对小湾电站设置筒阀的看法

1、对小湾电站设置筒阀的看法事故闸门、检修门快速闸门、检修门事故闸门、检修门无防飞逸 装置1986年原水利电力部批准的部颁标准水力发电厂机电设计技 术规范（试行）SDJ173-85 （适用于机组容量10300MW）中规定: 用水时，每台水轮机前应装设进水阀。中水头单元压力输水管，在水轮机前不宜装设进水阀，但应在压 力输水管进口装设快速闸门。该条文的编制说明为 输水管道进水口设快速闸门或事故闸门， 是防止有关设备（如机组飞逸事故关机时，部分导叶剪断销破断或压 力钢管破裂等）事故扩大的有效保护措施。水电厂设计运行经验表明， 这样做一般是经济合理的。中、高水头水电厂输水道进水口宜设快速 闸门，低水头水电

2、厂可设事故闸门以节省投资。输水管为明管时，进水口必须设置快速闸门，以防止明管破裂时 事故扩大。快速闸门。检修门虽然条文中只明确中水头单元压力输 水管，但编制说明中是包括了高水头的，小湾电站应该包括在内。1995年颁布的行业标准水利水电工程钢闸门4.1当机组或钢管 要求闸门作事故保护时，坝后式电站的进水口应设置快速闸门和检修 闸门；弓冰式电站，除在压力管道进口处设快速闸门外，宜在长引水 道进口处设置事故闸门。综上规范可认为进水口闸门的设置是为了保护机组和钢管，同时也便于机组和钢管的检修。为防止机组飞逸事故的扩大，若无进水阀， 进水口必须设快速闸门。对于低水头河床式电站，当机组有可靠的防 飞逸装置

3、时，进水口可用事故闸门保护压力水管以节省投资， 对于中、 高水头电站进水口一律设快速闸门， 既保护了机组又保护了钢管，因 此单元压力1典者简介：吴次光（1iW男，浙'工杭州人，教授级高 工，主要从事水电站水力机械设计工作。eserved.http:/www.c nki. net设进水阀快速闸门（明管、浅埋管）检修门、事故闸门（地下埋管）、 检修门进水阀和进水口快速闸门作技术经济比较高水头及引水式电 站中水头及坝后式或混合式电站低水头及河床式电站对小湾电站设 置筒阀的看法吴次光（中国水电咨询昆明公司，云南昆明6551 ）证小湾水轮机设置筒阀不仅技术上可行， 而且经济上合理，可供业主及 有

4、关部门决策。水轮机前是否设置进水阀，在原水利电力部负于10MW）中有明 确规定。责主编经国家计委批准的国家标准小型水力发电根据规范的 要求可列表如表1站设计规范（试行）GBJ71表1单元压力水管进 水口闸门和水轮机前进水阀的设置 （小型水电站）表最大水头或电站 形式水轮机前进水口或压力水管进口阀阀装水水逸进进飞云南水力 发电2（1）1年增刊输水管的水轮机前不宜为保护机组再装进水阀，以 免造成浪费，所以小湾电站初步设计在水轮机前未设进水阀，而在进水口设快速闸门，已建成发电的二滩电站亦同。然而进水口快速闸门和水轮机前进水阀的作用、 性质和操作方式 是不同的。前者称之为水工建筑闸门，它的作用是防止闸

5、门后的压力 钢管和机组设备事故的扩大（对于浅埋式钢管和明露式钢管还包括对 厂房的保护）并便于检修压力钢管和机组设备，它的启闭操作是根据 上述需要确定的，和机组运行状况无关；后者称之为水轮机辅助设备， 它的作用只保护机组、防止机组事故扩大和检修机组，它的启闭除了 保护、检修机组之外，更多的是随机组的启停而开闭，它的操作是机 组操作程序中的一部分，它的作用在低水头和中水头电站可由进水口 快速闸门部分的替代（但快速闸门的操作仍是独立的，不在机组操作 程序中）在较高的中水头和高水头电站中进水阀的作用是进水口快速 闸门难以完全替代的，因此在小型水电站中规定了最大水头大于 150m时，进水口设了快速闸门后

6、，还要在水轮机前装设进水阀，其 实不仅是小型水电站，大型水电站也应如此，由于各种原因导叶的间 隙漏水空蚀现象依然存在，特别是高水头或多泥沙水电站。进水阀和进水口快速闸门的作用是有差别的，表现在：（1）防止机组飞逸事故扩大的效果有差别。当机组甩负荷同时调速系统故障， 机组过速到150%,过速保护动作，进水阀开始关闭，一般 60s关完, 但大概只要20s左右机组就会从150%n升到当时水头下的飞逸转速， 持续20s或更长一些时间（不会超过 40s）转速随即下降。对于水头 大于150m或200m的单兀压力水管，一般管道都较长，存水量大， 而进水口快速闸门的关闭时间为 120s，机组过速150% n,

7、闸门开始 关闭，不到20s就达到当时水头下的飞逸转速，持续60 100s后虽然 闸门己全关，但因管中存水多，飞逸转速持续时间很可能会超过常规 允许值120s,因此在中、高水头电站进水口快速闸门和进水阀在防飞 逸和保护机组的效果上是有差别的。（2）在保护水轮机防止导叶、上下抗磨板及转轮叶片进口边的 蚀磨破坏的作用上有差别。由于进水阀是随机组停机而关闭，因此停 机后导叶前后只有尾水压力，没有压力差，没有蚀磨破坏。如果没有 进快速闸门的，导叶前后承受电站静水头的差压，在导叶的上下端面 和立面间隙中不可避免的存在高速射流和间隙蚀磨损坏，使导叶端 面、立面、轴颈、上下抗磨板甚至转轮叶片进口边的上下端都受

8、到不 同程度的破坏，随着现代制造技术的发展，导叶端面和立面间隙可以 做得很小，密封得很好，但是不能完全消除。在高水头大型水轮机上， 即使新导叶安装时做到完全密合（实际上是做不到的，国标水轮发 电机组安装技术规范GB856488中3.5.1、3.5.2规定了允许值）但 在水压作用下导叶和顶盖的变形相对较大， 变形就带来间隙，如果设 计中考虑了变形的补偿，使新导叶在水压下完全密合，但要不漏水， 全部密合面间的接触压力必须数倍乃至十数倍于水压力才有可能，这就更难做到，所以当蜗壳充水导叶受压之后，所有水轮机都毫无例外 的发出导叶间隙漏水的巨大噪声，高水头机组尤为严重，有时导叶漏 水就能冲动高压油顶起推

9、力头后的机组转动部分。我们可以在水轮机机坑中对比进水阀关闭前后导叶的漏水声， 便能获得进水阀对导叶保 护作用的深刻印象。这种间隙损坏是随水头和含沙量的增加而加剧， 据了解刘家峡电 站机组的大修期就是受导叶和上下抗磨板的损坏情况控制的，虽然漫湾的水头不高，但含有一定泥沙，为避免导叶的快速损坏和引进筒阀 技术在漫湾电站机组上加设了筒阀，现在看来是达到了预期效果的。 其它进水阀如蝶阀、球阀也同样能保护导叶，而进水口快速闸门由于 不随机组停机而关闭，不能保护导叶在停机时不损坏。在中、低水头 和清水电站问题不大，而在高水头和含沙水流中问题就十分严重。（3）停机效果和时间不同。有了进水阀，导叶和上下抗磨板

10、得 到保护，导叶全关后漏水少，加之进水阀的关闭，导叶就没有什么漏 水了，机组能很快降到制动转速制动停机。没有进水阀，单靠导叶关 闭，开始时漏水少，效果尚可，几年后导叶逐渐损坏，漏水逐渐增加， 机组转速降到制动转速的时间越来越长，最后甚至降不到制动转速， 不得不在高速下加闸制动，不仅停机过程长而且使发电机受到粉尘污 染，闸板严重磨损，这种现象在停机次数多的调峰机组上尤为突出。 据了解刘家峡水轮机3 4年导叶漏水就从1.5m3/s增加到7m3/s，转 速难以降到35%n,不得不进行大修；乌江渡也有类似情况（当然水 清些，发展不会那么快）后来加装了电气制动，但电气制动又会带来 其它问题。水阀1般停机

11、尤其是事故备用停机是不关进水口水阀和快速闸 门开启的能力和需要的时吴次光对小湾电站设置筒阀的看法间是不 同的，这直接影响机组启动时间。快速闸门是不随机组正常停机而关 闭的，机组再启动时只要开启导叶就可以了，其启动速度是很快的。 只要快速闸门不关闭，不会对机组启动时间有任何影响。但在事故、 检修或长期停机而关闭了快速闸门后要再开启时，首先要充满闸门后压力水管中的水，开始充水时管中水位上升较快，但随着水位的上升， 导叶漏水量增加，旁通管的充水量要减去导叶漏水量才是钢管的充水 量，大型中高水头电站不仅水管长，要充的水体大，而且导叶漏水量 也因水头高而较大，尤其是导叶受到磨蚀损坏之后使充水很费时间，

12、规范要求水轮机压力输水管充水时间不超过30min实际上有时几个小时也充不上去，而快速闸门又必须静水启门，最大只允许闸门前后 水压差仅为1刘家峡电站为了开启快速闸门，不得不在导叶上塞棉絮 充水。1994年上半年漫湾电站6号机筒阀尚未投入运行，开启快速 闸门前用旁通阀向压力钢管充7水就因导叶漏水，几个小时也充不满 水，增加一根Y300mm水管充水也只能提高管中水位，闸门前后水 位差仍有16m,无法实现闸门开启前要求的水压差。所以快速闸门开 启不仅时间长，而且有时还很困难，根本不能满足在系统中调峰和事 故备用的要求，只能停机不关快速闸门，或将快速闸门改为工作闸门， 动水开启，这不仅大大增加启闭机的容

13、量和造价，而且也不安全。进 水阀由于紧靠水轮机，开阀前旁通管要充水的体积很小，对于吸出高 度为负值的水轮机实际上不需要充水，开阀前蜗壳己充满了下游的 水，旁通阀开启后蜗壳压力立即升高， 升高值取决于旁通流量和导叶 漏水量之比（当导叶漏水量很大时，也会发生阀前后达不到设计要求 的水压差而使蝶阀或球阀无法开启）。根据国标大中型水轮机进水 阀基本技术条件）GB/TI447893的规定，允许在阀门两侧压力差 不大于30%最大静水压时，能正常开启，对于250m静水压的进水阀， 允许在75m水压差下开启，这比快速闸门的开启能力大得多，整个 开启时间也短得多。对于在圆周上水力平衡的筒阀，根本不需要旁通 管充

14、水平压，可以在最大静水压下动水开启，所以筒阀特别适用于在 系统中承担调峰和事故备用的机组。（5）只设进水口快速闸门和加设进水阀后，水轮机在停机时的 漏水量是不同的，前者实际上是导叶的漏水量，根据国标水轮机基 本技术条件GB/T15468- 1995中规定：在额定水头下，新导叶漏 水到，如刘家峡大修后为5. 8%）。后者是进水阀的漏水量，根据国标 大中型水轮机进水阀基本技术条 /14478 93的规定蝶阀和球阀的 漏水量不大于：K为系数，空气围带密封的双平板蝶阀为 0.402实心 密封的双平板蝶阀为0.223,球阀为0.103.以小湾为例，某些电站的 实际情况进行估算：有进水口快速闸门没有进水阀

15、时新投运导叶的漏 水量为机组额定流量的3%约1m3/s.假定10年后出现关闭导叶后转速 降不到制动转速而必须大修的状况（刘家峡水中含泥沙多，但水头较 低，约3 4年后发生类似情况，其漏水量约7m3/s为额定流量的27%） 此时导叶漏水量为8m3/s （为额定流量的2.2%）设每年大修一台机， 6年为一个大修周期，则每个大修周期内的年平均漏水量为3.当有进水阀时，按规范计算新球阀的漏水量约）筒阀规范上没有规定，按漫 湾的实测值约为导叶漏水量的3%，新筒阀为0.03m3 /是进水阀中最 大的，在大修周期内年平均漏水量为 0. /为只设进水口快速闸门时导 叶漏水量的3%.（6）对压力钢管的影响有所不

16、同。只设进水口快速 闸门时，快速闸门在压力水管事故、检修、机组事故、维修及需长期 停机时关闭，其机率比设了进水阔后只在压力水管事故、维修及进水 阀事故、维修时关闭要多得多，充放水次数多对压力水管不利。毫无疑问加设进水阀要增加投资。以小湾为例，若采用蝶阀，直 径约为8.5m，重量达900t以上，而且要承压约3（1）m这样高的水头 采用这么大直径的蝶阀，在国内外尚无先例，不仅价贵，而且技术上 难度很大，钢管直径也要随之增大，厂房要加宽，很不合理。若采用 球阀，直径约6.5m重量达1250t以上，几乎和水轮机重量相同，国 内外也无先例，价格更贵，技术上的难度甚至超过水轮机，厂房要加 得更宽，是不现实

17、的。若采用筒阀，其筒阀外径约9.0m,厚度约0.3m 高度约1.35m,筒体重约88t （国外己有比这更大的筒阀投入运行， 我国小浪底电站的筒阀筒体外径 8.39m厚0.145m,高1.715m,筒体 是不应大于水轮机额定流量的3%,（实际常常达不重约加，加上接力 器及因设筒阀而使顶盖等增加云南水力发电2001年增刊的重量，总重约150t，仅为蝶阀重的17%球阀重的12%设筒阀后水轮机重量将 从1260t增至1410t,价格也将增加12%约600万元（一台机）整个 电站约3600万元，但钢管直径不会增加，厂房尺寸不会增加，又有 漫湾、小浪底、大朝山等电站的经验，据了解漫湾筒阀至今己开关操 作8

18、800多次，平均每个筒阀操作近1 800次，并做过动水关闭试验， 其可靠度是可信的，因此小湾电站采用筒阀不仅技术上是可能的，经济上也是可接受的。从上面的初步分析可知，即使不计厂房和钢管尺寸变化引起投资 的增加值，在大型中、高水头水轮机前加设蝶阀或球阀及其操作系统 的投资，将比进水口的快速闸门和油压启闭机贵几倍， 因此在大型中、高水头水轮机前不宜装设蝶阀或球阀，而应依靠进水口装设的快速闸 门保护机组。然而在大型水轮机上加设筒阀及其操作系统的价格和进 水口快速闸门及其油压启闭机的价格是不相上下的，管理维护也较方便，因此在大型和巨型电站中，为保护机组及运行的可靠灵活，加设 筒阀是必要和合理的。小湾机

19、组在系统中承担调频、调峰和事故备用的重任，电站月平 均出力如所示。小湾电站平水年月平均出力过程线图除 8 9月负荷较高，7、10 月中等，其余八个月负荷率不到一半，为了机组稳定运行的需要，负 荷应尽量集中，避免在50%额定出力以下的负荷运行，因此全年平均 有不少于两台机组（共约18于停机状态，扣除每年一台机大修期二 个月，每年停机漏水时间约 16500h （由于小湾为不完全多年调节水 库，不是每年泄洪，而且泄洪只在满负荷运行的8月份，6台机都在运行，故不扣除泄洪的影响），由于设了筒阀，每台机年平均减少漏 水量3m3 /s,整个电站因此多发电 0.98X108kW h,如按0.17元/kWIi 计，每年可增收1666万元，即使不考虑延