郭 鵬，秦 俊

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司抽水蓄能技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京 100761）

0 引言

在構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)中，新能源大規(guī)模高比例接入電力系統(tǒng)，導(dǎo)致電力系統(tǒng)“雙高雙峰”特征日益凸顯，抽水蓄能電站集源、荷、儲(chǔ)多種“技能”于一身，是電力系統(tǒng)的“調(diào)節(jié)器”和“平衡器”，是保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的有力武器。抽水蓄能電站地下廠房位于上、下水庫(kù)水面以下幾十米至幾百米，通過(guò)輸水系統(tǒng)上接上水庫(kù)，下聯(lián)下水庫(kù)，其中主進(jìn)水閥是截?cái)嗌蠋?kù)水流確保地下廠房安全防止水淹廠房的核心設(shè)備，工作密封是確保上水庫(kù)幾百米壓力與下游設(shè)備可靠隔離的關(guān)鍵部件[1,2]。

作為抽水蓄能電站地下廠房最重要的安全設(shè)備，主進(jìn)水閥的安全性極為重要[3,4]。為了確保水淹廠房、控制電源丟失、主進(jìn)水閥可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）失去控制等極端條件下主進(jìn)水閥也能安全關(guān)閉，抽水蓄能電站主進(jìn)水閥控制設(shè)計(jì)了僅僅依靠機(jī)械液壓回路的失電控制回路，能夠由機(jī)械液壓回路直接動(dòng)作自動(dòng)關(guān)閉主進(jìn)水閥活門(mén)，并自動(dòng)投入工作密封的功能。然而在主進(jìn)水閥關(guān)閉末期，固定在主進(jìn)水閥拐臂上的楔形臂與主進(jìn)水閥全關(guān)感應(yīng)行程閥之間存在機(jī)械配合問(wèn)題，導(dǎo)致主進(jìn)水閥活門(mén)關(guān)閉末期仍在關(guān)閉過(guò)程期間工作密封提前自動(dòng)投入，存在工作密封動(dòng)密封環(huán)與固定在主進(jìn)水閥活門(mén)上的固定密封環(huán)發(fā)生刮擦損壞的重大難點(diǎn)問(wèn)題。

本文主要針對(duì)抽水蓄能電站主進(jìn)水閥失電關(guān)閉過(guò)程中工作密封過(guò)早投入的重大難點(diǎn)問(wèn)題，通過(guò)優(yōu)化主進(jìn)水閥全關(guān)反饋控制油回路，增設(shè)控制油油壓緩沖器（蓄能器）裝置，可徹底解決主進(jìn)水閥接力器關(guān)閉活門(mén)過(guò)程末期工作密封過(guò)早投入導(dǎo)致的工作密封破壞。

1 工作密封機(jī)械液壓保護(hù)裝置現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)抽水蓄能電站主進(jìn)水閥大部分為球閥型式，球閥一般應(yīng)為橫軸雙面密封閥；工作密封是抽水蓄能電站球閥截?cái)嗨鞯闹饕ぷ鞑考唬挥谇蜷y下游側(cè)，工作密封本體包括動(dòng)密封環(huán)和固定密封環(huán)。NB/T 35004-2013水力發(fā)電廠自動(dòng)化設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范中3.3.8規(guī)定：球閥的正常啟閉應(yīng)采用液壓操作，當(dāng)控制電源消失時(shí)可緊急關(guān)閥[5]。抽水蓄能電站機(jī)組及其附屬設(shè)備采購(gòu)項(xiàng)目第三冊(cè)通用技術(shù)規(guī)范第2章水泵水輪機(jī)及其附屬設(shè)備第0204節(jié)2.6.2控制要求（3）進(jìn)水閥的控制回路應(yīng)由直流和交流雙回路供電，進(jìn)水閥系統(tǒng)應(yīng)該既有在電源正常的情況下“得電關(guān)閉”的液壓控制回路，又有在冗余電源均消失的情況下“失電關(guān)閉”的液壓控制回路，實(shí)現(xiàn)進(jìn)水閥的“得電關(guān)閉”和“失電關(guān)閉”雙回路冗余控制，以保證安全。根據(jù)上述要求，球閥失電關(guān)閉回路，理論上除了關(guān)閉活門(mén)以外，工作密封也應(yīng)在失電情況下自動(dòng)投入。

1.1 工作密封失電自動(dòng)投入應(yīng)用技術(shù)

球閥通過(guò)機(jī)械液壓控制系統(tǒng)中的失電檢測(cè)電磁閥實(shí)現(xiàn)球閥活門(mén)失電關(guān)閉和工作密封失電自動(dòng)投入，達(dá)到截?cái)嗨鞯哪康?。?guó)內(nèi)某抽水蓄能電站在失電情況球閥活門(mén)全關(guān)與工作密封投入的過(guò)程如圖1所示，球閥全關(guān)允許工作密封投入的閉鎖設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖1 主進(jìn)水閥全關(guān)反饋油管路示意圖

圖2 主進(jìn)水閥全關(guān)允許工作密封投入閉鎖配合示意圖

如圖1所示，球閥處于開(kāi)啟狀態(tài)時(shí)，工作密封退出（上游退出腔有水壓、下游投入腔無(wú)水壓），球閥活門(mén)全開(kāi)，此時(shí)工作密封控制閥處于平行位，工作密封失電檢測(cè)電磁閥線圈帶電，球閥全關(guān)與工作密封壓力水源供水閉鎖閥左側(cè)有油壓；球閥全關(guān)允許工作密封投入行程閥（以下簡(jiǎn)稱(chēng)行程閥）閥桿處于伸出狀態(tài)，此狀態(tài)將禁止工作密封在球閥未全關(guān)的條件下投入，如圖3所示。

圖3 主進(jìn)水閥全開(kāi)時(shí)行程閥伸出狀態(tài)不允許工作密封投入示意圖

當(dāng)球閥正常關(guān)閉，依靠順控流程控制時(shí)，待球閥接力器全關(guān)不再動(dòng)作后，再投入工作密封，此時(shí)不會(huì)發(fā)生工作密封破壞；當(dāng)球閥失電關(guān)閉時(shí)，此時(shí)工作密封在液壓系統(tǒng)控制下自動(dòng)投入，不受順控流程控制，存在球閥接力器關(guān)閉末期還在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，工作密封提前投入造成損壞的潛在重大難點(diǎn)問(wèn)題。如圖1所示，球閥失電停機(jī)電磁閥和工作密封失電電磁閥同時(shí)失電的控制過(guò)程描述如下：

（1）球閥在失電停機(jī)電磁閥的作用下動(dòng)作，接力器動(dòng)作關(guān)閉球閥活門(mén)；

（2）工作密封失電檢測(cè)電磁閥線圈失電，彈簧作用，導(dǎo)致工作密封失電檢測(cè)電磁閥變位至彈簧側(cè)；

（3）工作密封控制閥處于平行位右側(cè)有油壓的管路通過(guò)工作密封失電檢測(cè)電磁閥彈簧側(cè)通路接至球閥全關(guān)允許工作密封投入行程閥上部；

（4）球閥全關(guān)與工作密封壓力水源供水閉鎖閥左側(cè)有油壓部分也接至球閥全關(guān)允許工作密封投入行程閥上部；

（5）球閥失電動(dòng)作通過(guò)接力器關(guān)閉球閥活門(mén)過(guò)程的末期，當(dāng)固定在球閥拐臂上的楔形臂壓住球閥全關(guān)感應(yīng)行程閥后，由于行程桿的動(dòng)作將導(dǎo)致行程閥變位（由平行位變?yōu)榻徊嫖唬?，此時(shí)球閥全關(guān)允許工作密封投入行程閥上部油壓將通過(guò)交叉位泄壓，如圖2所示；

（6）工作密封控制閥處于平行位右側(cè)有油壓的管路最終通過(guò)行程閥泄壓，因此工作密封控制閥將在彈簧的作用下由平行位變?yōu)榻徊嫖唬?/p>

（7）球閥全關(guān)與工作密封壓力水源供水閉鎖閥左側(cè)有油壓管路最終通過(guò)行程閥泄壓，因此壓力水源供水閉鎖閥將在彈簧的作用下變位至彈簧側(cè)；

（8）工作密封上游退出側(cè)壓力水將通過(guò)工作密封控制閥交叉位泄壓；

（9）工作密封下游投入側(cè)將通過(guò)工作密封控制閥交叉位從球閥全關(guān)與工作密封壓力水源供水閉鎖閥彈簧側(cè)的變位從壓力水源供水閉鎖閥下部獲得壓力鋼管過(guò)來(lái)的壓力水，從而投入工作密封。

1.2 現(xiàn)應(yīng)用技術(shù)缺陷

在控制電源丟失情況下，球閥工作密封投入和球閥活門(mén)關(guān)閉的PLC控制邏輯失效，其先后時(shí)序只能由固定在進(jìn)水閥接力器臂柄上的楔形臂與行程閥之間的機(jī)械配合來(lái)控制，如圖4（a）和（b）所示。當(dāng)球閥接力器由全開(kāi)位移動(dòng)至接力器全關(guān)位時(shí)，行程閥的行程桿會(huì)與接力器臂柄上的楔形臂接觸，行程桿會(huì)先后經(jīng)歷預(yù)動(dòng)作行程（1.75 mm）、換向行程 （4 mm）及過(guò)行程階段（2 mm）。行程閥的行程桿有7 mm的行程，實(shí)際行程桿大約動(dòng)作5 mm左右就會(huì)導(dǎo)致行程閥由平行位切換至交叉位。當(dāng)球閥活門(mén)即將完全關(guān)閉時(shí)，行程閥開(kāi)始與楔形臂發(fā)生接觸，行程閥的行程桿在上方凸輪與楔形臂的接觸作用下開(kāi)始向下動(dòng)作。工作密封提前投入時(shí)進(jìn)水閥活門(mén)尚未完全關(guān)閉，還有約3%的剩余開(kāi)度，因此造成了工作密封的動(dòng)密封環(huán)與固定在進(jìn)水閥活門(mén)上的固定密封環(huán)發(fā)生刮擦并損傷工作密封的后果。

圖4 楔形臂與行程閥局部示意圖

不造成工作密封破壞的理想情況應(yīng)當(dāng)是當(dāng)球閥活門(mén)完全關(guān)閉的瞬間，行程桿在楔形臂和凸輪的作用下恰好向下動(dòng)作5 mm，行程閥由平行位切換至交叉位，進(jìn)而觸發(fā)工作密封投入流程。然而實(shí)際情況下，由于楔形臂和行程閥之間的安裝存在一定誤差，無(wú)法保證球閥活門(mén)完全關(guān)閉的瞬間行程閥恰好完成內(nèi)部工位切換；并且為保證失電情況下工作密封能夠切實(shí)投入，安裝工人在調(diào)整楔形臂和行程閥之間的位置時(shí)會(huì)刻意使行程閥的動(dòng)作時(shí)間點(diǎn)略微超過(guò)進(jìn)水閥活門(mén)完全關(guān)閉的時(shí)間點(diǎn)，即在活門(mén)完全關(guān)閉前行程閥的行程桿便已動(dòng)作5 mm，行程閥由平行位切換至交叉位，這將導(dǎo)致在活門(mén)完全關(guān)閉前工作密封便開(kāi)始投入，極大地增加了工作密封在投入過(guò)程中與固定在進(jìn)水閥活門(mén)上的固定密封環(huán)發(fā)生刮擦進(jìn)而引發(fā)工作密封損壞的風(fēng)險(xiǎn)。即上述步驟中第5步由于行程閥的提前動(dòng)作，導(dǎo)致后續(xù)不可控的第6步到第9步也提前動(dòng)作，從而導(dǎo)致工作密封提前投入造成破壞。

2 工作密封機(jī)械液壓保護(hù)裝置改進(jìn)措施

針對(duì)抽水蓄能電站球閥機(jī)械液壓失電控制回路存在缺陷的現(xiàn)狀，主要解決思路是推遲行程閥變位導(dǎo)致的控制油壓泄壓時(shí)間，以保證球閥接力器全關(guān)到底不動(dòng)后活門(mén)也不動(dòng)作，此時(shí)再自動(dòng)投入工作密封，從而避免工作密封的破壞。

改進(jìn)措施是在球閥全關(guān)允許工作密封投入反饋控制油回路增設(shè)控制油油壓緩沖器（蓄能器）裝置，蓄能器以石油基液壓油和氮?dú)鉃楣ぷ鹘橘|(zhì)，如圖5所示，實(shí)現(xiàn)控制油回路中控制油泄壓的8~10 s延時(shí)控制，彌補(bǔ)接力器拐臂上的楔形臂與進(jìn)水閥全關(guān)感應(yīng)行程閥之間機(jī)械配合的不足，可以有效避免球閥失電關(guān)閉過(guò)程中關(guān)閉末期工作密封提前投入導(dǎo)致的進(jìn)水閥工作密封破壞的情況。

圖5 改進(jìn)后的主進(jìn)水閥全關(guān)反饋油管路示意圖

蓄能器作為球閥全關(guān)反饋油管路的重要組成部分，以石油基液壓油和氮?dú)鉃楣ぷ鹘橘|(zhì)，安裝在球閥全關(guān)反饋油管路，主要原理就是利用波義耳定律，即在定量定溫下，理想氣體的體積與氣體的壓強(qiáng)成反比[6]。蓄能器膠囊中氮?dú)鈿怏w具有壓縮性，如圖6所示，通過(guò)液壓油來(lái)壓縮膠囊實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能工作。開(kāi)始的時(shí)候?qū)㈩A(yù)定壓力（3.5 MPa）的氮?dú)鈿怏w充到蓄能器中的氣密隔離件的膠囊內(nèi)，而膠囊的周?chē)鷦t是液壓油，該液壓油與球閥全關(guān)反饋油管路相通。當(dāng)球閥全關(guān)允許工作密封投入控制油回路中壓力升高時(shí)，控制油進(jìn)入蓄能器并壓縮膠囊內(nèi)部的氮?dú)鈿怏w從而儲(chǔ)存能量；當(dāng)球閥全關(guān)允許工作密封投入控制油回路中壓力下降至3.5 MPa以下時(shí)，壓縮的氮?dú)鈿怏w開(kāi)始膨脹，使得控制油流向球閥全關(guān)反饋油管路從而釋放能量。

圖6 控制油油壓緩沖器（蓄能器）裝置

蓄能器內(nèi)的控制油排入球閥全關(guān)反饋油管路中，為球閥全關(guān)反饋油管路中的控制油提供臨時(shí)的油壓補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)球閥全關(guān)反饋油管路中油壓的延時(shí)釋放，使得控制油沒(méi)有完全通過(guò)球閥全關(guān)感應(yīng)行程閥交叉位回流至回油箱，從而避免球閥全關(guān)反饋油管路發(fā)生快速瞬時(shí)泄壓；這樣，在蓄能器的延時(shí)泄壓作用下，能夠保證當(dāng)球閥活門(mén)完全關(guān)閉時(shí)，工作密封自動(dòng)投入，避免工作密封提前投入而造成損壞。

3 結(jié)語(yǔ)

在主進(jìn)水閥控制油路上增設(shè)蓄能器裝置，并于蓄能器中預(yù)先充入預(yù)定壓力的惰性氣體；在失電狀態(tài)下，通過(guò)主進(jìn)水閥控制油路和工作密封控制水路對(duì)主進(jìn)水閥和工作密封的配合控制，以及蓄能器對(duì)主進(jìn)水閥控制油路的延時(shí)泄壓作用，能夠?qū)崿F(xiàn)控制油回路中控制油泄壓的8～10 s延時(shí)控制，彌補(bǔ)接力器拐臂上的楔形臂與主進(jìn)水閥全關(guān)感應(yīng)行程閥之間機(jī)械配合的不足，可以有效避免主進(jìn)水閥失電關(guān)閉過(guò)程中關(guān)閉末期工作密封提前投入導(dǎo)致的進(jìn)水閥工作密封破壞的情況。該改進(jìn)措施有力支撐我國(guó)抽水蓄能電站工程建設(shè)和運(yùn)行，社會(huì)安全經(jīng)濟(jì)效益巨大，推廣應(yīng)用前景廣闊。