水电站水轮机进水阀式进流阀的研制

水电站水轮机进水阀式进流阀的研制

1机进蜗壳连接系统该收割机是该收割机的重要部件之一。为了保证水轮机安全和可靠的运行,水轮机的入水口处均装设有进水球阀,上游与压力钢管连接,下游与水轮机进水蜗壳连接。一方面在水轮机及发电机组检修时通过该阀切断压力钢管内的水流,保证检修的安全,另一方面在水轮机及发电机出现异常时可有效切断水流,防止事故的发生。由于水轮机运行的特殊要求,通用球阀在水电站的运行中不能满足工况系统的使用要求,导致机组无法运行的现象也时有发生。为了确保水轮机组能平稳、可靠和安全的运行,在消化吸收国外先进技术的基础上,采用全新的设计理念,研制开发出新型水轮机进水球阀。2主阀与接力器连接部分水轮机进水球阀主要由主阀部分、驱动部分、旁通管路、上游凑合节、下游伸缩节、锁定部分、支撑部分及配套部分等组成(图1)。(1)主阀部分(标配)包括阀体、球体、阀杆及阀座(活塞止水环)等,该部分是整个阀门的核心,其作用是接通或切断水流。(2)驱动部分(标配)对于电动操作的水轮机进水球阀,其驱动部分为电动装置。对于液动操作水轮机进水球阀,其驱动部分为液压接力器与拐臂(对于摇摆缸)等,该部分的作用是驱动主阀进行启闭动作。(3)旁通管路(推荐采用)包括旁通阀、检修阀(仅用于旁通阀)、钢管和弯头等,该部分的作用是在阀门启闭前平衡上下游压差,避免在全压差下启闭阀门出现水锤现象以及有效地降低阀门的操作转矩。(4)上游凑合节(对液动止水环式水轮机进水球阀为标配,对其余两类为选配)用于阀门与上游端压力钢管进行连接,连接方式通常为焊接,并且会预留50～100mm的焊接配割余量。(5)下游伸缩节(对液动止水环式水轮机进水球阀为标配,对其余两类为选配)包括插管与活动法兰两部分,用于阀门与下游水轮机进水蜗壳连接,连接方式为法兰连接。通过伸缩节的方式,一方面可方便对阀门进行检修维护,另一方面可适应由于温度、压力的变化造成的管道轴向膨胀或收缩。(6)锁定部分(选配)主要包括上游检修密封锁定及接力器锁定。主要用于防止由于误操作带来的阀门误动作,保证系统的安全性及可靠性。(7)支撑部分包括主阀与接力器底座。底座通过地脚螺栓安装于混凝土支墩上,用于支撑阀门的重量及为摇摆式接力器提供固定转轴。(8)配套部分该部分用于控制阀门的驱动部分,为驱动装置提供动力源,并使阀门按照预先设定的程序进行动作。3结构特征3.1控制部分带密封的工作密封液动止水环式水轮机进水球阀采用不锈钢活塞式止水环密封止水,通过油压或水压控制止水环的投入与退出(图2)。每台阀门设两个止水环,上游侧为检修密封,下游侧为工作密封。检修密封设手动锁紧装置,正常工作时检修密封处于常开状态,只在机组检修时投入,为保证下游检修的安全性,应手动将锁定投入。工作密封在阀门关闭时投入,在球体动作前退出。为保证阀门能在紧急情况下迅速关闭,在阀门达到全开后,工作密封仍然处于退出状态。通过变换进油(或水)的方向控制止水环的动作方向,以满足操作的需要。止水环与阀体及端盖之间的密封采用双重O形圈,并且可通过设置PTFE挡圈的方式减小O形圈的磨损。止水环的材料通常为1Cr13。3.2液动止水环式水轮机控制阀因止水环式水轮机进水球阀通常用于水质较差、水头较高的电站,所以恶劣的工况对阀门的损耗是非常严重的,特别是对密封面的磨损非常厉害。为了提高阀门的可维护性,液动止水环式水轮机进水球阀将阀门的密封环设计为可拆卸可更换结构,在阀门长期使用活门密封环发生严重磨损后,可仅对密封环进行更换而不需要更换活门或另购阀门,提高阀门主体的使用寿命,降低资金投入。活门主要由活门体、密封环、O形圈、螺钉及定位销等(图3)组成。密封环通过一组螺钉固定在活门体相应部位。密封环与活门体之间的密封靠O形圈来保证。定位销的作用在于密封环与活门体的准确定位,以免密封环更换以后与活门体发生装配错位。密封环的材料通常为2Cr13。3.3类球形结构液动止水环式水轮机进水球阀经过多年的实践,摒弃了之前常用的完整球形活门结构,而采用了类球状结构,大大减轻了活门的自重(图4)。一方面可以节省投资,另一方面亦可缓解活门自重对阀壳带来的受力影响。为保证活门具有足够的强度与刚度,液动止水环式水轮机进水球阀在活门的相应部位设置加强筋,保证了阀门的整体可靠性。活门材料通常为WCB铸钢。3.4阀门止水环维修液动止水环式水轮机进水球阀独特的结构可保证在不将阀门拆开或不从管道上拆下的情况下,对阀门止水环进行维修及更换。止水环尾部设有拔出螺孔,当止水环损坏时,可依次拆下伸缩节(或凑合节)和端盖,再用专用工具将止水环取出(图5)。止水环修复或更换后,亦可按照上述相反的顺序进行装配。整个过程不需要对阀门进行解体,极大的方便了阀门的维修维护。3.5止水环动作判断装置为了满足复杂的顺序控制需要,液动止水环式水轮机进水球阀需要提供各种信号,止水环投入与拔出的信号就是其中之一。它是判断活门是否可以进行转动的必备条件,因此该信号的准确性将直接影响到整个阀门动作的准确性。传统行程指示杆通过螺纹与止水环连在一起,可将止水环的活塞动作状态完全反映到指示杆上(图6)。但此种结构也存在缺点。①装配时必须保证止水环、端盖与伸缩节(凑合节)之间有精确的定位,否则无法安装指示杆。②止水环没有轴向定位装置,在使用过程中可能存在沿圆周方向转动的趋势,很容易将指示杆卡住,这样一来会影响止水环动作的可靠性,严重时还会将指示杆剪断。改型的行程指示杆采用了非固定式的结构(图7),当止水环退出时,可直接将指示杆推动,当止水环投入时,通过弹簧张力使指示杆随之运动。该结构可很好的避免传统结构所带来的弊端。3.6管道中央管口结构水轮机进水球阀伸缩节由伸缩节插管和活动法兰两部分组成(图8),密封采用双重(或三重)橡胶O形圈,为减小活动法兰自重对O形圈的磨损挤压,在O形圈后设置PEFE挡圈,可有效延长O形圈使用寿命及提高密封的可靠性。该结构在两个方向均设置一定的伸缩量。当阀门正常工作时,该结构可以自动适应由于压力及温度变化带来的管道轴向膨胀或收缩。当对阀门进行检修维护时(如更换止水环、活门密封圈等),拆下伸缩节与进水蜗壳法兰及阀门部分的连接螺栓,将活动法兰向上游(阀门方向)推动,同时将插管向下游(进水蜗壳方向)推动,缩短伸缩节长度,以保证足够的空间,满足阀门拆装要求。当伸缩节的密封圈损坏需要更换时,拆下伸缩节与进水蜗壳法兰的连接螺栓,插管不动,将活动法兰向上游(阀门方向)推动,直至完全露出O形圈槽,此时可以对O形圈进行更换。3.7控制柜及阀前和阀后控制水轮机进水球阀可配套提供电动或液动PLC控制柜,对于液动水电球阀,还可配套提供油压装置。控制柜应设有指示主阀开启与关闭的信号装置、指示旁通阀开启与关闭的信号装置、指示接力器锁定投入与拔出的信号装置、指示工作与检修密封的信号装置、油压表及阀前和阀后水压表。这些传感器提供信号,并与控制柜和中央控制室连接,实现阀门的就地操作或中央控制,满足微机监控的要求。3.8喷针不关闭、旁通不符压水轮机进水球阀根据电站的实际情况进行设计,所有数据均经过严格的计算及校核,最大限度保障了运行的安全性,满足在喷针不关闭、旁通不平压下的紧急关断要求。3.9人体结构可选择对于DN≥900的水轮机进水球阀,根据需要,可以设计人孔结构,以方便地对阀门及相关设备进行检修。3.10初始密封预紧力水轮机进水球阀采用弹簧预紧具有活塞效应的浮动阀座组件,采用上游密封的设计机理,能在管道无压力或低压力时,由初始密封预紧力保证阀门的密封效果。在管道正常压力时,由介质压力推动具有浮动效应(沿流道方向的来回运动)的上游阀座紧贴球体达到密封(图9)。阀座的两个方向都能密封,因而阀门安装没有方向的限制。3.11阀门对中腔的排放阀门在全开及全关时,阀门中腔与流道均被上下游阀座截断(双截断)。阀门在全开或全关时,均可对中腔进行排放(双排放)。水轮机进水球阀具有DBB功能,可定期排放中腔的介质和积滞物,可减少污物对阀门密封面的损伤,有效延长阀门使用寿命(图10)。3.12中腔自动压积水轮机进水球阀使用弹簧预紧阀座,当中腔停滞的介质出现异常升压时,能压缩弹簧而自动泄压(图11)。3.13自动泄压阀座的应用水轮机进水球阀全部采用弹簧预紧阀座结构。在阀座支承圈后设置预紧弹簧(图12),其主要作用首先是为进水球阀提供必要的初始密封预紧力,其次还可实现阀座的自动泄压。另外在阀门长期频繁使用后,软阀座会出现少量的磨损,通过弹簧的张力可以部分补偿这种磨损,从而延长了阀门的使用寿命。预紧弹簧可以同时保证提供必要的初始密封预紧力及达到轻便的操作转矩。通常情况下,预紧弹簧采用螺旋压缩弹簧。3.14密封主体结构改造阀轴密封属于运动密封,阀轴头处设有钢套。钢套外侧设两道O形圈,内侧设两道密封,一道接近阀体内圆,采用O形圈密封,另一道在阀体外侧,采用U形圈密封,这种结构既可保证钢套拆卸方便,又可保证活门转动灵活,在不拆阀体的情况下更换和检修密封件。3.15不锈钢抗磨蚀阀轴采用锻钢制造,在与轴承及轴头密封相接触的表面堆焊不锈钢层,以增加抗磨蚀能力。阀轴与活门用螺栓拧合成一体。轴承采用德国DEVA-BM轴承,具有良好的承载性能。3.16阀门自动对阀门的关闭空气阀直径为DN200,安装在水轮机进水球阀伸缩管的顶部。当蜗壳放水时,阀门自动打开。当蜗壳充水时,其内部的空气通过空气阀排入大气中。当水轮机进水球阀动水关闭时,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水轮机进出从压力控制开放系统运行过程中,水轮机进水球阀开启时,首先解除检修密封处的3套周圈均布的沿水流方向锁定检修密封的锁定装置,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。在上游检修密封的行程开关信号显示开启后,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。水流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,控制水轮机进水球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,水轮机进水球阀开启过程结束。水轮机进水球阀关闭时,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,水轮机进水球阀关闭过程结束。一般情况下,上游检修密封始终处于开启位置,只有当机组检修或水轮机进水球阀更换密封时,关闭水轮机进水球阀检修密封,并投入检修密封的机械锁定。长时间停机或机组发生事故而导水机构不能关闭时,关闭水轮机进水球阀工作密封。水轮机进水球阀工作密封是要经常被操作或动作的,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,水轮机进水球阀的活门处于关闭或开启的位置,不可以用于调节流量。5投换电磁阀2wdp水轮机进水球阀控制信号装置由指示主阀开启与关闭的信号装置(1QPD、2QPD)、指示旁通阀开启与关闭的信号装置(6QPD)、指示接力器锁定投入与拔出的信号装置(3QPD)、指示工作与检修密封的信号装置(4QPD、5QPD)、油压表及阀前和阀后水压表等组成,传感器提供信号并与控制柜和中央控制室连接,实现阀门的就地操作或中央控制,满足系统的要求。当进行检修或更换下游工作密封时,将水轮机进水球阀关闭,通过电磁阀3WDP投入检修密封,行程开关5QPD发出信号,使上游检修密封关指示灯亮。为保证检修工作安全,应手动将检修密封锁紧,并将选择开关设为检修密封投入。正常工作时,应松开检修密封锁定,通过电磁阀3WDP退开检修密封,行程开关5QPD发出信号,使上游检修密封开指示灯亮,并将选择开关设为检修密封退出。开启主阀时,按下开按钮,首先启动电磁阀2WDP,拔出接力器关锁定。通过行程开关3QPD将接力器关锁定拔出的信号返回控制柜,电磁阀5WDP动作,接通旁通阀的液压源。旁通阀达到全开位置时,行程开关6QPD将旁通阀已开启的信号返回。当主阀上下游的压力接近相等时,压力继电器(由控制柜提供)发出平压信号,使电磁阀4WDP动作,退开工作密封。行程开关4QPD将工作密封退出信号返回控制柜,随即启动电磁阀1WDP,接通接力器液压源,转动球体。球体转到位后,行程开关1QPD将阀门已达到全开位置的信号返回控制柜。再次接通旁通阀的液压源,关闭旁通球阀,相应的行程开关6QPD将信号返回控制柜。再次启动电磁阀2WDP投入接力器开锁定,球阀开启指示灯亮。球阀开启完成后,1WDP及JHF25在中间位置,封闭压力油管,使接力器泄压。接力器锁定动作必须准确可靠,锁定未拔出,接力器不能操作。关闭主阀时,按下关按钮,拔出接力器开锁定,开启旁通阀,接通接力器液压源,关闭球体。球体关到位后,旁通阀关闭,相应地将信号返回控制室。投入接力器关锁定,球阀关闭指示灯亮。接力器泄压。6阀前短管与进水管道焊接水轮机进水球阀应卧式安装于水平管