一、新型水電站球閥結(jié)構(gòu)改進概述
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電站。電站設(shè)計水頭283m，水頭302.2m，低水頭255.7m，設(shè)計大引用流量69.3m3/s，電站共裝有4臺單機容量為40MW的高水頭混流式水輪發(fā)電機組，每臺水輪機前端裝有一臺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———四臺機組———尾水———排入漁子溪河。在水輪發(fā)電機組中起著非常重要的作用：當(dāng)機組停機時，關(guān)閉進水閥門用于減小水流損失；當(dāng)機組發(fā)生故障而調(diào)速器失靈時，能在動水下緊急關(guān)閉，迅速切斷水流，避免事故的繼續(xù)擴大。球閥是進水閥的一種。近年來隨著我國大型沖擊式水輪發(fā)電機組的不斷發(fā)展，對制造和控制技術(shù)的要求也日益提高，對進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)改進舊球形閥運行中存在的主要問題
2.1 活門軸端漏水
球形閥經(jīng)過較長時間運行后，活門兩端轉(zhuǎn)軸與軸套間由于摩擦磨損會形成相對的橢圓，U型橡皮密封的性能隨之下降，水即會從軸端處漏出，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停水，放空壓力鋼管內(nèi)的積水后方能進行。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，給電站的安全運行帶來了隱患，給電站的經(jīng)濟效益帶來了巨大的損失。
2.2 移動密封環(huán)行程指示桿漏油
球形閥在運行過程中會經(jīng)常動作移動密封環(huán)，特別是工作密封移動環(huán)，在每次球形閥開關(guān)過程中都會動作一次，從而帶動安裝在移動密封環(huán)上的行程指示桿就會動作一次。雖然行程指示桿使用了兩道O型橡膠密封，但由于是動密封，球形閥經(jīng)較長時間運行后，行程指示桿密封就會因性能下降而漏油，進而造成壓油裝置油料損失，給電站經(jīng)濟運行帶來影響。
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，球形閥在運行過程中密封環(huán)止水面常會因關(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，進而影響機組大修和正常的安全運行。
鑒于以上種種原因，結(jié)合“5.12”震后恢復(fù)生產(chǎn)，我廠決定對耿達(dá)水電站球形閥進行改造，重點對球形閥的結(jié)構(gòu)進行了重新設(shè)計，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)改進新球形閥的工作原理
主要用于截斷或接通管路中的介質(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，同時也可關(guān)閉任一通道而使另外兩個通道相連。當(dāng)球形閥要開啟時，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)的信號顯示開啟，在此狀況下，先后打開旁通管手動閥和液壓閥，向蝸殼內(nèi)充水，一定延時后，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，接力器轉(zhuǎn)動活門由全關(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，首先打開旁通管液壓閥，接力器轉(zhuǎn)動活門由全開旋轉(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)的信號顯示關(guān)閉，后關(guān)閉旁通管液壓閥，水流被全部截斷，球形閥關(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)機組檢修或球形閥更換工作密封時才關(guān)閉球形閥檢修密封并投入檢修密封的機械鎖錠。正常停機或機組發(fā)生事故時，在關(guān)閉導(dǎo)水機構(gòu)的同時，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、動作的，而檢修密封是很少動作的。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、新球形閥的結(jié)構(gòu)特點
本系列閥門設(shè)計結(jié)構(gòu)合理、強度高，在高流速下無任何震動。能按程序開啟，在開啟時流道*暢通，在運行時水損小，斷電（或通電）時自動按預(yù)先設(shè)定的時間和角度，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：
1． 可取代水泵出口截止閥和止回閥，并集機、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；
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． 自動化程度高，可就地、遠(yuǎn)程及聯(lián)動控制；
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)電機功率小，工作效率高，保壓性能好，油泵啟動間隔時間長；
8． 有明顯的開度指示和機械限位調(diào)節(jié)機構(gòu)，行程開關(guān)裝置防水防塵設(shè)計，不外露，性能穩(wěn)定，使用壽命長；
9． 電氣操作界面人性化、多樣化，可設(shè)計普通按鈕式、文本式、觸摸屏式，也可根據(jù)客戶的需要，設(shè)計的人機操作界面。
新型水電站球閥結(jié)構(gòu)改進
（1）球形閥本體由分半的前閥體、后閥體、活門、自潤滑軸承及檢修密封、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，具有全開時阻力損失小（可忽略不計）、全關(guān)時密封性能好的優(yōu)點，是一種新型的雙密封環(huán)球形閥，能在機組事故且導(dǎo)水機構(gòu)不能關(guān)閉時實現(xiàn)動水關(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)點是閥體分半面為整圓，便于密封，同時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，合縫錯牙漏水現(xiàn)象。閥體兩側(cè)各有一個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斷水流時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。設(shè)計允許球形閥沿壓力鋼管軸線方向相對于基礎(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，且該位移不會損壞或擦傷地腳螺栓、螺母。閥體頂部設(shè)置一個排氣孔，用于充水時排除閥體頂部的空氣，底部設(shè)置排污閥，用于檢修時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，進而保護軸承及其密封。
（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)。主密封包括高強度不銹鋼移動密封環(huán)和不銹鋼固定密封座，移動密封環(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；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，移動密封環(huán)滑動并壓緊固定密封座，起到密封作用；在活門開啟前移動密封環(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)向面采用不銹鋼護襯。移動密封環(huán)上的密封采用進口的D型密封圈，密封圈密封面中含有潤滑材料，在保證密封的同時使密封圈有較長的壽命。移動密封環(huán)均由取自操作系統(tǒng)的壓力油進行操作，下游工作密封由球形閥控制系統(tǒng)自動控制操作上游檢修密封采用手動控制操作，并設(shè)有手動鎖錠桿，可以在工作密封檢修時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)有移動密封環(huán)位置指示信號裝置，其信號通過電纜線接至球形閥的控制系統(tǒng)。
（6）密封環(huán)位置信號裝置電信號器采用進口產(chǎn)品接近開關(guān)傳感器。為了保證密封環(huán)動作的可靠性，在密封環(huán)圓周上均布了四個電信號器，只有當(dāng)密封環(huán)在退出位置時四個點全部接通才發(fā)出電氣信號給控制系統(tǒng)。在信號未發(fā)出之前，活門禁止轉(zhuǎn)動。
（7）球形閥軸承采用德國進口的DEVA－BM自潤滑軸承，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)運動密封，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，盡可能防止泥沙進入軸瓦，密封槽設(shè)有旁通孔；另一道在閥體外側(cè)，采用進口格萊圈。 
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，在球形閥軸承的運用中，采用德國進口的DE-VA－BM自潤滑軸承，改善了軸承的承載性能，進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。通過改變移動密封環(huán)位置狀態(tài)的顯示方式，變動密封為靜密封，有效解決了舊球形閥移動密封環(huán)行程指示桿漏油現(xiàn)象。同時，通過在移動密封環(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；通過采用高強度不銹鋼主密封，提高了密封環(huán)的抗汽蝕磨損性能，延長了密封環(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)濟效益，促進了電站安全生產(chǎn)長治久安。
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