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)隔斷上庫水源和發(fā)生事故時(shí)及時(shí)截?cái)嗨鞯淖饔谩?/p>

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)投退而伸長或縮短,從而與限位指示開關(guān)接觸,便于監(jiān)測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   下載原圖

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。

形式:臥式球閥

進(jìn)口及出口直徑:?3 050 mm

**凈水頭:348.4 m

設(shè)計(jì)壓力:4.66 MPa

試驗(yàn)壓力:6.99 MPa

**流量:111.04 m3/s

接力器直徑:?1～?670 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:?300 mm

空氣閥直徑:?200 mm

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?10 mm擴(kuò)孔至?15 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。現(xiàn)場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。現(xiàn)場初步分析認(rèn)為壓力異常是接力器關(guān)閉腔有空氣造成,但對關(guān)閉腔排氣后情況依然沒有好轉(zhuǎn)。

圖2為現(xiàn)場錄制的球閥開啟、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。可以看出,**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(?10 mm)時(shí)現(xiàn)場錄制的接力器開啟“行程-壓力”曲線。

圖2 行程-壓力曲線圖(緩沖異常)   下載原圖

圖3 行程-壓力曲線圖(節(jié)流孔板未鉆孔前)   下載原圖

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)場經(jīng)驗(yàn),考慮為球閥接力器結(jié)構(gòu)問題。

現(xiàn)場將接力器與球閥轉(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)   下載原圖

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?286.2H8 mm,進(jìn)入緩沖區(qū)的活塞桿尺寸為?286f8 mm,活塞桿與緩沖環(huán)為基孔制的間隙配合,間隙**為單邊0.21 mm,間隙*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,對活塞桿及緩沖環(huán)尺寸進(jìn)行了反復(fù)測量,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。

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?286.2H8 mm擴(kuò)大至?286.9H8 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,**壓力峰值為6.62 MPa且*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,**壓力峰值為7.5 MPa且*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)   下載原圖

(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。