一、新型水電站球閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)概述
耿達(dá)水電站位于四川省阿壩州汶川縣及臥龍?zhí)貏e行政區(qū)耿達(dá)鄉(xiāng)境內(nèi)的岷江上游支流漁子溪河上，是該河流上第二座梯級(jí)電站。電站設(shè)計(jì)水頭283m，水頭302.2m，低水頭255.7m，設(shè)計(jì)大引用流量69.3m3/s，電站共裝有4臺(tái)單機(jī)容量為40MW的高水頭混流式水輪發(fā)電機(jī)組，每臺(tái)水輪機(jī)前端裝有一臺(tái)φ1.6m的球形閥。電站的引水流程為：大壩取水———壓力隧洞———調(diào)壓井———壓力鋼管———四臺(tái)機(jī)組———尾水———排入漁子溪河。在水輪發(fā)電機(jī)組中起著非常重要的作用：當(dāng)機(jī)組停機(jī)時(shí)，關(guān)閉進(jìn)水閥門用于減小水流損失；當(dāng)機(jī)組發(fā)生故障而調(diào)速器失靈時(shí)，能在動(dòng)水下緊急關(guān)閉，迅速切斷水流，避免事故的繼續(xù)擴(kuò)大。球閥是進(jìn)水閥的一種。近年來隨著我國(guó)大型沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組的不斷發(fā)展，對(duì)制造和控制技術(shù)的要求也日益提高，對(duì)進(jìn)水球閥的控制就顯得尤為重要。早期的球閥控制系統(tǒng)在電氣控制上采用常規(guī)的繼電器邏輯控制方式，由于組成的元器件均組裝在大小不同的盤柜中，轉(zhuǎn)接點(diǎn)多、配線復(fù)雜，從而導(dǎo)致控制裝置的故障易發(fā)，可靠性欠佳，且邏輯關(guān)系復(fù)雜，控制方式單一，信息量少，僅能滿足基本功能；在機(jī)械液壓控制上采用管路加閥門的方式，配管復(fù)雜，有可能產(chǎn)生大的泄漏，互換性、通用性差，使用壓力范圍窄。 
二、新型水電站球閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)舊球形閥運(yùn)行中存在的主要問題
2.1 活門軸端漏水
球形閥經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，活門兩端轉(zhuǎn)軸與軸套間由于摩擦磨損會(huì)形成相對(duì)的橢圓，U型橡皮密封的性能隨之下降，水即會(huì)從軸端處漏出，沖刷損壞軸端密封圈，造成軸端漏水；而要處理漏水只有全站停機(jī)停水，放空壓力鋼管內(nèi)的積水后方能進(jìn)行。造成這種現(xiàn)象的主要原因是閥體組合縫正處在軸端的中央，閥體沿活門軸孔中心線分半，造成軸孔兩側(cè)螺栓孔跨距大、把合力不足引起的。這種設(shè)備固有的結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致的合縫面漏水給檢修帶來了極大的麻煩，給電站的安全運(yùn)行帶來了隱患，給電站的經(jīng)濟(jì)效益帶來了巨大的損失。
2.2 移動(dòng)密封環(huán)行程指示桿漏油
球形閥在運(yùn)行過程中會(huì)經(jīng)常動(dòng)作移動(dòng)密封環(huán)，特別是工作密封移動(dòng)環(huán)，在每次球形閥開關(guān)過程中都會(huì)動(dòng)作一次，從而帶動(dòng)安裝在移動(dòng)密封環(huán)上的行程指示桿就會(huì)動(dòng)作一次。雖然行程指示桿使用了兩道O型橡膠密封，但由于是動(dòng)密封，球形閥經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，行程指示桿密封就會(huì)因性能下降而漏油，進(jìn)而造成壓油裝置油料損失，給電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來影響。
2.3 密封環(huán)漏水大
由于電站水頭高且所處河段屬山區(qū)河流，河水中泥沙含量大，球形閥在運(yùn)行過程中密封環(huán)止水面常會(huì)因關(guān)閉不嚴(yán)而漏水，引起密封環(huán)汽蝕磨損，從而加速密封環(huán)的損壞，造成密封環(huán)漏水過大，進(jìn)而影響機(jī)組大修和正常的安全運(yùn)行。
鑒于以上種種原因，結(jié)合“5.12”震后恢復(fù)生產(chǎn)，我廠決定對(duì)耿達(dá)水電站球形閥進(jìn)行改造，重點(diǎn)對(duì)球形閥的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，使其滿足電站安全生產(chǎn)的需要。
三、新型水電站球閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)新球形閥的工作原理
主要用于截?cái)嗷蚪油ü苈分械慕橘|(zhì)，亦可用于流體的調(diào)節(jié)與控制，其中硬密封V型球閥其V型球芯與堆焊硬質(zhì)合金的金屬閥座之間具有很強(qiáng)的剪切力，特別適用于含纖維、微小固體顆料等介質(zhì)。而多通球閥在管道上不僅可靈活控制介質(zhì)的合流、分流、及流向的切換，同時(shí)也可關(guān)閉任一通道而使另外兩個(gè)通道相連。當(dāng)球形閥要開啟時(shí)，首先解除檢修密封處的鎖錠，然后在檢修密封的開啟腔通入壓力油，使檢修密封處于開啟狀態(tài)，且上游檢修密封的行程開關(guān)的信號(hào)顯示開啟，在此狀況下，先后打開旁通管手動(dòng)閥和液壓閥，向蝸殼內(nèi)充水，一定延時(shí)后，在下游工作密封的開啟腔通入壓力油，使工作密封處于開啟狀態(tài)，且下游工作密封的行程開關(guān)的信號(hào)顯示開啟，當(dāng)活門前后壓力趨于平衡，控制球形閥的壓力傳感器和壓力開關(guān)的顯示達(dá)到設(shè)定值時(shí)，接力器轉(zhuǎn)動(dòng)活門由全關(guān)旋轉(zhuǎn)到全開，接著關(guān)閉旁通管液壓閥，球形閥開啟過程結(jié)束。
當(dāng)球形閥要關(guān)閉時(shí)，首先打開旁通管液壓閥，接力器轉(zhuǎn)動(dòng)活門由全開旋轉(zhuǎn)到全關(guān)，然后在下游工作密封的關(guān)閉腔通入壓力油，使工作密封處于關(guān)閉狀態(tài)，且下游工作密封的行程開關(guān)的信號(hào)顯示關(guān)閉，后關(guān)閉旁通管液壓閥，水流被全部截?cái)啵蛐伍y關(guān)閉過程結(jié)束。
一般情況下，上游檢修密封始終處于開啟位置，只有當(dāng)機(jī)組檢修或球形閥更換工作密封時(shí)才關(guān)閉球形閥檢修密封并投入檢修密封的機(jī)械鎖錠。正常停機(jī)或機(jī)組發(fā)生事故時(shí)，在關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的同時(shí)，還需關(guān)閉球形閥工作密封。值得一提的是球形閥工作密封是要經(jīng)常被操作、動(dòng)作的，而檢修密封是很少動(dòng)作的。另外，在引水鋼管充滿水的情況下，球形閥活門或處于關(guān)閉，或處于開啟，不允許停留在其它位置做調(diào)節(jié)流量用。
四新型水電站球閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)、新球形閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
本系列閥門設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理、強(qiáng)度高，在高流速下無任何震動(dòng)。能按程序開啟，在開啟時(shí)流道*暢通，在運(yùn)行時(shí)水損小，斷電（或通電）時(shí)自動(dòng)按預(yù)先設(shè)定的時(shí)間和角度，分快關(guān)、慢關(guān)兩階段關(guān)閉，適用于水、海水、油品、噴煤粉、焦?fàn)t煤氣、含塵氣體等介質(zhì)，可在泵的出口或管路中起止回和截止功能用。它具有以下特點(diǎn)：
1． 可取代水泵出口截止閥和止回閥，并集機(jī)、電、液于一體，占地面積小；
2． 閥門開啟或關(guān)閉過程中，閥座和球冠沒有相互摩擦，閥門使用壽命長(zhǎng)；
3． 閥門開啟關(guān)閉不受淤泥和雜物影響，適用與泥漿水工況；
4． 采用金屬和非金屬兩道密封，自密封性好，水壓越大，密封比壓也越大；
5． 自動(dòng)化程度高，可就地、遠(yuǎn)程及聯(lián)動(dòng)控制；
6． 電氣系統(tǒng)可采用PLC智能控制系統(tǒng)，也可以采用普通型繼電器式系統(tǒng)；
7． 液壓系統(tǒng)電機(jī)功率小，工作效率高，保壓性能好，油泵啟動(dòng)間隔時(shí)間長(zhǎng)；
8． 有明顯的開度指示和機(jī)械限位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，行程開關(guān)裝置防水防塵設(shè)計(jì)，不外露，性能穩(wěn)定，使用壽命長(zhǎng)；
9． 電氣操作界面人性化、多樣化，可設(shè)計(jì)普通按鈕式、文本式、觸摸屏式，也可根據(jù)客戶的需要，設(shè)計(jì)的人機(jī)操作界面。
新型水電站球閥結(jié)構(gòu)改進(jìn)
（1）球形閥本體由分半的前閥體、后閥體、活門、自潤(rùn)滑軸承及檢修密封、工作密封等零部件組成，附屬設(shè)備有旁通閥、空氣閥、部分管路和部分自動(dòng)化元件等。
（2）新球形閥為橫軸型，活門中間流道直徑與上、下游引水管直徑相同，具有全開時(shí)阻力損失小（可忽略不計(jì)）、全關(guān)時(shí)密封性能好的優(yōu)點(diǎn)，是一種新型的雙密封環(huán)球形閥，能在機(jī)組事故且導(dǎo)水機(jī)構(gòu)不能關(guān)閉時(shí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)水關(guān)閉球形閥。
（3）閥體采用偏離軸孔斜分半整鑄結(jié)構(gòu)，分半面與水流方向成51°夾角，其優(yōu)點(diǎn)是閥體分半面為整圓，便于密封，同時(shí)使分半面螺栓分布均勻，受力好，避免了沿閥體軸孔中心線垂直分半所造成軸孔兩側(cè)螺栓跨距大，把合力不足，合縫錯(cuò)牙漏水現(xiàn)象。閥體兩側(cè)各有一個(gè)水平軸承座用于支撐閥軸和活門。閥體帶有連接上游側(cè)壓力鋼管和下游側(cè)可拆卸伸縮節(jié)的法蘭，閥體、軸承座、上游側(cè)法蘭能承受在球形閥截?cái)嗨鲿r(shí)水流作用在活門和閥體上的大水推力。閥體兩側(cè)均設(shè)有整體的支撐底座，按傳遞球形閥全部垂直荷載設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)允許球形閥沿壓力鋼管軸線方向相對(duì)于基礎(chǔ)板有微小位移，因此基礎(chǔ)板與球形閥支撐底座接觸面需加工光滑，且該位移不會(huì)損壞或擦傷地腳螺栓、螺母。閥體頂部設(shè)置一個(gè)排氣孔，用于充水時(shí)排除閥體頂部的空氣，底部設(shè)置排污閥，用于檢修時(shí)排掉積水和沉積的泥沙。
（4）活門采用鑄鋼整體制造，具有很好的剛強(qiáng)度。活門兩軸身覆蓋有不銹鋼襯套，以增加活門軸抗磨蝕能力，進(jìn)而保護(hù)軸承及其密封。
（5）主密封為雙面金屬密封，分為上游側(cè)檢修密封與下游側(cè)工作密封，均為可拆卸式結(jié)構(gòu)。主密封包括高強(qiáng)度不銹鋼移動(dòng)密封環(huán)和不銹鋼固定密封座，移動(dòng)密封環(huán)位于閥體與過渡法蘭間的密封腔內(nèi)，可根據(jù)需要控制其前后移動(dòng)；固定密封環(huán)用不銹鋼螺栓把合在活門上，當(dāng)活門到達(dá)全關(guān)位置后，移動(dòng)密封環(huán)滑動(dòng)并壓緊固定密封座，起到密封作用；在活門開啟前移動(dòng)密封環(huán)離開固定密封座，解除密封。閥體和過渡法蘭上的密封環(huán)導(dǎo)向面采用不銹鋼護(hù)襯。移動(dòng)密封環(huán)上的密封采用進(jìn)口的D型密封圈，密封圈密封面中含有潤(rùn)滑材料，在保證密封的同時(shí)使密封圈有較長(zhǎng)的壽命。移動(dòng)密封環(huán)均由取自操作系統(tǒng)的壓力油進(jìn)行操作，下游工作密封由球形閥控制系統(tǒng)自動(dòng)控制操作上游檢修密封采用手動(dòng)控制操作，并設(shè)有手動(dòng)鎖錠桿，可以在工作密封檢修時(shí)將檢修密封鎖錠在全關(guān)位置。工作密封和檢修密封均設(shè)有移動(dòng)密封環(huán)位置指示信號(hào)裝置，其信號(hào)通過電纜線接至球形閥的控制系統(tǒng)。
（6）密封環(huán)位置信號(hào)裝置電信號(hào)器采用進(jìn)口產(chǎn)品接近開關(guān)傳感器。為了保證密封環(huán)動(dòng)作的可靠性，在密封環(huán)圓周上均布了四個(gè)電信號(hào)器，只有當(dāng)密封環(huán)在退出位置時(shí)四個(gè)點(diǎn)全部接通才發(fā)出電氣信號(hào)給控制系統(tǒng)。在信號(hào)未發(fā)出之前，活門禁止轉(zhuǎn)動(dòng)。
（7）球形閥軸承采用德國(guó)進(jìn)口的DEVA－BM自潤(rùn)滑軸承，具有良好的承載性能。軸承瓦鑲嵌在軸承鋼套里，可隨鋼套一起在閥體不解體條件下從閥體內(nèi)拆出來。鋼套外側(cè)與閥體接觸部位設(shè)有兩道O型靜密封，鋼套內(nèi)側(cè)與閥軸接觸部位屬于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)密封，設(shè)兩道密封，一道接近閥體內(nèi)圓，采用整圈O型橡膠密封圈，起封沙作用，盡可能防止泥沙進(jìn)入軸瓦，密封槽設(shè)有旁通孔；另一道在閥體外側(cè)，采用進(jìn)口格萊圈。 
在耿達(dá)水電站新球形閥應(yīng)用中，通過采用偏離軸孔斜分半整鑄結(jié)構(gòu)，提高了合縫密封的可靠性，避免了舊閥體沿軸孔中心線垂直分半所造成的軸孔兩側(cè)螺栓跨距大、把合力不足的缺陷。同時(shí)，在球形閥軸承的運(yùn)用中，采用德國(guó)進(jìn)口的DE-VA－BM自潤(rùn)滑軸承，改善了軸承的承載性能，進(jìn)一步提高了活門軸端密封的可靠性，解決了舊球形閥活門軸端的漏水現(xiàn)象。通過改變移動(dòng)密封環(huán)位置狀態(tài)的顯示方式，變動(dòng)密封為靜密封，有效解決了舊球形閥移動(dòng)密封環(huán)行程指示桿漏油現(xiàn)象。同時(shí)，通過在移動(dòng)密封環(huán)上采用雙套密封圈設(shè)置，并在密封圈之間加開溢流口，有效避免了油混水現(xiàn)象的發(fā)生；通過采用高強(qiáng)度不銹鋼主密封，提高了密封環(huán)的抗汽蝕磨損性能，延長(zhǎng)了密封環(huán)的使用周期。應(yīng)該說，新球形閥在耿達(dá)水電站的應(yīng)用是成功的，解決了舊球形閥近30年來存在的諸多問題，提高了電站的經(jīng)濟(jì)效益，促進(jìn)了電站安全生產(chǎn)長(zhǎng)治久安。
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