楊 昭，顧志堅，陳泓宇

（中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司深圳蓄能發(fā)電有限公司，廣東 深圳 518115)

0 前言

深圳抽水蓄能電站位于深圳市東北部的鹽田區(qū)和龍崗區(qū)內(nèi)，距深圳市中心約20 km，是一座日調(diào)節(jié)的純抽水蓄能電站。電站的總裝機容量1 200 MW，平均水頭448.30 m，設(shè)4臺立式單級混流可逆式水泵水輪機-發(fā)電電動機組，單機容量（發(fā)電工況）300 MW。樞紐工程由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房洞室群及開關(guān)站等部分組成。輸水系統(tǒng)為一管四機，每臺機組蝸殼進水口前設(shè)置1臺球閥。1臺機組檢修，不影響其他機組正常運行。

深蓄電站4臺球閥由安德里茨設(shè)計，其中2號、4號由東方電機生產(chǎn)供貨，1號、3號由安德里茨生產(chǎn)供貨，并對安裝調(diào)試質(zhì)量負責(zé)。安裝由葛洲壩集團機電建設(shè)公司完成。由于抽水蓄能電站的特殊性，機組高水頭、球閥啟停頻繁，要求球閥既要有良好的密封效果，又要開關(guān)穩(wěn)定、可靠、迅速，因此有必要對其結(jié)構(gòu)裝配及試驗等進行深入分析。

1 球閥的主要設(shè)計參數(shù)

直徑：Φ2 300 mm

設(shè)計壓力7.06 MPa

接力器活塞直徑：Φ480 mm

接力器操作方式：水壓操作

接力器數(shù)量：2

開啟時間：40～80 s可調(diào)

關(guān)閉時間：40～80 s可調(diào)

2 球閥主要部件結(jié)構(gòu)特點

球閥安裝在引水管下游端的電站廠房內(nèi)，球閥上游側(cè)設(shè)有一個進水接管，進水接管通過兩節(jié)湊合節(jié)與引水壓力鋼管相連，采用焊接方式相連。下游側(cè)通過伸縮節(jié)與蝸殼延伸管相連。

球閥本體由整體的閥體(由分半的左閥體、右閥體鑄件焊接為一體)、活門、自潤滑軸承及檢修密封、工作密封、2個Φ480搖擺式接力器等零部件組成。附屬設(shè)備有上游連接管、下游伸縮節(jié)、球閥充水平壓用的旁通閥系統(tǒng)、壓力鋼管排水管路等。結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 球閥結(jié)構(gòu)圖

2.1 閥體

閥體采用沿水流方向垂直分半整鑄而成，材料為鑄鋼20SiMn。在活門裝入兩半閥體后，用窄縫焊將分半閥體焊為整體，提高了閥體強度。閥體和活門可以進行同加工，保證了活門上密封環(huán)安裝面和閥體上止漏環(huán)的接觸面位置準(zhǔn)確，具有可靠的密封性能。這種結(jié)構(gòu)使閥體剛性更好，省略了分半結(jié)構(gòu)閥體中間的分半面法蘭，減少了分半面處大量的加工工序，減輕了重量，節(jié)約了加工成本。同時使周圈密封加工方便，加工公差易于保證，密封效果好。

2.2 活門

活門采用鑄鋼20SiMn整體鑄造，過流通徑與壓力鋼管相同，并經(jīng)機加工，以減小通過球閥的水頭損失。左右閥軸與活門鑄造為一體，提高了活門強度。閥軸和活門不再須用螺栓把合，兩閥軸支承中心的距離明顯減小，由上游推力產(chǎn)生的作用在閥軸上的彎矩也相應(yīng)減小，從而改善了閥軸的受力狀況?；铋T支撐采用DEVA自潤滑軸承，閥軸與軸承和軸端密封貼合的表面有不銹鋼襯套。

2.3 球閥密封

主密封包括上游側(cè)檢修密封與下游側(cè)工作密封，由一個T型活動密封環(huán)和一個固定密封座組成。活動密封環(huán)和固定密封座的密封表面采用數(shù)控加工，保證了密封面形狀，并且閥體和活門上的密封環(huán)安裝面采用同加工，保證了同軸度。閥體上與活動密封環(huán)相接觸的表面堆焊不銹鋼層，使工作密封更加可靠，提高了密封性能。密封環(huán)采用壓力鋼管中的水作為操作介質(zhì)，為了顯示密封環(huán)的工作情況，安裝有檢測密封環(huán)投入情況的行程開關(guān)。

相比惠蓄、廣蓄A(yù)廠等電站采用的D型密封，雖然D型密封于安裝槽完全貼合，具備幾何尺寸的穩(wěn)定性，有抵抗扭矩的能力，但同時D型密封結(jié)構(gòu)存在磨損量小的缺陷（D型底部撐滿了密封槽，無壓縮空間），D型頭部的過盈量磨損消耗后，即會產(chǎn)生滲漏，因此在深蓄電站密封圈的選型上采用組合密封結(jié)構(gòu)，由一個抗磨的聚氨酯環(huán)和O形圈組成。同時O形圈提供預(yù)緊力，使組合密封具有很大的伸縮性，當(dāng)閥體與密封環(huán)由于受力變形，密封間隙變大時，能起到很好的補償作用，保證了密封性能。見圖2。

根據(jù)要求，檢修密封還具有投入腔失壓后的防開啟自鎖功能，以及在下游側(cè)無壓狀態(tài)、退出腔建壓后的防開啟自鎖功能。因此相比同類球閥如仙游機組球形閥，檢修密封取消了機械鎖定，簡化了結(jié)構(gòu)。檢修密封環(huán)同樣采用上游壓力鋼管中的水作為操作介質(zhì)，手動操作。見圖3。

圖2 組合密封結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 檢修密封結(jié)構(gòu)圖

2.4 軸承及其密封裝置

軸承及其密封裝置由自潤滑軸瓦、鋼套、U形密封圈、壓墊蓋等零部件組成。自潤滑軸瓦采用德國DEVA公司的BM型軸瓦，具有良好的自潤滑性能，摩擦系數(shù)低，抗壓強度高。軸承共采用兩道密封，內(nèi)側(cè)密封主要是防止泥沙污物進入軸承摩擦表面，但水能透過該道密封而進入軸承表面對軸承起潤滑作用。這樣可確保軸承的潤滑水是清潔的，防止損壞軸承。主要的封水密封位于軸承的外側(cè)，采用進口的U形聚氨酯密封圈，能確保閥軸上無泄漏。在不排空壓力鋼管，檢修密封投入的情況下，可以更換軸承密封。

2.5 球閥操作機構(gòu)

操作機構(gòu)接力器的直徑為Φ480 mm，行程為1 390 mm，直缸搖擺式結(jié)構(gòu),額定操作水壓為16 MPa，雙接力器操作。除去臂柄、支座等連接件，接力器主體全英國進口。接力器的活塞桿通過臂柄與活門軸相連接，接力器的下端蓋與支座之間用銷軸鉸鏈連接，可自由擺動。接力器操作力通過基礎(chǔ)板及地腳螺栓傳遞給混凝土基礎(chǔ)。

2.6 旁通管路

深蓄電站進水閥同惠蓄、清蓄相比一個重要特點就是有旁通閥。旁通管路自進水接管跨閥體連接到下游伸縮節(jié)上，由兩個Φ250液壓操作針形閥組成。球閥開啟前，需先通過旁通管路來平衡閥門前后壓差。上游針形閥為檢修閥門，處于常開狀態(tài)，當(dāng)下游側(cè)工作針形閥需要檢修時關(guān)閉。見圖4。

圖4 旁通管路結(jié)構(gòu)圖

進水閥正常開關(guān)：在上游側(cè)檢修密封處于全開位置時，打開旁通閥，向蝸殼充水，使活門前、后水壓趨于平衡（活門前、后壓差不大于30%），然后打開下游工作密封，最后開啟活門?；铋T全開后，關(guān)閉旁通閥。正常關(guān)閉時，應(yīng)先關(guān)閉水輪機導(dǎo)葉，再轉(zhuǎn)動活門。當(dāng)活門到全關(guān)位置時，關(guān)閉工作密封。

3 驗收試驗問題情況及改進意見

為了檢驗球閥相關(guān)零部件設(shè)計的合理性和加工質(zhì)量，保證球閥工地安裝的順利進行，在球閥總裝完成后出廠之前進行球閥裝配試驗出廠驗收。

驗收現(xiàn)場球閥裝配試驗工裝設(shè)施基本完善，進水接管、中間環(huán)、密封環(huán)、止漏環(huán)、伸縮節(jié)、閥體和活門等呈整體裝配狀態(tài)。見證項目為整體壓力試驗、工作密封漏水試驗、檢修密封漏水試驗、檢修密封自鎖功能試驗、止漏環(huán)動作及行程試驗、活門動作試驗、止漏環(huán)和密封環(huán)硬度測量、部分裝配尺寸等。

3.1 深蓄1號球閥驗收情況

2016年11月2日，根據(jù)驗收檢查記錄卡試驗操作流程在安德里茨裝配車間進行1號機球閥整體壓力試驗，當(dāng)壓力升高至3.5 MPa，打開連通工作密封和閥體內(nèi)腔的閥門時，在工作密封9點-10點之間位置處出現(xiàn)泄漏，狀態(tài)為多點流態(tài)溢出。安德里茨分析原因為平壓操作不當(dāng)所致，緊急將工作密封投入腔升壓至約5.5 MPa后泄漏狀態(tài)為滴水狀，繼續(xù)升壓至10.6 MPa壓力。鑒于整體壓力試驗過程中出現(xiàn)多點流態(tài)溢出泄漏，為檢查密封面情況，2016年11月3日完成球閥排水后，轉(zhuǎn)動活門檢查密封面，主要情況如下：

1）在工作密封3點鐘、9點鐘附近發(fā)現(xiàn)有相對位移引起的擦痕，8點鐘位置附近有多處超出密封嚙合線寬度擦壓痕跡，見圖5；

2）閥體內(nèi)清潔度差，內(nèi)部有鐵屑等異物，見圖6。

圖5 超出密封嚙合線擦壓痕跡

圖6 閥體內(nèi)部清潔情況

3.2 原因分析

擦痕及漏水產(chǎn)生的原因如下：

1）泄露試驗要求通過泵與閥體及止漏環(huán)的投入腔和退出腔接通升壓，模擬現(xiàn)場工況。但此升壓過程在實際運行操作時是不存在的。首先應(yīng)在止漏環(huán)投入腔加壓，保證閥體充水不泄露，然后當(dāng)閥體充滿水時，給閥體加壓，當(dāng)閥體打壓升壓至與止漏環(huán)投入腔平壓狀態(tài)過程中，止漏環(huán)投入腔壓力會迅速上升，需通過泄壓閥控制,如通過手動控制，壓降速度與幅度成非線性的變化，結(jié)合升壓與降壓的過程，止漏環(huán)與固定密封環(huán)在嚙合的情況下會在上下游方向反復(fù)運動，易造成劃傷。一旦產(chǎn)生泄露，閥體與止漏環(huán)同時泄壓，平壓破壞，惡性循環(huán)。但在現(xiàn)場實際運行時，不會因為泄露而出現(xiàn)閥體與止漏環(huán)同時失壓的狀態(tài)。

2）試驗進水孔在底部，止漏環(huán)整圈壓力不均勻。

3）閥體內(nèi)部清潔不到位。

4）壓力泵內(nèi)部未清理。

2.青年價值觀的含義及其構(gòu)成要素。世界觀給予我們對所處世界的一般性看法，人生觀是人們對人生目的、意義的認識和態(tài)度。青年價值觀是青年人生觀的體現(xiàn)，是在具體的人生觀的指導(dǎo)下形成、發(fā)展的。在我國，青年人生觀一般可以分為兩類：即無產(chǎn)階級人生觀和非無產(chǎn)階級人生觀?！豆伯a(chǎn)黨宣言》中指出：“過去的一切運動都是少數(shù)人的或者為少數(shù)人謀利益的運動。無產(chǎn)階級的運動是絕大多數(shù)人的、為絕大多數(shù)人謀利益的獨立的運動”［1］?！盀榻^大多數(shù)人謀利益”由馬克思、恩格斯提出，被毛澤東凝練成“為人民服務(wù)”，這正是無產(chǎn)階級政黨的宗旨，也是無產(chǎn)階級人生觀概念的升華。

3.3 處理及改進意見

1）更換處理后的固定密封環(huán)，重新試驗。

2）增加新的齒輪泵。接止漏環(huán)投入腔和退出腔。保證止漏環(huán)壓力穩(wěn)定。

3）增加止漏環(huán)投入腔注水點。

4）采用兩套泵，分別對閥體和止漏環(huán)投入腔加壓，保證壓力上升平穩(wěn)。

5）徹底清理閥體內(nèi)部。

4 試驗數(shù)據(jù)與有限元計算分析

自2016年10月份至2017年1月份，在安德里茨裝配車間分別完成了深蓄球閥1號和3號球閥的工廠驗收試驗。在試驗過程中，測量活門沿下游方向的變形相比于單獨的活門的有限元結(jié)果基本吻合，對深蓄球閥閥體和活門整體進行了有限元計算，針對變形的問題進行進一步的分析。

4.1 試驗、單獨活門有限元計算和閥體與活門整體

（1）球閥工廠驗收試驗放置狀態(tài)：水平放置在支撐上，投入轉(zhuǎn)臂上的鎖錠銷。

（2）單獨活門有限元計算：由于水壓力引起的活門力通過軸套傳遞到軸承中心點。在中心點施加位移約束Ux=Uy=0,見圖7。

圖7 單獨活門有限元計算

（3）閥體與活門整體有限元計算：考慮活門與推力軸承之間0.4 mm的間隙。其余邊界條件依據(jù)（1）試驗，閥體與活門整體有限元計算見圖8。

圖8 閥體與活門整體有限元計算

其中閥體與活門整體有限元計算工況:一是閥體與活門與水接觸的表面施加7.06 MPa的壓力，同時考慮靜水壓力；二是閥體與活門的重量；三是工作密封投入腔的閥體表面施加8.5 MPa壓力，同時考慮工作密封投入腔壓力8.5 MPa時，工作密封作用于活門的力。

4.2 計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)比較分析

將試驗數(shù)據(jù)同有限元計算作比較，對比結(jié)果見表1。

表1 試驗數(shù)據(jù)與有限元計算結(jié)果對比表 單位：mm

根據(jù)表1對比結(jié)果，我們可以得出以下結(jié)論：

1）活門中心水流方向變形的計算結(jié)果與1號、3號球閥活門試驗測量數(shù)據(jù)趨于一致。

2）排除鎖錠銷與銷孔間隙引起活門轉(zhuǎn)動的影響（6點變形+12點變形實測值與計算結(jié)果比較），1號，3號球閥活門12點和6點位置的變形與計算值趨于一致。

3）通過有限元分析可以看出，在活門中心不同部位架表，變形量的大小不一樣，最大、最小變形量差值在0.30 mm左右。因此，百分表架設(shè)的部位不一樣，其讀數(shù)會存在一定差異?？傮w上來說，活門的變形趨勢是與有限元分析吻合的。

5 結(jié)束語

深圳抽水蓄能電站進水閥采用安德里茨公司成熟設(shè)計，東方電機和安德里茨各制造2臺，借鑒和吸收了廣蓄、惠蓄、仙游、清蓄等運行經(jīng)驗加以改進完善，目前4臺進水閥已全部通過出廠驗收，其中整體壓力試驗、檢修密封試驗、工作密封試驗漏水量遠小于合同要求0.1 L/min。其設(shè)計、制造、驗收的成功經(jīng)驗對其他同類電站進水閥有借鑒意義。

[1]梅祖彥.抽水蓄能技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社.

[2]白延年.水輪發(fā)電機設(shè)計與計算[M].北京:機械工業(yè)出版社，1982.

[3]陳泓宇，程振宇.清遠抽水蓄能電站進水閥結(jié)構(gòu)特點分析[J].調(diào)峰調(diào)頻技術(shù)，2016，7(4):43-50.

[4]何少潤，陳泓宇.清遠抽水蓄能電站主機設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計及制造工藝修改意見綜述[J].水電與抽水蓄能，2016(5).

[5]王丹偉.惠州抽水蓄能電站進水閥新軸套的設(shè)計與應(yīng)用[J].廣東電力，2014(9).