小天都水电站Φ1.6m球形阀的结构设计方案

1、小天都水电站 1.6m球形阀的结构设计 内容来源自网络1 引言小天都水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县内，是瓦斯河干流梯级开发的第二级，为低闸高水头引水式电站。上游紧连龙洞梯级电站，下游与冷竹关梯级电站相接。闸首位于柳杨沟口上游约700m处，厂房位于熊家沟口1 引言小天都水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县内， 是瓦斯河干流梯级开发的第二级， 为低 闸高水头引水式电站。上游紧连龙洞梯级电站，下游与冷竹关梯级电站相接。闸首位于柳杨 沟口上游约700m处，厂房位于熊家沟口下游约7O0m处，闸首上行约 9km至州府康定，厂房下行约33km至沪定，经天全、雅安至成都，公路里程约315kmo电站装机容

2、量为 3X 80MW亚洲GE公司提供2台套水轮发电机组，包括2台套1.5m球形阀。东方电机有限公司提供1 台套水轮发电机组及 1 台套 1.6m 球形阀。小天都水电站水轮发电机组及辅助设备是我公司在2003年 9月1 6日与四川华能康定水电有限责任公司签订的产品供需合同。东方电机有限公司提供的球形阀（见图 1）是水轮机进水阀，球形阀作为水轮机的事故保护 和检修阀门，安装在引水管下游端的电站厂房内，水平中心线高程为EL1756.5m,球形阀垂直中心线位于机组中心线的上游侧 7.4m。图 1 球形阀布置图为了降低球形阀总体重量， 使球形阀结构及性能达到国内外先进水平， 我们对一些重要部件 结构进行

3、多方案对比分析， 在满足球形阀安全可靠运行的前提下， 设计出了体积小、 重量轻、 符合该电站水轮机要求的1.6m球形阀。设计是从 2003年9月开始，于2004年3月25日完成图纸设计。其间，于 2003 年11 月 20日至 1 月 22日，在我公司召开了该机组的第 1 次 设计审查及联络会，用户同意了我公司提出的水轮发电机组及球形阀的设计方案，并协调了 有关技术问题， 取得了共识。 于 2004 年 2 月 25 日至 2 月 27 日，在我公司召开了该机组的第 2次设计联络会，协调了有关技术问题，达成了一致意见。小天都电站于2006 年8月投入商业运行，机组及球形阀运行良好，受到用户好评

4、。2 水轮机及球形阀的性能参数（ 1）水轮机的性能参数水轮机型号 HLD381b-LJ-265最大水头 392.9m设计水头 358.0m最小水头 351.5m设计流量 25.13m3/s额定出力 82.1MW额定转速 428.6r/min旋转方向 俯视顺时针（2）球形阀的性能参数球形阀型号 QF4OO.9-WY-160球形阀名义直径 D 1600mm水压试验压力 6.9MPa球形阀额定流量 Q 25.13m3/s球形阀最大工作水头 Hmax 400.9m 球形阀承受的最大升压水头 H' 500m接力器直径De650mm接力器行程 S 1190mm球形阀开启时间 t 60150s （可

5、调） 球形阀动水关闭时间 t 60-150s （可调） 接力器操作油压 p 3.6-4.OMPa 旁通阀直径 d1 无空气阀直径 d2 100mm球形阀的最大漏水量（初装） q 0.01L/min球形阀的油压装置型号 HYZ-4-4球形阀的集油装置 JS-250电站台数 n 1 台3 球形阀的工作原理当球形阀要开启时， 首先解除检修密封处的 3 套周圈均布的沿水流方向锁锭检修密封的锁锭， 然后在检修密封的开启腔通入压力油，使检修密封处于开启状态，上游检修密封的行程开关 的信号显示开启，在此状况下，在下游工作密封的开启腔通入压力油，使工作密封处于开启 状态，且下游工作密封的行程开关的信号显示开启

6、，这样，水流就通过上游检修密封处的周 圈间隙与下游工作密封的周圈间隙向蜗壳内充水；当活门前后压力趋于平衡，控制球形阀的 压力传感器和压力开关的显示达到设定值时，接力器转动活门由全关旋转到全开，球形阀开 启过程结束。当球形阀要关闭时，首先，接力器转动活门由全开旋转到全关，然后，在下游 工作密封的关闭腔通入压力油，使工作密封处于关闭状态，且下游工作密封的行程开关的信 号显示关闭，水流被全部截断，球形阀关闭过程结束。一般情况下，上游检修密封始终处于 开启位置，只有当机组检修或球形阀更换工作密封时，关闭球形阀检修密封，并投入检修密 封的机械锁锭。长时间停机或机组发生事故而导水机构不能关闭时，关闭球形阀

7、工作密封。 值得一提的是球形阀工作密封是要经常被操作、动作的，而检修密封是很少动作的。另外， 在引水钢管充满水的情况下，球形阀活门只能处于全关或全开位置，不允许停留在其他位置 做调节流量用。球形阀的操作：(l )球形阀能在阀室或中控室以一个电器脉冲按规定程序自动地操作。操作时可以手动， 亦可用开、停机继电器。(2) 1台球形阀用1套HYZ-4-4型油压设备，其操作油源的额定压力为3.64MPa。球形阀的开启、关闭是通过油压操作接力器来实现的。因此，当失去厂用电源，在油压设备的主、 备油泵都不供油的情况下，仍能安全地动水关闭球形阀。( 3)油压设备备用油泵投入， 油压急剧下降及储油箱油面不正常时

8、， 都可以发出警报信号。4 球形阀结构设计特点及采用的新结构球形阀本体由分半的前阀体、后阀体、活门、自润滑轴承及检修密封、工作密封、650摇摆式接力器等零部件组成 "附属设备有上游连接管、下游伸缩节、作排气和补气用的100空气阀以及用于球形阀控制的水系统、油系统及自动化元件，球形阀控制系统的油压设备系 统。球形阀装配图见图 2。图 2 球形阀装配图本球形阀为横轴型， 活门中间流道直径与上、 下游引水管直径相同， 具有全开时阻力损失极 小(可忽略不计) ，全关时密封性能好的优点，是一种新型的双密封环球形阀。4.1 球形阀主密封球形阀的检修密封及工作密封采用相同的不锈钢活塞式密封环，使其

9、阀体的进口、 出口加工尺寸完全相同，为制造加工带来了极大的方便。阀体采用偏离轴孔斜分半整铸结构，使阀体 分半面周圈密封加工方便，密封效果好，阀体分半面螺栓分布均匀，受力好，避免了沿阀体 轴孔中心线垂直分半所造成的轴孔两侧螺栓跨距大，把合力不足，合缝面错牙漏水现象。阀 体偏离轴孔斜分半结构是我公司研发的球形阀新结构。 分别在渔子溪 1.6m 球形阀改造项目 上和卡杜里 1m球形阀，高桥 1m球形阀和华光潭 1.75m球形阀、瓦屋山 2.5m球形阀 等上使用。上、下密封环采用改进后的国内较先进的密封环结构，消除了原来的止漏环受力 不好而产生歪斜发卡的现象。前、后阀体密封环滑动处均堆焊有不锈钢层，以

10、防止运转中产 生锈蚀发卡和磨损橡胶密封圈。阀体的二轴孔是通过轴瓦承受旋转部分重量以及作用在活门 上的水压力。4.2 取消旁通阀及球形阀轴心充、排水阀原招标书是要求设旁通阀的，在签技术协议时，我们与用户协商，同意取消旁通阀。GE 亚洲公司的 1.5m 球形阀上设置了旁通阀， 多了 1 套系统， 对球形阀运行有一定影响。 由于球 形阀上、下游密封均采用密封环结构，因此，原来球形阀采用密封盖所用的向球形阀轴心充 水和排水液压阀及检修液压阀而设置的闸阀和管路自然取消。同时，利用球形阀下游密封环 开启间隙向蜗壳充水的流量，超过150mm液压阀充水的流量，所以，向蜗壳充水的液压阀及为检修液压阀而设置的闸阀

11、和管路也同时取消。这样，使球形阀的结构及操作系统更加简 化。4.3 活门及封水环活门采用阀轴与整铸活门焊接为一体的结构， 阀轴与整铸活门焊接为一体的结构也是我公司 研发出的新结构， 在渔子溪 1.6m 球形阀和华光潭 1.75m 球形阀上使用过。 活门上、 下游 处加工有把合封水环的螺孔和止口，以便于封水环套上后把紧、定位，更换封水环也不用拆 卸球形阀阀体。封水环与密封环是通过配研磨来达到紧密接触止漏目的。封水环损坏后，可 在不解体球形阀的情况下更换封水环。同时在球形阀制造中，封水环、密封环可单独加工， 成对研磨，为加工带来方便。活门两轴颈与轴瓦及密封接触面为红套并焊固的不锈钢套，以 防活门轴

12、锈蚀，磨损轴瓦。4.4 密封环位置显示装置密封环为铸造不锈钢， 在球形阀上、 下游导环与阀体之间往复滑动， 且带有专业密封件厂家 制造的组合密封圈。这种组合密封圈密封性能好，使用寿命长。密封环只能处于全开或全关 位置，行程为 8mm在球形阀上、下游密封环上分别设置了位置行程开关，由电路接至中控 室，以显示密封环处在全关或全开位置信号，便于准确地操作接力器开、关球形阀活门。4.5 关键密封采用进口元件球形阀的密封环上的封油、 封水密封圈及轴端封水密封圈采用专业密封件厂家的密封件，以保证密封的可靠性。4.6 取消止漏盖及其附属零件由于采用密封环代替止漏盖， 密封环比止漏盖轻得多， 大大节约了原材料

13、及碟簧等零件， 使 得结构更加简单，更有利于加工。4.7 操作机构（接力器）大大简化接力器的直径为 650mm行程为1190mm接力器的活塞杆通过臂柄与活门轴相连接。接力器的下端盖与支座之间用销轴铰链连接，能自由摆动。球形阀采用油压操作接力器开启、关闭。油压设备的额定油压为3.6-4MPa。上游检修密封的圆周上设有 3 个手动机械锁锭，在检修机组时，除关闭球形阀检修密封外，用手动机械锁 锭锁住，另外，还需关闭操作接力器开启腔管路上的截止阀，以保证机组在检修时的绝对安 全。操作机构（接力器）简化如下： （1）取消金属铰链配油结构，采用金属软管结构，使接力器结构大为简化、可靠。使加工 工作量大为减

14、少。（2）接力器活塞杆密封采用专业密封件厂家的密封件，代替多层“ V'型橡胶密封或石棉盘根密封，使密封性能提高。（ 3）接力器活塞杆杆体部分镀硬铬，使活塞杆不至于生锈磨坏密封圈。（ 4）接力器活塞密封采用 2 道孔用方形圈密封，替代原来的活塞环密封，这种组合密封的 密封压力高，密封压力为 0-4OMPa经久耐用。而活塞环加工工序多，废品率高，且工作时 窜油量大，使油压设备的油泵启动频繁，能耗大。4.8 采用烧结自润滑轴瓦轴承及其密封装置由烧结自润滑瓦、 钢套、 轴用回转方形密封圈、 压垫盖等零部件组成。 两 端轴之间用回转方形密封圈，该密封圈为专业密封件厂家的产品，用以密封通过轴瓦而来

15、的 压力水。球形阀活门轴瓦采用最新研制的烧结自润滑轴瓦， 以代替钢背复合材料轴瓦和铸锡青铜轴瓦， 降低轴瓦造价， 同时不需黄甘油润滑， 可取消铜瓦的注油杯， 使加工方便， 结构简单， 同时， 该种轴瓦的摩擦系数小，提高了操作力矩的安全裕度。4.9 球形阀上、下游密封环采用油操作 在球形阀上游检修密封处于全开位置时，应首先开启工作密封，向蜗壳内充水，当活门前、后水压趋于平衡后（前、后压差不大于30%），球形阀即能平稳开启。由于电站水质差，用水操作需滤水器，且至今电站用的滤水器均不好用，所以采用油操作， 从而可节省双向滤水器，使操作更可靠、安全。为了不使密封环腔内含有水分的油回到油压 设备中去，污

16、染油源，锈蚀自动化元件，故将密封环内的排油另接至用户自备的废油箱内。4.10 空气阀空气阀名义直径为 100mm装在球形阀伸缩管的顶部。当蜗壳放水时，它就自动打开。当 蜗壳充水时，其内部的空气通过空气阀排入大气中。当球形阀动水关闭时，空气阀向蜗壳及 伸缩管补入空气，以免产生真空而丧失稳定性。4.11 伸缩节伸缩节装于球形阀后， 与球形阀阀体法兰和蜗壳法兰连接。 伸缩节既可补偿管道的温度变形， 又便于检修球形阀的工作密封和整体吊装球形阀。4.12 上游连接管上游连接管装于球形阀前， 与球形阀阀体法兰连接。 另一端与上游引水管在工地焊接， 焊缝 进行射线探伤检查。5 厂内试验小天都球形阀在厂内做了

17、阀体的打压试验， 密封环的动作试验， 球形阀的漏水试验 （球形阀 密封不漏水） ，球形阀与接力器一起做动作试验。各项试验都良好通过。6 运输由于小天都 1.6m球形阀整体尺寸较小，球形阀本体装配整体发运工地。运到工地后，不再做试验，直接移交给业主安装。7 电站试验球形阀安装后， 进行了无水操作试验、 油与水管路打压试验、 有水操作试验等一系列机组运 行前的试验。机组运行后，在业主认为合适的时候，由业主方主持，有各方代表参加的，在 制造厂代表指导下进行的动水关闭操作试验。球形阀的动水关闭操作试验对球形阀来说是一 种工况最恶劣环境的试验，一般业主不愿意作此试验，因此在国内做了球形阀动水关闭操作 试

18、验的水电站并不多，今后应该会多一些，而对制造厂家来讲，提供的球形阀设备应该具备 此功能。8 球形阀运行情况小天都球形阀于 2006年 8月投入商业运行以来，已运行 4年多了，球形阀检修密封、工作 密封动作灵活，不窜油、窜水。伸缩节不漏水，接力器操作自如，不整劲，没有进行过消缺 处理，总体运行很好，比同电站的GE公司带有旁通阀的球形阀振动小，操作更简单，深受用户好评。球形阀正常开、关时间为120s;整定油压为3.6MPa；100mm空气阀补、排气正常；650mm接力器操作容量足够，能自如地转动球形阀，包括动水关闭球形阀。这里应该提出 的一点，接力器的尺寸设计过大，最初设计为600mm接力器，而提

19、供自动化设备的厂家提出油源经过控制柜的压降就超过0.3MPa,再加上其他管道压降，有可能在紧急工况下关闭球形阀的容量不够，所以应业主方要求，接力器内径由 600mm加大到 650mm实际上 600mm 接力器也就足够了。9 结论球形阀作为机组的进水阀门， 对机组的事故保护和对机组的检修起着至关重要的作用， 球形 阀运行性能的好坏，直接影响电厂的经济效益和社会效益，因此，电站对球形阀的结构性能 要求也越米越高。像小天都水电站这种高水头球形阀在设计、制造中，都有一定的难度，既 要考虑球形阀的强度、刚度、变形、密封性能，又要考虑铸件、锻件、加工件厂家的设备能 力，以及运输条件。小天都水电站球形阀的成

20、功设计制造及顺利投运，标志着我公司在技术 创新领域又迈上了新台阶，为我公司赢得了荣誉，提高了公司的市场竞争力，同时也为今后 的设计制造工作积累了宝贵的经验，打下了坚实的基础。参考文献1 林洪德. 十三陵电站中 l.75m 球形阀新技术 . 东方电机 .1996（2）：76812 林洪德 . 龙潭电站球形阀结构设计中的新技术 . 东方电机 .1997 （2）：6166，603 林洪德 . 渔子溪电站中 l.6m 球形阀改造 . 东方电机 .2004 （1）： 7782采购前阀门选型的步骤和依据：在流体管道系统中，阀门是控制元件，其主要作用是隔离设备和管道系统、调节流量、防止 回流、调节和排泄压力

21、。由于管道系统选择最适合的阀门显得非常重要，所以，了解阀门的 特性及选择阀门的步骤和依据也变得至关重要起来。阀门行业到目前为止，已能生产种类齐全的闸阀、截止阀、节流阀、旋塞阀、 球阀、电动阀、 隔膜阀、止回阀、安全阀、 减压阀、蒸汽疏水阀和紧急切断阀等 12大类、 3000 多个型号、4000多个规格的阀门产品；最高工作压力为600MPa最大公称通径达 5350mm最高工作温度为1200C，最低工作温度为-196C，适用介质为水、蒸汽、油品、天然气、强 腐蚀性介质 （如浓硝酸、 中浓度硫酸等） 、易燃介质 （如笨、 乙烯等）、有毒介质 （如硫化氢） 、 易爆介质及带放射性介质（金属钠、- 回路

22、纯水等） 。阀门承压件材质铸铜、铸铁、球墨铸铁、高硅铸铁、铸钢、锻钢、高、低合金 钢、不锈耐酸钢、哈氏合金、因科镍尔、蒙乃尔合金、双相不锈钢、钛合金等。并且能够生 产各种电动、气动、液动阀门驱动装置。面对如此众多的阀门品种和如此复杂的各种工况， 要选择管道系统最适合安装的阀门产品，我以为，首先应了解阀门的特性；其次应掌握选择 阀门的步骤和依据；再者应遵循选择阀门的原则。1 阀门的特性一般有两种，使用特性和结构特性。使用特性：它确定了阀门的主要使用性能和使用范围， 属于阀门使用特性的有： 阀门的类别 （闭路阀门、 调节阀门、 安全阀门等）；产品类型（闸阀、 截止阀、 蝶阀、球阀等）； 阀门主要零

23、件（阀体、阀盖、阀杆、阀瓣、密封面）的材料；阀门传动方式等。结构特性： 它确定了阀门的安装、维修、保养等方法的一些结构特性，属于结构特性的有：阀门的结构 长度和总体高度、与管道的连接形式（法兰连接、螺纹连接、夹箍连接、外螺纹连接、焊接 端连接等）；密封面的形式（镶圈、螺纹圈、堆焊、喷焊、阀体本体） ；阀杆结构形式（旋转 杆、升降杆）等。2 选择阀门的步骤和依据大体如下：选择步骤1. 明确阀门在设备或装置中的用途，确定阀门的工作条件：适用介质、工作压力、工作温度等等。2. 确定与阀门连接管道的公称通径和连接方式：法兰、螺纹、焊接等。3. 确定操作阀门的方式：手动、电动、电磁、气动或液动、电气联动

24、或电液联动等。4. 根据管线输送的介质、工作压力、工作温度确定所选阀门的壳体和内件的材料：灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、碳素钢、合金钢、不锈耐酸钢、铜合金等。5. 确定阀门的型式：闸阀、截止阀、球阀、蝶阀、节流阀、安全阀、减压阀、蒸汽疏水阀、等。6. 确定阀门的参数： 对于自动阀门， 根据不同需要先确定允许流阻、 排放能力、背压等，再确定管道的公称通径和阀座孔的直径。7. 确定所选用阀门的几何参数：结构长度、法兰连接形式及尺寸、开启和关闭后阀门高度方向的尺寸、连接的螺栓孔尺寸和数量、整个阀门外型尺寸等。8. 利用现有的资料：阀门产品目录、阀门产品样本等选择适当的阀门产品。选择阀门的依据在了解掌握

25、选择阀门步骤的同时，还应进一步了解选择阀门 的依据。1. 所选用阀门的用途、使用工况条件和操纵控制方式。2. 工作介质的性质：工作压力、工作温度、腐蚀性能，是否含有固体颗粒，介 质是否有毒，是否是易燃、易爆介质，介质的黏度等等。3. 对阀门流体特性的要求：流阻、排放能力、流量特性、密封等级等等。4. 安装尺寸和外形尺寸要求：公称通径、与管道的连接方式和连接尺寸、外形 尺寸或重量限制等。 对阀门产品的可靠性、 使用寿命和电动装置的防爆性能等的附加要求。 （在选定参数时应注意：如果阀门要用于控制目的，必须确定如下额外参数：操作方法、最 大和最小流量要求、 正常流动的压力降、 关闭时的压力降、 阀门的最大和最小进口压力。 ）根 据上述选择阀门的依据和步骤，合理、正确地选择阀门时还必须对各种类型阀门的内部结构 进行详细了解，以便能对优先选用的阀门做出正确的抉择。管道的最终控制是阀门。阀门启 闭件控制着介质在管道内的流束方式，阀门流道的形状使阀门具备一定的流量特性，在选择 管道系统最适合安装的阀门时必须考虑到这一点。如下为选择阀门应遵循的原则： 截止和开放介质用的阀门流道为直通式的阀门，其流阻较小，通常选择作为 截止和开放介质用的阀门。向下闭合式阀门（截止阀、柱塞阀）由于其流道曲折，流阻比其 他阀门高，故较少选用。在允许有较高流阻的场合，可选用闭合式阀门。控制流量用的阀门通