水電站水輪機(jī)進(jìn)水閥式進(jìn)流閥的研制

水電站水輪機(jī)進(jìn)水閥式進(jìn)流閥的研制

1機(jī)進(jìn)蝸殼連接系統(tǒng)該收割機(jī)是該收割機(jī)的重要部件之一。為了保證水輪機(jī)安全和可靠的運(yùn)行,水輪機(jī)的入水口處均裝設(shè)有進(jìn)水球閥,上游與壓力鋼管連接,下游與水輪機(jī)進(jìn)水蝸殼連接。一方面在水輪機(jī)及發(fā)電機(jī)組檢修時(shí)通過該閥切斷壓力鋼管內(nèi)的水流,保證檢修的安全,另一方面在水輪機(jī)及發(fā)電機(jī)出現(xiàn)異常時(shí)可有效切斷水流,防止事故的發(fā)生。由于水輪機(jī)運(yùn)行的特殊要求,通用球閥在水電站的運(yùn)行中不能滿足工況系統(tǒng)的使用要求,導(dǎo)致機(jī)組無法運(yùn)行的現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。為了確保水輪機(jī)組能平穩(wěn)、可靠和安全的運(yùn)行,在消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上,采用全新的設(shè)計(jì)理念,研制開發(fā)出新型水輪機(jī)進(jìn)水球閥。2主閥與接力器連接部分水輪機(jī)進(jìn)水球閥主要由主閥部分、驅(qū)動(dòng)部分、旁通管路、上游湊合節(jié)、下游伸縮節(jié)、鎖定部分、支撐部分及配套部分等組成(圖1)。(1)主閥部分(標(biāo)配)包括閥體、球體、閥桿及閥座(活塞止水環(huán))等,該部分是整個(gè)閥門的核心,其作用是接通或切斷水流。(2)驅(qū)動(dòng)部分(標(biāo)配)對于電動(dòng)操作的水輪機(jī)進(jìn)水球閥,其驅(qū)動(dòng)部分為電動(dòng)裝置。對于液動(dòng)操作水輪機(jī)進(jìn)水球閥,其驅(qū)動(dòng)部分為液壓接力器與拐臂(對于搖擺缸)等,該部分的作用是驅(qū)動(dòng)主閥進(jìn)行啟閉動(dòng)作。(3)旁通管路(推薦采用)包括旁通閥、檢修閥(僅用于旁通閥)、鋼管和彎頭等,該部分的作用是在閥門啟閉前平衡上下游壓差,避免在全壓差下啟閉閥門出現(xiàn)水錘現(xiàn)象以及有效地降低閥門的操作轉(zhuǎn)矩。(4)上游湊合節(jié)(對液動(dòng)止水環(huán)式水輪機(jī)進(jìn)水球閥為標(biāo)配,對其余兩類為選配)用于閥門與上游端壓力鋼管進(jìn)行連接,連接方式通常為焊接,并且會預(yù)留50～100mm的焊接配割余量。(5)下游伸縮節(jié)(對液動(dòng)止水環(huán)式水輪機(jī)進(jìn)水球閥為標(biāo)配,對其余兩類為選配)包括插管與活動(dòng)法蘭兩部分,用于閥門與下游水輪機(jī)進(jìn)水蝸殼連接,連接方式為法蘭連接。通過伸縮節(jié)的方式,一方面可方便對閥門進(jìn)行檢修維護(hù),另一方面可適應(yīng)由于溫度、壓力的變化造成的管道軸向膨脹或收縮。(6)鎖定部分(選配)主要包括上游檢修密封鎖定及接力器鎖定。主要用于防止由于誤操作帶來的閥門誤動(dòng)作,保證系統(tǒng)的安全性及可靠性。(7)支撐部分包括主閥與接力器底座。底座通過地腳螺栓安裝于混凝土支墩上,用于支撐閥門的重量及為搖擺式接力器提供固定轉(zhuǎn)軸。(8)配套部分該部分用于控制閥門的驅(qū)動(dòng)部分,為驅(qū)動(dòng)裝置提供動(dòng)力源,并使閥門按照預(yù)先設(shè)定的程序進(jìn)行動(dòng)作。3結(jié)構(gòu)特征3.1控制部分帶密封的工作密封液動(dòng)止水環(huán)式水輪機(jī)進(jìn)水球閥采用不銹鋼活塞式止水環(huán)密封止水,通過油壓或水壓控制止水環(huán)的投入與退出(圖2)。每臺閥門設(shè)兩個(gè)止水環(huán),上游側(cè)為檢修密封,下游側(cè)為工作密封。檢修密封設(shè)手動(dòng)鎖緊裝置,正常工作時(shí)檢修密封處于常開狀態(tài),只在機(jī)組檢修時(shí)投入,為保證下游檢修的安全性,應(yīng)手動(dòng)將鎖定投入。工作密封在閥門關(guān)閉時(shí)投入,在球體動(dòng)作前退出。為保證閥門能在緊急情況下迅速關(guān)閉,在閥門達(dá)到全開后,工作密封仍然處于退出狀態(tài)。通過變換進(jìn)油(或水)的方向控制止水環(huán)的動(dòng)作方向,以滿足操作的需要。止水環(huán)與閥體及端蓋之間的密封采用雙重O形圈,并且可通過設(shè)置PTFE擋圈的方式減小O形圈的磨損。止水環(huán)的材料通常為1Cr13。3.2液動(dòng)止水環(huán)式水輪機(jī)控制閥因止水環(huán)式水輪機(jī)進(jìn)水球閥通常用于水質(zhì)較差、水頭較高的電站,所以惡劣的工況對閥門的損耗是非常嚴(yán)重的,特別是對密封面的磨損非常厲害。為了提高閥門的可維護(hù)性,液動(dòng)止水環(huán)式水輪機(jī)進(jìn)水球閥將閥門的密封環(huán)設(shè)計(jì)為可拆卸可更換結(jié)構(gòu),在閥門長期使用活門密封環(huán)發(fā)生嚴(yán)重磨損后,可僅對密封環(huán)進(jìn)行更換而不需要更換活門或另購閥門,提高閥門主體的使用壽命,降低資金投入?；铋T主要由活門體、密封環(huán)、O形圈、螺釘及定位銷等(圖3)組成。密封環(huán)通過一組螺釘固定在活門體相應(yīng)部位。密封環(huán)與活門體之間的密封靠O形圈來保證。定位銷的作用在于密封環(huán)與活門體的準(zhǔn)確定位,以免密封環(huán)更換以后與活門體發(fā)生裝配錯(cuò)位。密封環(huán)的材料通常為2Cr13。3.3類球形結(jié)構(gòu)液動(dòng)止水環(huán)式水輪機(jī)進(jìn)水球閥經(jīng)過多年的實(shí)踐,摒棄了之前常用的完整球形活門結(jié)構(gòu),而采用了類球狀結(jié)構(gòu),大大減輕了活門的自重(圖4)。一方面可以節(jié)省投資,另一方面亦可緩解活門自重對閥殼帶來的受力影響。為保證活門具有足夠的強(qiáng)度與剛度,液動(dòng)止水環(huán)式水輪機(jī)進(jìn)水球閥在活門的相應(yīng)部位設(shè)置加強(qiáng)筋,保證了閥門的整體可靠性?；铋T材料通常為WCB鑄鋼。3.4閥門止水環(huán)維修液動(dòng)止水環(huán)式水輪機(jī)進(jìn)水球閥獨(dú)特的結(jié)構(gòu)可保證在不將閥門拆開或不從管道上拆下的情況下,對閥門止水環(huán)進(jìn)行維修及更換。止水環(huán)尾部設(shè)有拔出螺孔,當(dāng)止水環(huán)損壞時(shí),可依次拆下伸縮節(jié)(或湊合節(jié))和端蓋,再用專用工具將止水環(huán)取出(圖5)。止水環(huán)修復(fù)或更換后,亦可按照上述相反的順序進(jìn)行裝配。整個(gè)過程不需要對閥門進(jìn)行解體,極大的方便了閥門的維修維護(hù)。3.5止水環(huán)動(dòng)作判斷裝置為了滿足復(fù)雜的順序控制需要,液動(dòng)止水環(huán)式水輪機(jī)進(jìn)水球閥需要提供各種信號,止水環(huán)投入與拔出的信號就是其中之一。它是判斷活門是否可以進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)的必備條件,因此該信號的準(zhǔn)確性將直接影響到整個(gè)閥門動(dòng)作的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)行程指示桿通過螺紋與止水環(huán)連在一起,可將止水環(huán)的活塞動(dòng)作狀態(tài)完全反映到指示桿上(圖6)。但此種結(jié)構(gòu)也存在缺點(diǎn)。①裝配時(shí)必須保證止水環(huán)、端蓋與伸縮節(jié)(湊合節(jié))之間有精確的定位,否則無法安裝指示桿。②止水環(huán)沒有軸向定位裝置,在使用過程中可能存在沿圓周方向轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢,很容易將指示桿卡住,這樣一來會影響止水環(huán)動(dòng)作的可靠性,嚴(yán)重時(shí)還會將指示桿剪斷。改型的行程指示桿采用了非固定式的結(jié)構(gòu)(圖7),當(dāng)止水環(huán)退出時(shí),可直接將指示桿推動(dòng),當(dāng)止水環(huán)投入時(shí),通過彈簧張力使指示桿隨之運(yùn)動(dòng)。該結(jié)構(gòu)可很好的避免傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)所帶來的弊端。3.6管道中央管口結(jié)構(gòu)水輪機(jī)進(jìn)水球閥伸縮節(jié)由伸縮節(jié)插管和活動(dòng)法蘭兩部分組成(圖8),密封采用雙重(或三重)橡膠O形圈,為減小活動(dòng)法蘭自重對O形圈的磨損擠壓,在O形圈后設(shè)置PEFE擋圈,可有效延長O形圈使用壽命及提高密封的可靠性。該結(jié)構(gòu)在兩個(gè)方向均設(shè)置一定的伸縮量。當(dāng)閥門正常工作時(shí),該結(jié)構(gòu)可以自動(dòng)適應(yīng)由于壓力及溫度變化帶來的管道軸向膨脹或收縮。當(dāng)對閥門進(jìn)行檢修維護(hù)時(shí)(如更換止水環(huán)、活門密封圈等),拆下伸縮節(jié)與進(jìn)水蝸殼法蘭及閥門部分的連接螺栓,將活動(dòng)法蘭向上游(閥門方向)推動(dòng),同時(shí)將插管向下游(進(jìn)水蝸殼方向)推動(dòng),縮短伸縮節(jié)長度,以保證足夠的空間,滿足閥門拆裝要求。當(dāng)伸縮節(jié)的密封圈損壞需要更換時(shí),拆下伸縮節(jié)與進(jìn)水蝸殼法蘭的連接螺栓,插管不動(dòng),將活動(dòng)法蘭向上游(閥門方向)推動(dòng),直至完全露出O形圈槽,此時(shí)可以對O形圈進(jìn)行更換。3.7控制柜及閥前和閥后控制水輪機(jī)進(jìn)水球閥可配套提供電動(dòng)或液動(dòng)PLC控制柜,對于液動(dòng)水電球閥,還可配套提供油壓裝置。控制柜應(yīng)設(shè)有指示主閥開啟與關(guān)閉的信號裝置、指示旁通閥開啟與關(guān)閉的信號裝置、指示接力器鎖定投入與拔出的信號裝置、指示工作與檢修密封的信號裝置、油壓表及閥前和閥后水壓表。這些傳感器提供信號,并與控制柜和中央控制室連接,實(shí)現(xiàn)閥門的就地操作或中央控制,滿足微機(jī)監(jiān)控的要求。3.8噴針不關(guān)閉、旁通不符壓水輪機(jī)進(jìn)水球閥根據(jù)電站的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì),所有數(shù)據(jù)均經(jīng)過嚴(yán)格的計(jì)算及校核,最大限度保障了運(yùn)行的安全性,滿足在噴針不關(guān)閉、旁通不平壓下的緊急關(guān)斷要求。3.9人體結(jié)構(gòu)可選擇對于DN≥900的水輪機(jī)進(jìn)水球閥,根據(jù)需要,可以設(shè)計(jì)人孔結(jié)構(gòu),以方便地對閥門及相關(guān)設(shè)備進(jìn)行檢修。3.10初始密封預(yù)緊力水輪機(jī)進(jìn)水球閥采用彈簧預(yù)緊具有活塞效應(yīng)的浮動(dòng)閥座組件,采用上游密封的設(shè)計(jì)機(jī)理,能在管道無壓力或低壓力時(shí),由初始密封預(yù)緊力保證閥門的密封效果。在管道正常壓力時(shí),由介質(zhì)壓力推動(dòng)具有浮動(dòng)效應(yīng)(沿流道方向的來回運(yùn)動(dòng))的上游閥座緊貼球體達(dá)到密封(圖9)。閥座的兩個(gè)方向都能密封,因而閥門安裝沒有方向的限制。3.11閥門對中腔的排放閥門在全開及全關(guān)時(shí),閥門中腔與流道均被上下游閥座截?cái)?雙截?cái)?。閥門在全開或全關(guān)時(shí),均可對中腔進(jìn)行排放(雙排放)。水輪機(jī)進(jìn)水球閥具有DBB功能,可定期排放中腔的介質(zhì)和積滯物,可減少污物對閥門密封面的損傷,有效延長閥門使用壽命(圖10)。3.12中腔自動(dòng)壓積水輪機(jī)進(jìn)水球閥使用彈簧預(yù)緊閥座,當(dāng)中腔停滯的介質(zhì)出現(xiàn)異常升壓時(shí),能壓縮彈簧而自動(dòng)泄壓(圖11)。3.13自動(dòng)泄壓閥座的應(yīng)用水輪機(jī)進(jìn)水球閥全部采用彈簧預(yù)緊閥座結(jié)構(gòu)。在閥座支承圈后設(shè)置預(yù)緊彈簧(圖12),其主要作用首先是為進(jìn)水球閥提供必要的初始密封預(yù)緊力,其次還可實(shí)現(xiàn)閥座的自動(dòng)泄壓。另外在閥門長期頻繁使用后,軟閥座會出現(xiàn)少量的磨損,通過彈簧的張力可以部分補(bǔ)償這種磨損,從而延長了閥門的使用壽命。預(yù)緊彈簧可以同時(shí)保證提供必要的初始密封預(yù)緊力及達(dá)到輕便的操作轉(zhuǎn)矩。通常情況下,預(yù)緊彈簧采用螺旋壓縮彈簧。3.14密封主體結(jié)構(gòu)改造閥軸密封屬于運(yùn)動(dòng)密封,閥軸頭處設(shè)有鋼套。鋼套外側(cè)設(shè)兩道O形圈,內(nèi)側(cè)設(shè)兩道密封,一道接近閥體內(nèi)圓,采用O形圈密封,另一道在閥體外側(cè),采用U形圈密封,這種結(jié)構(gòu)既可保證鋼套拆卸方便,又可保證活門轉(zhuǎn)動(dòng)靈活,在不拆閥體的情況下更換和檢修密封件。3.15不銹鋼抗磨蝕閥軸采用鍛鋼制造,在與軸承及軸頭密封相接觸的表面堆焊不銹鋼層,以增加抗磨蝕能力。閥軸與活門用螺栓擰合成一體。軸承采用德國DEVA-BM軸承,具有良好的承載性能。3.16閥門自動(dòng)對閥門的關(guān)閉空氣閥直徑為DN200,安裝在水輪機(jī)進(jìn)水球閥伸縮管的頂部。當(dāng)蝸殼放水時(shí),閥門自動(dòng)打開。當(dāng)蝸殼充水時(shí),其內(nèi)部的空氣通過空氣閥排入大氣中。當(dāng)水輪機(jī)進(jìn)水球閥動(dòng)水關(guān)閉時(shí),空氣閥向蝸殼及伸縮管補(bǔ)入空氣,以免產(chǎn)生真空而喪失穩(wěn)定性。4水輪機(jī)進(jìn)出從壓力控制開放系統(tǒng)運(yùn)行過程中,水輪機(jī)進(jìn)水球閥開啟時(shí),首先解除檢修密封處的3套周圈均布的沿水流方向鎖定檢修密封的鎖定裝置,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)。在上游檢修密封的行程開關(guān)信號顯示開啟后,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。水流通過上游檢修密封處的周圈間隙與下游工作密封的周圈間隙向蝸殼內(nèi)充水,當(dāng)活門前后壓力趨于平衡,控制水輪機(jī)進(jìn)水球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,水輪機(jī)進(jìn)水球閥開啟過程結(jié)束。水輪機(jī)進(jìn)水球閥關(guān)閉時(shí),首先接力器轉(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)的信號顯示關(guān)閉,水流被全部截?cái)?水輪機(jī)進(jìn)水球閥關(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(jī)組檢修或水輪機(jī)進(jìn)水球閥更換密封時(shí),關(guān)閉水輪機(jī)進(jìn)水球閥檢修密封,并投入檢修密封的機(jī)械鎖定。長時(shí)間停機(jī)或機(jī)組發(fā)生事故而導(dǎo)水機(jī)構(gòu)不能關(guān)閉時(shí),關(guān)閉水輪機(jī)進(jìn)水球閥工作密封。水輪機(jī)進(jìn)水球閥工作密封是要經(jīng)常被操作或動(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,水輪機(jī)進(jìn)水球閥的活門處于關(guān)閉或開啟的位置,不可以用于調(diào)節(jié)流量。5投換電磁閥2wdp水輪機(jī)進(jìn)水球閥控制信號裝置由指示主閥開啟與關(guān)閉的信號裝置(1QPD、2QPD)、指示旁通閥開啟與關(guān)閉的信號裝置(6QPD)、指示接力器鎖定投入與拔出的信號裝置(3QPD)、指示工作與檢修密封的信號裝置(4QPD、5QPD)、油壓表及閥前和閥后水壓表等組成,傳感器提供信號并與控制柜和中央控制室連接,實(shí)現(xiàn)閥門的就地操作或中央控制,滿足系統(tǒng)的要求。當(dāng)進(jìn)行檢修或更換下游工作密封時(shí),將水輪機(jī)進(jìn)水球閥關(guān)閉,通過電磁閥3WDP投入檢修密封,行程開關(guān)5QPD發(fā)出信號,使上游檢修密封關(guān)指示燈亮。為保證檢修工作安全,應(yīng)手動(dòng)將檢修密封鎖緊,并將選擇開關(guān)設(shè)為檢修密封投入。正常工作時(shí),應(yīng)松開檢修密封鎖定,通過電磁閥3WDP退開檢修密封,行程開關(guān)5QPD發(fā)出信號,使上游檢修密封開指示燈亮,并將選擇開關(guān)設(shè)為檢修密封退出。開啟主閥時(shí),按下開按鈕,首先啟動(dòng)電磁閥2WDP,拔出接力器關(guān)鎖定。通過行程開關(guān)3QPD將接力器關(guān)鎖定拔出的信號返回控制柜,電磁閥5WDP動(dòng)作,接通旁通閥的液壓源。旁通閥達(dá)到全開位置時(shí),行程開關(guān)6QPD將旁通閥已開啟的信號返回。當(dāng)主閥上下游的壓力接近相等時(shí),壓力繼電器(由控制柜提供)發(fā)出平壓信號,使電磁閥4WDP動(dòng)作,退開工作密封。行程開關(guān)4QPD將工作密封退出信號返回控制柜,隨即啟動(dòng)電磁閥1WDP,接通接力器液壓源,轉(zhuǎn)動(dòng)球體。球體轉(zhuǎn)到位后,行程開關(guān)1QPD將閥門已達(dá)到全開位置的信號返回控制柜。再次接通旁通閥的液壓源,關(guān)閉旁通球閥,相應(yīng)的行程開關(guān)6QPD將信號返回控制柜。再次啟動(dòng)電磁閥2WDP投入接力器開鎖定,球閥開啟指示燈亮。球閥開啟完成后,1WDP及JHF25在中間位置,封閉壓力油管,使接力器泄壓。接力器鎖定動(dòng)作必須準(zhǔn)確可靠,鎖定未拔出,接力器不能操作。關(guān)閉主閥時(shí),按下關(guān)按鈕,拔出接力器開鎖定,開啟旁通閥,接通接力器液壓源,關(guān)閉球體。球體關(guān)到位后,旁通閥關(guān)閉,相應(yīng)地將信號返回控制室。投入接力器關(guān)鎖定,球閥關(guān)閉指示燈亮。接力器泄壓。6閥前短管與進(jìn)水管道焊接水輪機(jī)進(jìn)水球閥應(yīng)臥式安裝于水平管