水輪機(jī)進(jìn)水液控球閥

為了保證水輪機(jī)安全和可靠的運(yùn)行，水輪機(jī)的入水口處均裝設(shè)有進(jìn)水球閥，用于發(fā)電機(jī)組檢修或機(jī)組調(diào)節(jié)系統(tǒng)失靈時(shí)的斷流保護(hù)。由于水輪機(jī)運(yùn)行的特殊要求，通用系列球閥在水電站的運(yùn)行中不能滿足工況系統(tǒng)的使用要求，導(dǎo)致機(jī)組無法運(yùn)行的現(xiàn)象也時(shí)有發(fā)生。為了確保水輪機(jī)組能平穩(wěn)、可靠的運(yùn)行，在消化吸技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用全新的設(shè)計(jì)理念，研制開發(fā)出新型水輪機(jī)進(jìn)水球閥。
一、水輪機(jī)進(jìn)水球閥工作原理
     新型水輪機(jī)進(jìn)水球閥（圖1）采用液壓驅(qū)動(dòng)開啟，依靠重錘勢能實(shí)現(xiàn)關(guān)閉，其動(dòng)作為開閥、鎖定和關(guān)閥（開關(guān)型）。
     1、開閥利用液控站和接力器舉升油缸的作用力，通過搖臂、重錘和閥桿等零件，帶動(dòng)啟閉件（球體）作90°旋轉(zhuǎn)。與此同時(shí)，液控站和舉升油缸的作用力也通過搖臂將重錘垂直提升，將重錘的重力轉(zhuǎn)換為勢能，為關(guān)閥作好動(dòng)力準(zhǔn)備。
     2、鎖定可分為手動(dòng)機(jī)械鎖定和自動(dòng)機(jī)械鎖定。手動(dòng)機(jī)械鎖定相對(duì)比較簡單，在調(diào)節(jié)閥開啟到位后，直接把鎖定銷投入或拔出。同時(shí)，設(shè)有手動(dòng)鎖定投入或撥出信號(hào)指示裝置。手動(dòng)鎖定裝置可以承受液壓接力器的操作壓力，避免閥門誤動(dòng)作。自動(dòng)機(jī)械鎖定機(jī)構(gòu)由傳動(dòng)油缸、機(jī)械鎖定軸、電磁鎖定軸和電磁鐵等零件組成，具有機(jī)械電磁聯(lián)合鎖定功能。當(dāng)閥門全開后，先由傳動(dòng)油缸的作用力驅(qū)動(dòng)機(jī)械鎖定軸投入到鎖定位置進(jìn)行初鎖，再由電磁鐵的電磁力驅(qū)動(dòng)電磁鎖定軸進(jìn)行終鎖，其鎖定過程在一系列行程開關(guān)的作用下，*自動(dòng)進(jìn)行。重錘的勢能*由機(jī)械鎖定軸承受，機(jī)械鎖定軸的退出受到電磁鎖定軸的約束，而電磁鎖定軸的退出則受到電磁鐵的電磁力控制。在電磁鐵不失電的條件下，電磁鎖定軸和機(jī)械鎖定軸能夠?qū)崿F(xiàn)安全控制，即使重錘過重或閥門長時(shí)間開啟，重錘（包括啟閉件）也始終保持在原位置，確保閥門開啟后始終處于全開狀態(tài)（最小流阻狀態(tài)），其間無需采取補(bǔ)油或補(bǔ)壓等措施。
    3、關(guān)閥自動(dòng)機(jī)械鎖定機(jī)構(gòu)的關(guān)閥有3種情況，即人為關(guān)閥、水泵（或閥門）自身故障失電關(guān)閥和外線失電關(guān)閥。不管哪種情況關(guān)閥，只須讓電磁鐵失電即可按預(yù)定程序自動(dòng)關(guān)閉，在電磁鐵失電瞬間，電磁力即刻同步消失。電磁鎖定軸一旦失去電磁力的作用則即刻開鎖，機(jī)械鎖定軸在失去電磁鎖定軸的約束后也即刻開鎖，此時(shí)重錘的勢能立即將重錘、搖臂和閥軸等零件帶動(dòng)關(guān)閉件按照預(yù)先調(diào)定的快關(guān)、緩沖和慢關(guān)程序作關(guān)閉運(yùn)動(dòng)，完成關(guān)閥動(dòng)作循環(huán)。在閥門的關(guān)閉過程中，必須排除舉升油缸下腔的油液，據(jù)此，采取控制并調(diào)節(jié)舉升油缸排油速度的方法，能有效地對(duì)閥門的關(guān)閉速度進(jìn)行控制。閥門的關(guān)閉過程分為快關(guān)、緩沖和慢關(guān)3個(gè)程序，其快關(guān)時(shí)間、慢關(guān)時(shí)間、快關(guān)角度及慢關(guān)角度都可以根據(jù)工況系統(tǒng)的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，能有效的防止管道內(nèi)發(fā)生水錘。
     開閥前，可先打開內(nèi)部平衡閥門前后壓差機(jī)構(gòu)，其信號(hào)可以傳送到主控室。閥門在開啟狀態(tài)下，液控裝置系統(tǒng)有自動(dòng)保壓和手動(dòng)鎖定雙重保護(hù)，同時(shí)設(shè)有位置信號(hào)指示裝置以及手動(dòng)鎖定投入或撥出信號(hào)指示裝置。電氣控制可根據(jù)用戶需要實(shí)行普通控制或PLC控制，實(shí)現(xiàn)泵閥聯(lián)動(dòng)，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制及與計(jì)算機(jī)聯(lián)控。而且，一個(gè)液壓站可以同時(shí)對(duì)多臺(tái)進(jìn)水球閥進(jìn)行調(diào)控。

二、水輪機(jī)進(jìn)水球閥主要參數(shù)
     該系列閥門的主要參數(shù)：
     壓力（MPa）：2.942～9.807
     升壓壓力（MPa）：3.923～12.258
     公稱直徑（mm）：DN400～2400
     閥門開啟時(shí)間（s）：30～120
     閥門關(guān)閉時(shí)間（s）：30～120
     接力器形式：直缸搖擺式
     該系列產(chǎn)品的外形尺寸和具體技術(shù)參數(shù)，可根據(jù)發(fā)電機(jī)組不同的工況要求進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。
三、水輪機(jī)進(jìn)水液控球閥結(jié)構(gòu)特性
     1、液壓驅(qū)動(dòng)控制
     新型水輪機(jī)進(jìn)水球閥采用了液壓接力器開啟、依靠重錘勢能關(guān)閉的驅(qū)動(dòng)操作結(jié)構(gòu)，與國內(nèi)通用進(jìn)水球閥相比，是比較合理和經(jīng)濟(jì)的一種選擇。目前國內(nèi)通用進(jìn)水球閥大部分采用的是氣動(dòng)或液動(dòng)開啟和關(guān)閉閥門，這種選擇與進(jìn)水球閥的密封結(jié)構(gòu)是相互關(guān)聯(lián)的。新型水輪機(jī)進(jìn)水球閥采用閥桿臥式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，單閥座偏心密封結(jié)構(gòu)，閥門流道采用全通徑形式，流阻系數(shù)小。其操作控制部分采用液壓接力器及重錘式結(jié)構(gòu)，與液控蝶閥控制部分的技術(shù)相類似，屬節(jié)能型產(chǎn)品。
     2、水輪機(jī)進(jìn)水液控球閥閥體
     新型水輪機(jī)進(jìn)水液控球閥的承壓件全部采用鍛造設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是材料具有緊密均質(zhì)的纖維狀結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度高，韌性好，安全可靠性高，表面質(zhì)量好。閥門采用三片式，閥體、閥蓋和（側(cè)）法蘭之間直接采用螺栓連接，O形圈密封，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，結(jié)構(gòu)長度短于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的相同規(guī)格類型（例如：DN600PN50閥門結(jié)構(gòu)長度設(shè)計(jì)為920mm，而JB/T9576規(guī)定的同規(guī)格型號(hào)長度為1034mm。DN800PN50閥門結(jié)構(gòu)長度設(shè)計(jì)為1220mm，JB/T9576規(guī)定的同規(guī)格型號(hào)長度為1340mm）。有些規(guī)格的閥門質(zhì)量比標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定（JB/T9576標(biāo)準(zhǔn)中的閥門多為鑄造結(jié)構(gòu)）的還要輕。球體支撐采用內(nèi)置于閥體內(nèi)的上下支撐板結(jié)構(gòu)，球體兩軸端設(shè)有自潤滑軸襯和軸套，摩擦系數(shù)小。閥桿采用臥式結(jié)構(gòu)，閥桿密封采用U形填料和O形圈組合密封設(shè)計(jì)，因此，閥門操作扭矩相對(duì)較小，開啟輕便。
     另外，目前國內(nèi)進(jìn)水球閥大多采用鑄造結(jié)構(gòu)，內(nèi)部表面形狀復(fù)雜，閥門的內(nèi)部防腐處理工藝復(fù)雜且效果不佳。閥門鍛件內(nèi)部表面都是通過機(jī)加工獲得的，表面質(zhì)量比較好，所以，防腐措施和防腐效果都比較理想。
     3、水輪機(jī)進(jìn)水液控球閥閥座
     新型水輪機(jī)進(jìn)水球閥采用單閥座偏心密封結(jié)構(gòu)，即在閥門出口端設(shè)置閥座密封結(jié)構(gòu)，進(jìn)口端不設(shè)置閥座。閥桿的回轉(zhuǎn)中心與流道中心（水平和垂直方向）偏置一定的距離。其優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)在：單閥座密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單、經(jīng)濟(jì)，閥門開啟后關(guān)閉件（球體）能迅速脫離閥座密封面，能大幅度地消除關(guān)閉件與閥座之間不必要的擠壓、刮擦現(xiàn)象，減輕了開啟力矩，降低了磨損，提高了閥座壽命。閥門在關(guān)閉時(shí)，由于閥座采用浮動(dòng)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，關(guān)閉件推動(dòng)閥座在流道方向上做少量位移，關(guān)閉件關(guān)到位后，在彈簧預(yù)緊力和介質(zhì)力的作用下，關(guān)閉件與閥座密封面緊密接觸，達(dá)到密封效果。
     由于工況介質(zhì)多為含有泥沙的水，國內(nèi)通用進(jìn)水球閥存在泥沙淤積閥座問題（進(jìn)水球閥多數(shù)為雙閥座結(jié)構(gòu)，可能是泥沙淤積閥座的根源），閥門關(guān)閉時(shí)閥座密封面損壞和泄漏的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。新型水輪機(jī)進(jìn)水球閥采用單閥座偏心密封結(jié)構(gòu)，閥門關(guān)閉初始，閥座密封面與關(guān)閉件無任何接觸，隨著過流面積的變小，流速增大，淤積于閥座的泥沙大部分被介質(zhì)沖刷帶走。另外，閥座密封面采用非金屬與金屬材料組合的密封形式，起摩擦作用，能有效的解決泥沙淤積而造成的密封面損壞和泄漏問題。
     4、閥門關(guān)閉限位
     為防止新型水輪機(jī)進(jìn)水球閥關(guān)閉時(shí)過位，影響閥門的密封效果，設(shè)計(jì)時(shí)在閥門內(nèi)部關(guān)閉方向上設(shè)置了限過位結(jié)構(gòu)。在閥門關(guān)閉時(shí)，關(guān)閉件與閥座密封面*吻合并同時(shí)與限位件接觸，從而確保閥門的密封效果。而國內(nèi)通用進(jìn)水球閥的限位放置在閥門外部，調(diào)試時(shí)很難將閥座密封位置和限位位置一致，以致影響閥門的密封。
     5、內(nèi)壓平衡壓差裝置
     通用進(jìn)水球閥通常在進(jìn)出口上下游管道上設(shè)置有旁路裝置，其目的在于開啟閥門前，使閥門進(jìn)、出口端的壓力平衡，減小閥門的開啟力矩。目前國內(nèi)的進(jìn)水球閥大部分是采用這種外置旁通結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)安裝空間大，安裝、運(yùn)輸麻煩，控制元件多，制造成本增加。
     新型水輪機(jī)進(jìn)水球閥采用內(nèi)部平衡閥門進(jìn)、出口壓差結(jié)構(gòu)（此結(jié)構(gòu)設(shè)置在球體上）。閥門處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，在閥門管道進(jìn)口端介質(zhì)壓力P₀和彈簧預(yù)緊力的作用下（一般情況下，進(jìn)口端壓力P₀大于出口端壓力P₂），密封環(huán)和密封座之間處于密封狀態(tài)。閥門開啟前，控制系統(tǒng)輸出信號(hào)，液壓泵輸出壓力P₁，通過設(shè)置在閥桿內(nèi)部的輸送管道和設(shè)在球體內(nèi)部的管道相通，帶壓介質(zhì)進(jìn)入內(nèi)部平衡壓差機(jī)構(gòu)。當(dāng)P₁作用在密封環(huán)上的力大于P₀和彈簧作用在密封環(huán)的力時(shí)，密封環(huán)脫離密封座，開始泄壓，直至P₀等于P₂。這時(shí)，壓力反饋信號(hào)傳給主控系統(tǒng)，閥門開啟。
     這種內(nèi)部平衡閥門進(jìn)、出口端壓差結(jié)構(gòu)，其功能不僅可以替代原有的外置旁路裝置的作用，而且，減少了閥門的泄漏點(diǎn)，減小了安裝空間，調(diào)試方便，降低了制造成本。
     6、清洗閥腔
     由于進(jìn)水球閥主要用于輸送含泥沙的水，閥門使用后，閥腔內(nèi)容易淤積泥沙，影響閥門的使用。新型水輪機(jī)進(jìn)水球閥在閥體的上下端設(shè)置了清洗和排污口，通過清洗口可以定期或不定期用高壓水對(duì)閥腔內(nèi)進(jìn)行清洗，污水由排污口排出閥體外。
四、結(jié)論
    目前，國內(nèi)外水輪機(jī)進(jìn)水球閥的結(jié)構(gòu)形式多種多樣，功能也不盡相同。根據(jù)工況系統(tǒng)的特殊要求，新型水輪機(jī)進(jìn)水球閥采用了全新的設(shè)計(jì)理念，使進(jìn)水球閥的總體結(jié)構(gòu)更為合理、性能更加，降低了制造成本、提高了進(jìn)水球閥的技術(shù)性能和經(jīng)濟(jì)效益，為工況系統(tǒng)的調(diào)試、運(yùn)行和檢修提供了可靠的保證。