水輪發(fā)電機(jī)蝶閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案探析

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摘要：蝶閥在水電站中應(yīng)用廣泛，中低水頭水輪發(fā)電機(jī)組常常用蝶閥作為機(jī)組進(jìn)水閥門，其主要作用是在水輪發(fā)電機(jī)組突然甩負(fù)荷或因事故緊急停機(jī)時，機(jī)組轉(zhuǎn)速急劇上升，為了保護(hù)水輪發(fā)電機(jī)組不受損壞，保證機(jī)組轉(zhuǎn)速不超過允許值，在水輪發(fā)電機(jī)組上游側(cè)安裝進(jìn)水蝶閥，并將蝶閥控制系統(tǒng)接入機(jī)組計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生事故時，能快速地關(guān)閉機(jī)組進(jìn)水蝶閥。蝶閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性對水電站安全可靠運(yùn)行起到至關(guān)重要的作用。本文結(jié)合某水電站實(shí)例，介紹水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)水蝶閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化、改良的有效方法，給行業(yè)中類似工程提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：蝶閥；鎖定裝置；密封；材質(zhì)；軸頭

0引言

隨著我國水電行業(yè)開發(fā)的不斷發(fā)展，水力發(fā)電作為可再生能源電力的主力軍之一，對穩(wěn)定整個電網(wǎng)系統(tǒng)起到非常重要的作用，所以水電站水輪發(fā)電機(jī)組的安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行顯得尤為重要。水電站水輪機(jī)蝸殼前端安裝進(jìn)水閥門，主要目的是為防止水輪發(fā)電機(jī)組突然甩負(fù)荷引起機(jī)組飛逸事故擴(kuò)大；同時，在機(jī)組停機(jī)時，關(guān)閉進(jìn)水閥門，可以減少導(dǎo)水葉漏水量，避免水能損失，影響發(fā)電企業(yè)經(jīng)營效益；另外，在機(jī)組檢修期間，關(guān)閉進(jìn)水閥門，隔斷水源，確保檢修作業(yè)人員人身安全。水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)水閥門根據(jù)水電站工作水頭的高低進(jìn)行選型，中低水頭（一般在200m以下）水電站采用蝶閥，高水頭（一般在200m以上）水電站采用球閥。蝶閥按轉(zhuǎn)軸位置分為豎軸式和橫軸式，按操作方式分手動、電動和液壓方式，其中臥軸蓄能器式液壓控制型蝶閥為中低水頭水電站常用進(jìn)水閥門。蝶閥的液壓控制系統(tǒng)采用蓄能器式液壓閥組集成化設(shè)計(jì)，具有保壓功能，它主要保證蝶閥在全開狀態(tài)，水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時，防止液壓系統(tǒng)突然失壓，蝶閥在水流作用下關(guān)閉，造成機(jī)組事故停機(jī)。同時，蝶閥在水流動情況下關(guān)閉，由于水流慣性作用，會產(chǎn)生一定危害的水錘，對設(shè)備造成損壞，同時引水鋼管、引水隧洞壓力上升，容易發(fā)生鋼管爆裂和隧洞塌方。通過液壓控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)蝶閥關(guān)閉時接力器關(guān)腔油量，實(shí)現(xiàn)快關(guān)、慢關(guān)兩階段線性關(guān)閉功能，消除水錘產(chǎn)生的危害。本文主要針對早期建造的水電站水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)水蝶閥經(jīng)數(shù)十年運(yùn)行后，出現(xiàn)的缺陷、可能存在的安全隱患進(jìn)行梳理、匯總、綜合分析、研究，提出可行性解決方案，并對進(jìn)水蝶閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化、改良，此類方法已在水電站中得到實(shí)踐，為國內(nèi)外水電站水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)水蝶閥出現(xiàn)類似問題的解決提供經(jīng)驗(yàn)參考和借鑒。

1當(dāng)前現(xiàn)狀

國內(nèi)水電行業(yè)歷史悠久，早期投產(chǎn)的水電站至今已有幾十年，經(jīng)過數(shù)十年的技術(shù)發(fā)展，工藝不斷創(chuàng)新，設(shè)備性能不斷提升，產(chǎn)品都已更新?lián)Q代。水電站水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)水蝶閥作為重要的輔助設(shè)備之一，伴隨著設(shè)備運(yùn)行時間的推移，逐漸暴露出諸多問題，蝶閥常見問題如下。（1）蝶閥工作密封老化、磨損嚴(yán)重，蝶閥全關(guān)后漏水嚴(yán)重，無法完全隔斷水源，機(jī)組檢修時威脅檢修作業(yè)人員人身安全。（2）蝶閥閥軸軸頭密封結(jié)構(gòu)簡單，密封件老化，軸頭出現(xiàn)漏水，一旦止水密封失效，上游水經(jīng)閥軸流入廠房內(nèi)，存在水淹廠房安全隱患。（3）接力器鎖定裝置不可靠，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，手動機(jī)械鎖定不合理，鎖桿強(qiáng)度不夠，鎖定連接接觸部件易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象，出現(xiàn)鎖定裝置投入，依然可以開啟蝶閥，存在安全隱患。（4）接力器密封結(jié)構(gòu)簡易，運(yùn)行數(shù)年后出現(xiàn)滲漏油；零部件制造加工工藝粗糙，接力器在檢修、安裝過程中密封件易受損。（5）液壓控制系統(tǒng)回油量大，蓄能器油壓下降過快，壓油泵啟停頻繁，空氣閥密封不嚴(yán)漏水等。電氣控制系統(tǒng)可編程控制器PLC、控制電源等電氣控制回路單套運(yùn)行，會因一個設(shè)備元器件故障整個控制系統(tǒng)癱瘓無法正常運(yùn)行。當(dāng)前，電網(wǎng)系統(tǒng)安全性、穩(wěn)定性、可靠性運(yùn)行關(guān)系著國家日常經(jīng)濟(jì)運(yùn)作、社會居民生活起居，安全生產(chǎn)儼然成為電力生產(chǎn)經(jīng)營單位首要任務(wù)。作為發(fā)電企業(yè)要根據(jù)國家、行業(yè)的法律、法規(guī)和企業(yè)制度，定期對發(fā)電設(shè)備運(yùn)行健康水平進(jìn)行評估，對于存在問題、安全隱患的設(shè)備，切實(shí)開展好發(fā)電設(shè)備檢修、技術(shù)改造工作，為電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定提供有力保障。

2改進(jìn)措施

鑒于以上水電站水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)水蝶閥存在的問題，分析問題根源，探究解決方案，優(yōu)化設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)合某水電站水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)水蝶閥改造優(yōu)化的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對上述問題進(jìn)行如下改進(jìn)。（1）早期設(shè)備不齊全，原材料供應(yīng)不足，生產(chǎn)制造水平低，加工工藝不精。經(jīng)過數(shù)十年的社會發(fā)展，設(shè)備升級、制造加工水平提升，產(chǎn)品質(zhì)量提高。（2）設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠完善。設(shè)備運(yùn)行數(shù)年后，漏水、滲油、機(jī)件磨損等逐漸凸顯出來，通過結(jié)構(gòu)改良，合理設(shè)計(jì)可以有效提升設(shè)備使用壽命。（3）液壓控制系統(tǒng)回油量大、油壓下降快等問題，通過液壓回路電磁閥選型升級以及設(shè)備革新得以消除；電氣控制系統(tǒng)可編程控制器、控制電源結(jié)合技術(shù)改造進(jìn)行冗余配置，互為備用。

3優(yōu)化方案

3.1材質(zhì)選型

蝶閥閥體及蝶板材質(zhì)采用Q345B，閥座材質(zhì)采用鍛16Mn，閥座密封面堆焊不銹鋼，不銹鋼材質(zhì)選用06Cr19Ni10。蝶閥密封采用雙向密封，分別為工作密封和檢修密封，工作密封為非金屬橡膠密封，材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)丁腈橡膠；檢修密封為金屬密封，材質(zhì)為04Cr13Ni5Mo。蝶閥閥軸材質(zhì)采用20Cr13，表面防腐處理，軸座材質(zhì)選用鍛16Mn。伸縮節(jié)材質(zhì)選用Q345B。軸套采用無鉛型無給油自潤滑軸套。

3.2鎖定裝置

解決無法自動鎖定、易打滑、有死區(qū)等問題（圖1為鎖定裝置結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化前，圖2為鎖定裝置結(jié)構(gòu)型式優(yōu)化后）。①通過改變鎖定裝置鎖桿的原材料、加工工藝、尺寸規(guī)格，增加鎖桿強(qiáng)度。②改變鎖定裝置的受力方式，以往蝶閥全關(guān)時，鎖定裝置投入，鎖桿頂住蝶閥閥軸拐臂，防止閥門開啟，此方式易打滑，且受力超過拐臂本體強(qiáng)度后，致使蝶閥拐臂變形滑過鎖桿，使蝶閥開啟，此鎖定裝置受力方式為接觸式相互擠壓產(chǎn)生阻力。現(xiàn)將結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改變，鎖桿為活塞式，蝶閥關(guān)閉后，鎖定裝置鎖桿嵌入蝶閥閥軸拐臂內(nèi)，若要開啟蝶閥需將鎖桿剪斷方可，此鎖定裝置受力方式為剪切力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鎖桿與拐臂的擠壓力。③改變操作方式，由手動純機(jī)械鎖定裝置換成自動液壓投退鎖定裝置，可以避免人為的誤操作。④增加鎖定裝置投入位置開關(guān)，并將位置節(jié)點(diǎn)接入電氣控制系統(tǒng)，參與程序邏輯，防止鎖定未退出開蝶閥的安全隱患。

3.3閥軸軸頭

解決蝶閥閥軸軸頭漏水問題。①改變閥軸材質(zhì)，老式蝶閥閥軸選用碳素鋼，長期在水中運(yùn)行，容易出現(xiàn)銹蝕，閥軸多次旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，會出現(xiàn)磨損，使得閥軸與軸套之間產(chǎn)生縫隙，另外閥軸銹蝕表面的鐵屑進(jìn)入軸承轉(zhuǎn)動部位，加劇軸承磨損，長此以往，閥軸軸頭出現(xiàn)漏水，同時產(chǎn)生的顆粒物進(jìn)入軸頭，增加閥軸轉(zhuǎn)動摩擦，情況嚴(yán)重的，因阻力過大，閥軸旋轉(zhuǎn)將帶動軸頭密封壓環(huán)一同運(yùn)動，致使密封壓環(huán)緊固螺栓變形或者斷裂。解決此問題可將蝶閥閥軸選用不銹鋼材質(zhì)，同時提高閥軸強(qiáng)度，可以避免銹蝕引起軸承磨損，并將軸套選用無鉛型無給油自潤滑軸套，避免軸套無潤滑油發(fā)生干摩擦現(xiàn)象。②改變閥軸軸頭密封結(jié)構(gòu)，老式蝶閥閥軸軸頭密封采用1道O型圈密封和石棉盤根密封，該密封形式易磨損、老化，長時間運(yùn)行后，易發(fā)生滲漏情況。通過增加1道密封圈，由O型圈改成V型密封圈或Y型密封圈，閥軸軸頭外圈增加1道防塵圈，防止外界雜質(zhì)進(jìn)入閥軸內(nèi)部。

4結(jié)語

（1）蝶閥本體及其附件采用上述材料，以及通過對閥軸軸頭、接力器等內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，蝶閥工作密封、閥軸密封件、接力器密封等密封效果提高，耐磨性、抗銹蝕性能增強(qiáng)，整體結(jié)構(gòu)得到改善。（2）鎖定裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，蝶閥避免了誤操作開關(guān)，鎖桿能有效地起到鎖住作用，消除了因鎖定裝置無法鎖住蝶閥關(guān)閉狀態(tài)帶來的危害。（3）通過對水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)水蝶閥的現(xiàn)狀進(jìn)行分析、研究，并結(jié)合實(shí)例經(jīng)驗(yàn)，選用合適的原材料，改良其結(jié)構(gòu)形式，提高設(shè)備裝置性能，有效解決水電站蝶閥存在的共性問題，提升了水輪發(fā)電機(jī)組安全、可靠性，提高了企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營效益，同時，有效避免了發(fā)電設(shè)備存在的安全隱患，對今后水電站水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)水蝶閥的改造具有一定的借鑒和指導(dǎo)意義。

作者:邱雄挺 單位:浙江浙能華光潭水力發(fā)電有限公司