu)勢，被國內(nèi)、外許多電站選擇使用。

現(xiàn)行2004年版水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計規(guī)范規(guī)定：“對于多泥沙河流水電廠的單元壓力管道輸水管或壓力管道較長的單元壓力管道輸水管，為水輪機(jī)裝設(shè)進(jìn)水閥或在水輪機(jī)流道上裝設(shè)筒形閥，應(yīng)進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較論證”。在我國已有漫灣、大朝山、小浪底、阿海、小灣、錦屏和溪洛渡等大型電站裝設(shè)了水輪機(jī)筒形閥。本文在對國內(nèi)主要大型水電機(jī)組及其筒形閥的應(yīng)用情況和運(yùn)行狀況進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上，對筒形閥的應(yīng)用及其主要特點(diǎn)進(jìn)行了初步分析。

1　水輪機(jī)筒形閥在國內(nèi)水電站的應(yīng)用

1962年，世界上第一臺水輪機(jī)筒形閥投運(yùn)，筒形閥在國外已有幾十年成功運(yùn)行經(jīng)驗。國內(nèi)在20世紀(jì)80年代后期才開始引進(jìn)了筒形閥的技術(shù)，國內(nèi)第一臺水輪機(jī)筒形閥于1993年6月在漫灣水電站投入運(yùn)行。

截至目前，國內(nèi)、外許多電站都采用了水輪機(jī)筒形閥。國內(nèi)已投產(chǎn)的漫灣、石泉、小浪底、大朝山、灘坑、光照、瀑布溝、小灣、糯扎渡、錦屏一級、錦屏二級、阿海、溪洛渡等電站都安裝了水輪機(jī)筒形閥，運(yùn)行情況良好。國內(nèi)裝有最大直徑筒形閥的梨園電站也將投運(yùn)，國內(nèi)200MW以上機(jī)組水輪機(jī)筒形閥的主要參數(shù)統(tǒng)計見表1。

表1　國內(nèi)200 MW以上機(jī)組水輪機(jī)筒形閥的主要參數(shù)

由表1可知，隨著水輪機(jī)筒形閥應(yīng)用經(jīng)驗的積累，以及設(shè)計、制造水平的提高，國內(nèi)也逐步突破不同層次的筒形閥制造難度系數(shù)，從而確保水輪機(jī)筒形閥在不同水頭、不同容量的巨型水電機(jī)組上也能得以安全可靠應(yīng)用。

2　水輪機(jī)筒形閥的優(yōu)勢及其局限性

2.1水輪機(jī)筒形閥優(yōu)勢

（1）保護(hù)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，延遲機(jī)組大修周期。對于過機(jī)泥沙含量較大的中、高水頭大型水輪機(jī)，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)剛強(qiáng)度相對較小，導(dǎo)葉關(guān)閉后，在上、下游水壓差的作用下，導(dǎo)葉立面、上/下端面間隙變大，通過間隙的含沙水流速度較高，磨蝕的危害性較大；另外，在停機(jī)過程中，隨著活動導(dǎo)葉關(guān)閉，導(dǎo)葉立面、上/下端面間隙的含沙流速非常大（如溪洛渡電站，經(jīng)計算含沙流速達(dá)45～54.8m/s），從而加劇導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的磨蝕。導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的損壞程度和導(dǎo)葉的漏水量大小成為確定機(jī)組大修的決定性因素，導(dǎo)致機(jī)組的大修周期縮短，增加電站年機(jī)組大修臺時數(shù)、人工和設(shè)備材料費(fèi)用以及大修期間的電能損失。筒形閥具有良好的密封性能，停機(jī)時關(guān)閉筒形閥，可消除導(dǎo)葉前后的壓差，消除導(dǎo)葉關(guān)閉位置因?qū)~漏水而造成的間隙空蝕損壞，從而延長檢修周期，保護(hù)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)。

（2）基本消除導(dǎo)葉漏水，降低機(jī)組制動轉(zhuǎn)速。若導(dǎo)葉磨損厲害，機(jī)組將可能因?qū)~漏水量過大而引起停機(jī)蠕動、不能停機(jī)，開機(jī)充水困難，危及設(shè)備安全，影響電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等問題。例如，漫灣電站6號機(jī)開始運(yùn)行時未投入筒形閥，開/停機(jī)很困難，無法用作熱備用機(jī)組；溪洛渡電站，經(jīng)設(shè)計院計算，停機(jī)時僅關(guān)閉導(dǎo)葉，水輪機(jī)漏水量將從發(fā)電初期的1.3 m3/s左右增加到后期的9.3m3/s，而停機(jī)時關(guān)閉導(dǎo)葉且關(guān)閉筒形閥的漏水量僅為0.07m3/s左右，后者僅為前者的5.4%～0.8%。另外，設(shè)置筒形閥后，可使機(jī)組機(jī)械制動轉(zhuǎn)速由原設(shè)計的35%降為15%以下，延長制動瓦的壽命，同時縮短機(jī)組停機(jī)時間。

（3）筒形閥是機(jī)組有效的防飛逸裝置。筒形閥為可緊急關(guān)機(jī)的隔斷閥，可做機(jī)組事故的保護(hù)閘。對于單機(jī)單管沒有設(shè)置水輪機(jī)進(jìn)口閥的機(jī)組，一般進(jìn)水口都設(shè)有快速閘門，作為機(jī)組防飛逸的措施之一。進(jìn)水口快速事故閘門關(guān)閉時間為2～3min，加上壓力鋼管中水體的作用，其飛逸時間還將延長（可達(dá)2～4min），對機(jī)組安全不利。筒形閥能快速動水關(guān)閉（關(guān)閉時間為60～70 s），且緊靠水輪機(jī)蝸殼進(jìn)口，因而能更快速有效地使機(jī)組安全地退出飛逸，減少機(jī)組的飛逸持續(xù)時間。

（4）減少導(dǎo)葉漏水電能損失，增大年發(fā)電量。根據(jù)GB/T15468-2006規(guī)定，在額定水頭下，圓柱式導(dǎo)葉漏水量不大于水輪機(jī)額定流量的0.3%。實際電站運(yùn)行一段時間后，導(dǎo)葉漏水將遠(yuǎn)超過0.3%標(biāo)準(zhǔn)。如，漫灣電站，實測僅關(guān)閉導(dǎo)葉漏水量為1.644m3/s（為額定流量的0.49%），關(guān)閉筒形閥的漏水量為0.052m3/s，僅為前者的1/30，電站機(jī)組平均耗水約4.6m3/kW·h，不裝筒形閥，則每年枯水季節(jié)(按5個月計)電站導(dǎo)葉漏水量損失6.21×107m3，比裝筒形閥多損失電量為1.35×107kW·h，按0.2元/kW·h電價計，效益損失約270萬元/年；溪洛渡電站導(dǎo)水機(jī)構(gòu)漏水量按合同保證值估計，未采用筒形閥的平均漏水量不大于1.25m3/s，而裝設(shè)筒形閥后，導(dǎo)葉漏水量不大于0.02 m3/s，因此，溪洛渡電站裝設(shè)筒形閥后，停機(jī)漏水減少1.23m3/s。按停機(jī)時間估算，每年電站至少減少漏水量約2.6×108m3，增加年發(fā)電量約1.47×108kW·h，增加收益約4 000多萬元/年。這尚未計入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)漏水磨蝕損壞導(dǎo)致機(jī)組檢修周期縮短，檢修時間延長所損失的電能和檢修費(fèi)用。

（5）筒形閥閥體重量較輕，一般為蝶閥的1/2～1/3，與球形閥相比更輕。同時由于筒形閥布置在水輪機(jī)固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉之間，所以筒形閥的設(shè)置基本不會造成廠房尺寸的增加，不會引起土建費(fèi)用的增加。

（6）閥體結(jié)構(gòu)簡單可以分瓣，不受運(yùn)輸條件的限制，尺寸可以做得比較大。

（7）由于筒形閥具有動水啟閉的特性，所以，它開啟時，閥后不需充水平壓，無需設(shè)伸縮節(jié)、旁通閥、空氣閥、旁通管路等一套復(fù)雜的輔助設(shè)備，這就大大簡化了布置。

（8）一定程度上可以作為機(jī)組的檢修閘門，可以部分地取代進(jìn)口快速閘門的作用，其對多泥沙河流、調(diào)峰調(diào)頻電站的機(jī)組保護(hù)作用及較高的性能價格比已經(jīng)受到水電行業(yè)廣泛的重視。

2.2水輪機(jī)筒形閥應(yīng)用的局限性

（1）導(dǎo)致頂蓋的結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。首先引起頂蓋尺寸加大，因筒形閥在開啟位置位于頂蓋內(nèi)部，因此頂蓋的高度與不設(shè)筒形閥的結(jié)構(gòu)相比需要增加，同時頂蓋與座環(huán)相把合處必須設(shè)計成上法蘭結(jié)構(gòu)，而若不設(shè)筒形閥，頂蓋與座環(huán)把合處可以設(shè)計成下法蘭結(jié)構(gòu)，頂蓋的上法蘭結(jié)構(gòu)與下法蘭結(jié)構(gòu)相比，尺寸增大，同樣鋼板厚度條件下剛度下降，故頂蓋法蘭的厚度需增加。

（2）造成頂蓋自流排水無法實現(xiàn)，同時頂蓋均壓管設(shè)置比較困難。因為頂蓋均壓管若從控制環(huán)以內(nèi)引出的話，必須跨過控制環(huán)的高度后在地板下部向外引出機(jī)坑。

（3）增加水輪機(jī)的復(fù)雜性。筒形閥由閥體、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、密封、接力器（或液壓缸）、同步控制裝置、油壓裝置、管路、監(jiān)測系統(tǒng)儀表、自動化元件、盤柜及控制裝置等組成，其將使水輪機(jī)結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，操作系統(tǒng)的復(fù)雜性也將大幅增加。

（4）筒形閥不能完全用做水輪機(jī)檢修閥，不能完全滿足水輪機(jī)檢修的需要。

3　水輪機(jī)筒形閥可靠性、存在問題及建議

3.1筒形閥的可靠性

水輪機(jī)筒形閥運(yùn)行可靠性分為筒形閥體自身關(guān)閉可靠性和同步裝置可靠性兩項。鑒于當(dāng)前筒形閥的設(shè)計、制造水平，筒體自身關(guān)閉可靠性應(yīng)該相當(dāng)可靠，除非筒形閥體下進(jìn)入了鋼筋和樹枝這類異物，會引起筒體關(guān)閉不到位，但這樣的事故幾率相當(dāng)?shù)汀Ｒ虼?，筒形閥運(yùn)行可靠性主要在于同步裝置可靠性[2]。

目前，筒形閥同步方式主要有機(jī)械液壓同步和電液同步兩種方式。機(jī)械液壓同步裝置是采用絲桿鏈條進(jìn)行同步。該同步方式完全依靠鏈條強(qiáng)迫各接力器同步運(yùn)行，在國外電站于20世紀(jì)90年代就進(jìn)行了應(yīng)用，可靠性非常高。據(jù)漫灣電站統(tǒng)計，筒形閥初期投運(yùn)7年半時間內(nèi)，5臺機(jī)累計經(jīng)過了8 000多次開關(guān)操作實踐的考驗，運(yùn)行正常，均未發(fā)生過卡阻現(xiàn)象。但機(jī)械液壓通同步裝置的絲桿鏈條造價高，擠占機(jī)坑內(nèi)有效空間，并且在運(yùn)行中會產(chǎn)生較大噪聲。電液同步裝置包括同步液壓馬達(dá)式電液同步控制系統(tǒng)、全數(shù)字集成式（數(shù)字缸）電液同步控制系統(tǒng)、大容量比例閥電液同步控制系統(tǒng)、電液轉(zhuǎn)換器同步控制系統(tǒng)。目前，電液同步裝置已廣泛被各電站所采用，除了個別電站在運(yùn)行初期存在電氣元件故障、筒形閥卡阻等同步故障問題，各種同步方式總體上運(yùn)行良好[2]。不同同步方式的筒形閥同步裝置在國內(nèi)各電站的應(yīng)用情況見表2。

3.2水輪機(jī)筒形閥應(yīng)用中存在的問題及建議

問題：筒形閥控制系統(tǒng)復(fù)雜，筒形閥的同步運(yùn)行一直備受關(guān)注，筒形閥不同步情況也曾發(fā)生，另外，其也一定程度上增加機(jī)組故障率，甚至增加機(jī)組的非計劃停運(yùn)次數(shù)。

水輪機(jī)筒形閥控制系統(tǒng)復(fù)雜，相對于不采用筒形閥的中、低水頭電站，增設(shè)筒形閥系統(tǒng)必然增加機(jī)組故障點(diǎn)。根據(jù)經(jīng)驗，引起筒形閥系統(tǒng)不同步的因素主要有：筒型閥體變形、提升不垂直、同步分流器堵塞、接力器負(fù)載分布不均、供排油管路及接力器差異等機(jī)械原因，以及位移傳感器差異、自動化元件故障等電氣原因。例如，2011年，小灣電站4號機(jī)組筒形閥系統(tǒng)因分流器內(nèi)的分油盤損壞，導(dǎo)致筒形閥系統(tǒng)卡澀，更換分流器后運(yùn)行正常。

要降低故障率，消除因筒形閥故障引起機(jī)組非計劃停運(yùn)等，建議從如下方面著手：1）加強(qiáng)筒形閥的剛強(qiáng)度設(shè)計，根據(jù)計算結(jié)果并結(jié)合筒形閥的應(yīng)用經(jīng)驗，選擇筒形閥的厚度（可適當(dāng)增加厚度），確保筒形閥的剛強(qiáng)度，避免筒體受力變形。2)制定合格的筒形閥安裝工藝，加強(qiáng)筒形閥安裝過程控制，確保最終安裝質(zhì)量，尤其導(dǎo)向條、限位塊安裝應(yīng)該確保質(zhì)量。3）通過筒形閥開關(guān)試驗和自關(guān)閉試驗來驗證接力器的同步性，并檢驗位移傳感器、分流器等的性能，確保其滿足使用要求；可采用調(diào)整接力器進(jìn)出油閥開度以平衡管道長度不一造成的不同步[3]。4）注重筒形閥接力器操作油質(zhì)，加強(qiáng)雜質(zhì)過濾，確保同步分流器不被堵塞。5）采用優(yōu)質(zhì)的接力器、管路閥門、同步分離器等液壓系統(tǒng)部件和高可靠性的自動化元件。6）在電站運(yùn)行過程中，加強(qiáng)巡檢和定期維護(hù)保養(yǎng)，排除可能存在的質(zhì)量缺陷，及時解決影響筒形閥正常運(yùn)行的問題。

表2　筒形閥同步裝置及其應(yīng)用

4　結(jié)論

水輪機(jī)筒形閥在國內(nèi)、外許多電站取得了廣泛應(yīng)用，筒形閥尺寸直徑最大超過10m，最高達(dá)2.6m，制造難度系數(shù)最大達(dá)2 750，應(yīng)用水頭覆蓋較寬，最大水頭超過300m。因此，水輪機(jī)筒形閥在設(shè)計、制造及應(yīng)用上積累了豐富的經(jīng)驗。目前，筒形閥筒體自身關(guān)閉相當(dāng)可靠，同步裝置也得到了廣泛研究，經(jīng)實際運(yùn)行檢驗，其可靠性比較高。當(dāng)前的水輪機(jī)筒形閥技術(shù)已比較成熟，可充分根據(jù)電站使用條件、電站技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較論證以及業(yè)主的取舍來決定電站是否采用水輪機(jī)筒形閥。

參考文獻(xiàn)：

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[3]竇學(xué)剛，顧挺，張冬生.錦屏二級水電站水輪機(jī)筒形閥同步控制系統(tǒng)可靠性分析[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2013，36（2）：32-34.

中圖分類號：TV732.7

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）02-0075-03

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.02.021

收稿日期：2014-09-19

作者簡介：劉功梅（1982-），男，工程師，從事水電站機(jī)電工程技術(shù)管理工作。