趙世寬

(哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

溧陽抽水蓄能電站共安裝6臺(tái)單機(jī)容量為250 MW的可逆式水泵水輪機(jī)-發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，機(jī)組采用“一洞三機(jī)”形式，即每3臺(tái)機(jī)組共用一條引水隧洞，共2條。尾水采用單機(jī)單管形式，每臺(tái)機(jī)組配備一臺(tái)主進(jìn)水球閥，起到停機(jī)時(shí)隔斷上庫(kù)水源和發(fā)生事故時(shí)及時(shí)截?cái)嗨鞯淖饔谩?/p>

1 球閥主要結(jié)構(gòu)

主進(jìn)水球閥由閥體、活門、軸承、轉(zhuǎn)臂、密封、接力器及基礎(chǔ)附件等組成，與一般球閥不同的是，溧陽球閥采用單接力器單轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu)。主進(jìn)水球閥示意圖見圖1。

進(jìn)水球閥的密封分為檢修密封和工作密封，采用密封環(huán)和密封座壓合的形式，利用上游壓力水源配合閥旁的密封控制柜，通過液壓回路的切換實(shí)現(xiàn)密封的投入、退出動(dòng)作。檢修密封為現(xiàn)地手動(dòng)操作，工作密封為遠(yuǎn)方自動(dòng)操作。

為保證密封和球閥的安全，球閥配有兩套機(jī)械液壓閉鎖裝置，即球閥未達(dá)到全關(guān)時(shí)密封不能投入或退出；密封投入時(shí)球閥不能開啟。

檢修密封和工作密封各配有3個(gè)密封指示裝置，指示裝置的探頭隨密封環(huán)投退而伸長(zhǎng)或縮短，從而與限位指示開關(guān)接觸，便于監(jiān)測(cè)密封的完全投入和退出狀態(tài)，防止球閥誤動(dòng)作。

圖1 主進(jìn)水球閥示意圖

球閥接力器采用油壓操作，帶動(dòng)與活門相連接的轉(zhuǎn)臂，驅(qū)動(dòng)球閥在0°～90°動(dòng)作。球閥的活門轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)靈活，與固定部件應(yīng)有足夠間隙[1]。需要指出的是，水電站進(jìn)出水球閥只能在全開和全關(guān)兩個(gè)位置，起到“通流”和“斷流”的功能，不能調(diào)節(jié)流量。

2 球閥主要參數(shù)

形式：臥式球閥

進(jìn)口及出口直徑：φ3 050 mm

最大凈水頭：348.4 m

設(shè)計(jì)壓力：4.66 MPa

試驗(yàn)壓力：6.99 MPa

最大流量：111.04 m3/s

接力器直徑：φ1～φ670 mm

接力器操作油壓：4.40～6.30 MPa

活門開關(guān)時(shí)間：40～120 s

旁通閥直徑：φ300 mm

空氣閥直徑：φ200 mm

3 問題描述

2015年10月23日上午，溧陽6#球閥(首臺(tái)球閥)接力器節(jié)流孔板加工(由φ10 mm擴(kuò)孔至φ15 mm)回裝后，在額定壓力下進(jìn)行6#球閥開啟、關(guān)閉時(shí)間調(diào)整(時(shí)間調(diào)整至50±5 s)。通過實(shí)際動(dòng)作情況來看，球閥開啟、關(guān)閉時(shí)間較未調(diào)整前有顯著縮短，但在接力器開啟末端約47 mm行程時(shí)，肉眼觀察球閥幾乎停止動(dòng)作，在蝸殼內(nèi)觀察球閥活門并未開啟至與上下游流道水平?，F(xiàn)場(chǎng)錄波曲線顯示接力器開啟腔壓力及關(guān)閉腔壓力同時(shí)突變升高且關(guān)閉腔壓力大于開啟腔壓力，此時(shí)接力器繼續(xù)以緩慢的速度開啟至全開。當(dāng)球閥達(dá)到全開時(shí)，關(guān)閉腔壓力再次突變升高，在球閥達(dá)到全開的瞬間，接力器操作油管路有劇烈振動(dòng)并伴有較大聲響。從錄波曲線上看，接力器關(guān)閉腔壓力峰值約為11.25 MPa(現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)用的壓力傳感器量程為10 MPa，此時(shí)關(guān)閉腔壓力很可能已經(jīng)超過傳感器量程)，然后關(guān)閉腔壓力緩慢降低?，F(xiàn)場(chǎng)初步分析認(rèn)為壓力異常是接力器關(guān)閉腔有空氣造成，但對(duì)關(guān)閉腔排氣后情況依然沒有好轉(zhuǎn)。

4 原因分析

圖2為現(xiàn)場(chǎng)錄制的球閥開啟、關(guān)閉時(shí)接力器“行程-壓力”曲線。

圖2中左側(cè)為開啟波形，右側(cè)為關(guān)閉波形?？梢钥闯?，最后開啟階段，緩沖行程為46.95 mm，時(shí)間約為26.14 s，可以計(jì)算出此時(shí)接力器的動(dòng)作速度約為1.8 mm/s。需要指出的是，6#球閥接力器在流量沒調(diào)整之前(未鉆孔)是看不出壓力及行程異常的。圖3為節(jié)流孔板未鉆孔前(φ10 mm)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)錄制的接力器開啟“行程-壓力”曲線。

圖2 行程-壓力曲線圖(緩沖異常)

圖3 行程-壓力曲線圖(節(jié)流孔板未鉆孔前)

從圖3中可以看出，6#接力器之前的開啟時(shí)間為111.4 s，全行程為1 921 mm，從曲線上看接力器動(dòng)作速度比較均勻，可以粗略計(jì)算出當(dāng)時(shí)接力器的平均動(dòng)作速度約為17.24 mm/s，也就是說接力器流量增大后，緩沖區(qū)1.8 mm/s的速度是小于流量調(diào)節(jié)前的平均速度。但是這個(gè)緩沖現(xiàn)象并未在小流量時(shí)表現(xiàn)出來，可以認(rèn)為是在流量增大后才出現(xiàn)了異常，并不是之前有異常而未被發(fā)現(xiàn)，節(jié)流孔板擴(kuò)孔后，6#球閥在額定壓力下的關(guān)閉正常，時(shí)間為52 s左右，其中緩沖時(shí)間約為2 s，關(guān)閉時(shí)間已符合要求，也就是說擴(kuò)孔尺寸是正確的。

10月23日下午，通過調(diào)整接力器換向閥，已經(jīng)將開啟時(shí)間調(diào)整至62 s，其中緩沖時(shí)間為16 s，但是壓力異常的情況依然存在。11.25 MPa的瞬間壓力對(duì)于接力器是破壞性的(接力器設(shè)計(jì)壓力為7.5 MPa，強(qiáng)度耐壓試驗(yàn)壓力為設(shè)計(jì)壓力的1.5倍[2])，所以并未再多次試驗(yàn)。

通過對(duì)球閥開啟、關(guān)閉的過程分析，緩沖異常的現(xiàn)象具有極高的可重復(fù)性，即每次都發(fā)生在開啟末端約47 mm行程，且關(guān)閉時(shí)并未發(fā)現(xiàn)此問題，按照現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，考慮為球閥接力器結(jié)構(gòu)問題。

現(xiàn)場(chǎng)將接力器與球閥轉(zhuǎn)臂分解后，使接力器固定在豎直狀態(tài)。油壓操作接力器開啟、關(guān)閉后發(fā)現(xiàn)依然出現(xiàn)開啟緩沖異常問題，排除球閥本體碰撞或刮研，確定為接力器緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致。緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 接力器開啟腔緩沖區(qū)結(jié)構(gòu)

圖4中項(xiàng)20為接力器開啟腔緩沖環(huán)，通過查找圖紙，緩沖環(huán)內(nèi)孔尺寸為φ286.2H8 mm，進(jìn)入緩沖區(qū)的活塞桿尺寸為φ286f8 mm，活塞桿與緩沖環(huán)為基孔制的間隙配合，間隙最大為單邊0.21 mm，間隙最小為單邊0.13 mm，從數(shù)值上來看，此間隙值與其他抽水蓄能電站情況類似。

將接力器活塞缸分解后，對(duì)活塞桿及緩沖環(huán)尺寸進(jìn)行了反復(fù)測(cè)量，數(shù)據(jù)均在設(shè)計(jì)公差允許范圍內(nèi)。后經(jīng)設(shè)計(jì)核算，確定接力器緩沖區(qū)間隙在設(shè)計(jì)計(jì)算過程中代入公式錯(cuò)誤，導(dǎo)致緩沖區(qū)設(shè)計(jì)間隙過小，從而影響緩沖回油，節(jié)流孔板擴(kuò)孔后，接力器油流量增大，將緩沖效果“無限放大”，進(jìn)一步造成接力器進(jìn)入緩沖區(qū)后回油不暢，動(dòng)作緩慢，壓力升高。

5 處理方法

通過重新計(jì)算， 確定將接力器開啟緩沖環(huán)內(nèi)孔重新加工，由之前的φ286.2H8 mm擴(kuò)大至φ286.9H8 mm，加工過程中保證緩沖環(huán)其他加工參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，回裝后重新進(jìn)行試驗(yàn)，波形見圖5。

從圖5中可以看出，總開啟時(shí)間為46.32 s，其中緩沖時(shí)間為1.58 s，并未出現(xiàn)緩沖過慢問題，開啟腔壓力由開啟過程中的0.87 MPa升至緩沖階段的3.39 MPa，最后壓力峰值為6.62 MPa且最終穩(wěn)定在5.67 MPa。關(guān)閉腔壓力由開啟過程中0.65 MPa升至緩沖階段的3.62 MPa，最后壓力峰值為7.5 MPa且最終趨近于0。緩沖階段的關(guān)閉腔壓力相比之前試驗(yàn)沒有出現(xiàn)較大峰值。

圖5 行程-壓力曲線圖(緩沖環(huán)內(nèi)孔重加工后)

6 結(jié)語

(1) 溧陽抽水蓄能電站主進(jìn)水球閥采用單接力器單轉(zhuǎn)臂的結(jié)構(gòu)形式，相比于雙接力器球閥，雖然在結(jié)構(gòu)上有所簡(jiǎn)化，但增加了接力器受力等參數(shù)的計(jì)算過程，是造成該接力器緩沖區(qū)間隙計(jì)算錯(cuò)誤的原因之一。

(2) 建議將接力器設(shè)計(jì)成緩沖時(shí)間可調(diào)的結(jié)構(gòu)，即將緩沖間隙設(shè)計(jì)得更大一些，在緩沖區(qū)設(shè)置回油管，在管路上安裝流量調(diào)節(jié)閥。利用閥門來調(diào)節(jié)緩沖時(shí)間，但增加了管路和閥門的同時(shí)，也就意味著增加了出現(xiàn)問題的風(fēng)險(xiǎn)性，應(yīng)酌情考慮。

(3) 目前溧陽電站前3臺(tái)球閥無水調(diào)試已全部完成，遠(yuǎn)方、現(xiàn)地動(dòng)作正常，信號(hào)正確，開啟及關(guān)閉時(shí)間均在50±5 s范圍內(nèi)，滿足機(jī)組的開機(jī)及工況轉(zhuǎn)換的時(shí)間要求。