鄭 智，胡廣恒，黃 坤

（1.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司廣州蓄能水電廠，廣東省廣州市 510950；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761）

抽水蓄能機(jī)組進(jìn)水球閥上下游密封活動(dòng)環(huán)密封選型研究

鄭 智1，胡廣恒1，黃 坤2

（1.南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司廣州蓄能水電廠，廣東省廣州市 510950；2.國網(wǎng)新源控股有限公司，北京市 100761）

本文介紹了廣州蓄能水電廠二期機(jī)組進(jìn)水球閥的結(jié)構(gòu)和工作原理，以及自投產(chǎn)以來上下游密封活動(dòng)環(huán)密封損壞的問題。從活動(dòng)環(huán)密封的材料、結(jié)構(gòu)到日常運(yùn)行狀況幾個(gè)方面分析了問題產(chǎn)生的原因，重點(diǎn)介紹選型研究和改造后效果。

活動(dòng)環(huán)密封；內(nèi)漏；選型

0 引言

廣州蓄能水電廠（以下簡稱廣蓄）位于廣東省廣州市從化境內(nèi)，整個(gè)電站分兩期建設(shè)，一、二期工程分別安裝4×300MW可逆式抽水蓄能機(jī)組，單機(jī)容量（發(fā)電工況）300MW，總裝機(jī)容量2400MW。一期（稱A廠）工程于1994年全部建成，四臺(tái)機(jī)組命名為1～4號(hào)機(jī)組。二期（稱B廠）工程于1999年全部建成，四臺(tái)機(jī)組命名為5～8號(hào)機(jī)組。一、二期工程于2000年3月全部投產(chǎn)。8×300MW機(jī)組投產(chǎn)后，已成為當(dāng)今世界最大的抽水蓄能電廠。

1 B廠球閥的作用

可逆式抽水蓄能機(jī)組在啟動(dòng)、停機(jī)操作上都靈活方便，在電網(wǎng)峰荷時(shí)放水發(fā)電，在低谷負(fù)荷時(shí)利用系統(tǒng)多余的電能抽水，在電網(wǎng)中起到了調(diào)峰填谷的積極作用，使系統(tǒng)中的各種電站的負(fù)荷趨于均勻，提高了整個(gè)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

廣蓄電站是高水頭、長引水管道、采用一洞四機(jī)引水方案的大型抽水蓄能電站，在水輪機(jī)蝸殼前必須設(shè)置球閥，其作用如下：

（1）開停機(jī)時(shí)開啟或關(guān)閉球閥，開通或關(guān)斷水流。

（2）機(jī)組檢修時(shí)隔離機(jī)組與上游水道，保證檢修安全與其他機(jī)組的正常運(yùn)行。

（3）當(dāng)機(jī)組發(fā)生故障時(shí)關(guān)閉球閥，截?cái)嗨鳎乐拱l(fā)生飛逸事故。

（4）投產(chǎn)初期，用做未投產(chǎn)機(jī)組壓力鋼，迅速管的堵頭，保證廠房安全。

2 B廠球閥結(jié)構(gòu)

球閥為橫軸式雙密封結(jié)構(gòu)，主要球閥閥體、接力器和拐臂、延伸管和伸縮節(jié)、閥芯、軸頸和軸瓦、上下游密封等組成。

上下游密封由嵌入閥體內(nèi)側(cè)空腔內(nèi)的活動(dòng)密封環(huán)與相鄰閥芯上的固定密封環(huán)組成。當(dāng)球閥關(guān)閉時(shí)，通過來自上游鋼管的水產(chǎn)生的壓力，使不銹鋼活動(dòng)密封環(huán)在嵌入閥體的鋁青銅表面滑動(dòng)，使其接觸或分離固定密封環(huán)，從而起到投、退密封的目的。

球閥上、下游側(cè)各有一套密封。上游密封為檢修密封，手動(dòng)投退，帶有機(jī)械鎖錠裝置。其作用：

（1）當(dāng)需要檢修下游密封或閥芯軸封時(shí)，投入上游密封及其鎖錠裝置，無需排空上游水道。

（2）當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分需維護(hù)或需進(jìn)入尾水管時(shí)，投入上游密封及機(jī)械鎖錠，作為安全隔離措施。

下游密封為工作密封，自動(dòng)液壓操作。其作用：機(jī)組停機(jī)時(shí)，在球閥關(guān)閉后，該密封投入，密封上游水道漏水，減少水量損失。

3 設(shè)備狀況及存在問題

廣蓄B廠機(jī)組投產(chǎn)時(shí)，廠家原設(shè)計(jì)的球閥上游密封活動(dòng)環(huán)密封均采用O形Chem-ring結(jié)構(gòu)（即包氟 O形圈，由一個(gè)硅膠或 Viton 膠制的內(nèi)芯和相對較薄的 Te flon PFA外覆組合而成）。該密封的設(shè)置目的為形成上游密封投退密封腔，實(shí)現(xiàn)水壓控制上游密封投退的功能。

建廠時(shí)選用的O形Chem-ring結(jié)構(gòu)密封存在使用壽命不穩(wěn)定的問題。在機(jī)組安裝初期（2000年），8號(hào)球閥安裝期間就曾發(fā)生因該密封斷裂，而不得不排空上游水道檢修更換的事件。2003年B廠上游水道刷環(huán)氧維護(hù)期間更換了5、6號(hào)機(jī)上游密封活動(dòng)環(huán)密封。2014年11月，B廠6、8號(hào)機(jī)運(yùn)行中檢查發(fā)現(xiàn)存在球閥上游密封存在竄水現(xiàn)象。由此可見，該密封壽命不可控，短則在安裝期間立即損壞斷裂，長則使用11年失效竄水，甚至也有使用15年仍完好的情況。

分析問題原因。密封的使用環(huán)境分為靜密封、動(dòng)密封兩類，動(dòng)密封又可細(xì)分為圓周方向轉(zhuǎn)動(dòng)、軸線方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。分析可知，廣蓄球閥上游密封活動(dòng)環(huán)密封的使用環(huán)境即為軸線方向往復(fù)的動(dòng)密封環(huán)境。進(jìn)一步分析，因O形的Chem-ring結(jié)構(gòu)密封截面為圓形，在方形的密封安裝槽內(nèi)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，故在軸線方向往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)易發(fā)生局部扭轉(zhuǎn)。扭轉(zhuǎn)程度輕則造成偏壓、偏磨，導(dǎo)致密封竄水；扭轉(zhuǎn)程度嚴(yán)重至超出其彈性回復(fù)力上限，則會(huì)在扭轉(zhuǎn)處發(fā)生拉伸斷裂。而扭轉(zhuǎn)是否發(fā)生、扭轉(zhuǎn)的嚴(yán)重程度則是偶然性事件，由此造成了密封壽命的不可控。

綜上，廣蓄B廠現(xiàn)用的O形的Chem-ring結(jié)構(gòu)密封存在設(shè)計(jì)缺陷，密封壽命的不可控，造成了上述故障斷裂、竄水。需對B廠球閥上游密封活動(dòng)環(huán)密封的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改造，同時(shí)改善密封材料，目的是將密封使用壽命維持在一個(gè)較長期的穩(wěn)定值。

4 選型設(shè)計(jì)

經(jīng)過選型分析，計(jì)劃采用H-ECOPUR（耐油、耐水、耐磨聚氨酯）密封材料，特殊D形密封結(jié)構(gòu)形式GK35-PH，實(shí)施球閥上游密封活動(dòng)環(huán)密封的技術(shù)改造?？尚行哉撌鼍唧w如下：

4.1 密封結(jié)構(gòu)型式比選

常用的球閥活動(dòng)環(huán)動(dòng)密封形式如圖1所示。本技改計(jì)劃使用密封結(jié)構(gòu)（c）實(shí)施技改。

圖1 常用球閥活動(dòng)環(huán)動(dòng)密封形式

密封結(jié)構(gòu)（a）為B廠原用密封結(jié)構(gòu)，使用同結(jié)構(gòu)的還有改造前的天荒坪抽蓄。O形密封結(jié)構(gòu)作為靜密封使用時(shí)，壓縮性好，密封性強(qiáng)；但不適合作為動(dòng)密封使用。

密封結(jié)構(gòu)（b）結(jié)構(gòu)為20世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初的眾多抽蓄電站設(shè)計(jì)應(yīng)用，如廣蓄A(yù)廠、惠蓄、清蓄等。D形密封與安裝槽完全貼合，具備幾何尺寸的穩(wěn)定性，因此有抵抗扭轉(zhuǎn)的能力；但同時(shí)該結(jié)構(gòu)存在可磨損量小的缺陷（D形底部撐滿了密封槽，無壓縮空間），D形頭部的過盈量磨損消耗后，即會(huì)產(chǎn)生滲漏。

密封結(jié)構(gòu)（c）為21世紀(jì)至今的眾多抽蓄電站設(shè)計(jì)應(yīng)用，頂部換為寶塔形的亦包含在此類。如蒲石河抽蓄、仙居抽蓄、回龍抽蓄，及實(shí)施技術(shù)改造后的天荒坪抽蓄。該結(jié)構(gòu)為D形密封的改進(jìn)型，繼承了抗扭轉(zhuǎn)能力；同時(shí)，因其底部預(yù)留了可供壓縮、回彈的空間，故該結(jié)構(gòu)密封不僅可依靠密封本身的過盈量，還可以通過密封本身的彈性進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到延長密封使用壽命的效果。

密封結(jié)構(gòu)（d）也為當(dāng)今眾多抽蓄電站所應(yīng)用。上部為蝶形結(jié)構(gòu)（也有長方形等），主體類似D形，繼承了抗扭轉(zhuǎn)能力。其下部設(shè)置了O形密封圈（一般為丁腈材質(zhì)），目的是提供更好的彈性補(bǔ)償，使得密封預(yù)計(jì)使用壽命更長。但由于密封（d）采用組合結(jié)構(gòu)，故需要活動(dòng)環(huán)具備更深的密封安裝槽。而廣蓄活動(dòng)環(huán)密封安裝槽設(shè)計(jì)較淺，若換用密封（d）結(jié)構(gòu)，根據(jù)估算需將安裝槽至少車深約2.5mm。如此活動(dòng)環(huán)最薄處將僅剩32mm，使得活動(dòng)環(huán)整體強(qiáng)度、抗變形能力變差。該方案需對主設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)變更，對設(shè)備安穩(wěn)運(yùn)行影響較大。綜上所述，隨著水力水電行業(yè)的發(fā)展與實(shí)踐，參照水電站球閥活動(dòng)環(huán)密封技術(shù)的逐步改造完善的經(jīng)驗(yàn)，密封（c）結(jié)構(gòu)為當(dāng)前最為合理、最符合廣蓄改造需求的結(jié)構(gòu)。

4.2 密封材料參數(shù)比選

常用的球閥活動(dòng)環(huán)動(dòng)密封材料可分為包氟O形圈、丁腈橡膠、聚氨酯三種。本技改計(jì)劃采用的H-ECOPUR（耐油、耐水、耐磨聚氨酯）密封材料由兩家國外公司總部針對水電行業(yè)設(shè)備特性共同開發(fā)，并由其中一家原廠加工生產(chǎn)，專門應(yīng)用于水電站主進(jìn)水閥的聚氨酯密封材料。其設(shè)計(jì)初衷即為取代水電設(shè)施中的橡膠材料密封。對比密封材料性能如表1所示。

因廣蓄水溫處于16～35℃，且呈堿性，因此上述材料的熱性能、耐化學(xué)性能均滿足使用需求，重點(diǎn)在于機(jī)械性能的對比。而包氟O形圈作為一種組合型密封材料，性能介于丁腈橡膠、氟橡膠之間。

由表中參數(shù)對比可見，H-ECOPUR聚氨酯的材料性能是全面優(yōu)于包氟O形圈、丁腈橡膠的。具體表現(xiàn)在：

（1）抗拉強(qiáng)度、斷裂伸長率值高。該材料作為動(dòng)密封使用時(shí)不易被翻轉(zhuǎn)、扭斷。

（2）撕裂強(qiáng)度高。該材料密封接觸面不易受摩擦力剪切而產(chǎn)生脫層，可確保使用壽命穩(wěn)定。

（3）彈性回復(fù)率高。密封性能好，在密封槽內(nèi)滑動(dòng)時(shí)可根據(jù)密封槽尺寸的細(xì)微變化而回彈，保證在整個(gè)動(dòng)密封槽內(nèi)均能保持較好的壓縮余量。

（4）磨損量低。即摩擦系數(shù)低。該密封材料的啟動(dòng)壓力小，不易與相配合的金屬表面發(fā)生黏結(jié)。在經(jīng)歷較長時(shí)間的靜止后，再次動(dòng)作時(shí)不會(huì)發(fā)生因密封黏結(jié)固定部件而局部撕裂脫層。特別使用于球閥上游密封這種長期靜止、偶爾動(dòng)作的工況。而且磨損量低，必然會(huì)使得設(shè)計(jì)使用壽命增長。

表1 H-ECOPUR聚氨酯與常用的丁腈橡膠、氟橡膠的性能參數(shù)對比表

5 改造后的運(yùn)行情況

廣蓄B廠四臺(tái)機(jī)組球閥系統(tǒng)于2015年12月完成大修，使用了上述H-ECOPUR（耐水、耐磨聚氨酯）密封材料，采用特殊D形密封結(jié)構(gòu)形式GK35-PH，實(shí)施了球閥上下游密封活動(dòng)環(huán)密封的技術(shù)改造，從實(shí)際運(yùn)行情況來看，活動(dòng)環(huán)投退腔打壓試驗(yàn)無發(fā)現(xiàn)漏水，上下游密封投退試驗(yàn)中活動(dòng)環(huán)動(dòng)作順暢，機(jī)組調(diào)試期間球閥上下游密封正常動(dòng)作，設(shè)備運(yùn)行狀況良好。

6 結(jié)束語

通過以上選型改造，總結(jié)出大型水力發(fā)電機(jī)組的進(jìn)水球閥上下游密封活動(dòng)環(huán)密封在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)引起足夠重視的兩點(diǎn)為：①必須選取耐水及耐磨性較好的密封材料；②必須選取結(jié)構(gòu)形式較優(yōu)的密封形式。通過不斷的探索和努力，廣蓄對B球閥上下游密封活動(dòng)環(huán)密封進(jìn)行了改進(jìn)，取得了一定的成效。希望本文能為在建或待建的水力發(fā)電機(jī)組的進(jìn)水球閥相關(guān)設(shè)計(jì)提供參考。

[1]高蘇杰.抽水蓄能的責(zé)任［J］.水電與抽水蓄能，2015，1（1）：1-7.

[2]楊平，張延智，王世魁.小浪底水電站6號(hào)機(jī)組筒閥系統(tǒng)更新改造［J］.水電與抽水蓄能，2016，2（3）：34-37.

[3]葛軍強(qiáng).湊合節(jié)在球閥安裝中若干問題的研究［J］.水電與抽水蓄能，2016，2（2）：25-27.

[4]張鵬，等.小浪底水電站機(jī)組筒閥系統(tǒng)更新改造［J］.水電與抽水蓄能，2015，1（1）：86-90.

鄭 智（1979—），男，大學(xué)本科，工程師，主要研究方向：水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)與檢修。E－mail：talentzz@qq.com

胡廣恒（1982—），男，大學(xué)本科，工程師，主要研究方向：水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)與檢修。E－mail：huguangheng@qq.com

黃 坤（1984—），男，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，主要研究方向：水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行維護(hù)與檢修。E－mail：kun-huang@sgxy.sgcc.com.cn

Study on Type Selection of the Sealing Moving Ring on the Spherical Valve Upstream and Downstream Seal in Pumped Storage Units

ZHENG Zhi1，HU Guangheng1，HUANG Kun2
（1.CSG Power Generation Company Guangzhou Pumped Storage Power Station，Guangzhou 510950，China; 2.State Grid Xinyuan Co.，Ltd.Beijing 100761，China）

This paper introduces the spherical valve in the GPSPS’ phase Ⅱ Units structure and working principle，and since it was put into operation on the sealing moving ring on the spherical valve upstream and downstream seal damage.The causes of the damage are analyzed from the aspects of the material，the structure of the sealing moving ring and the daily operation; focus on the type selection and transformation effect.

sealing moving ring;Internal leakage;type selection