水輪機進水液控球閥

為了保證水輪機安全和可靠的運行，水輪機的入水口處均裝設有進水球閥，用于發(fā)電機組檢修或機組調節(jié)系統(tǒng)失靈時的斷流保護。由于水輪機運行的特殊要求，通用系列球閥在水電站的運行中不能滿足工況系統(tǒng)的使用要求，導致機組無法運行的現(xiàn)象也時有發(fā)生。為了確保水輪機組能平穩(wěn)、可靠的運行，在消化吸技術的基礎上，采用全新的設計理念，研制開發(fā)出新型水輪機進水球閥。
一、水輪機進水球閥工作原理
     新型水輪機進水球閥（圖1）采用液壓驅動開啟，依靠重錘勢能實現(xiàn)關閉，其動作為開閥、鎖定和關閥（開關型）。
     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，帶動啟閉件（球體）作90°旋轉。與此同時，液控站和舉升油缸的作用力也通過搖臂將重錘垂直提升，將重錘的重力轉換為勢能，為關閥作好動力準備。
     2、鎖定可分為手動機械鎖定和自動機械鎖定。手動機械鎖定相對比較簡單，在調節(jié)閥開啟到位后，直接把鎖定銷投入或拔出。同時，設有手動鎖定投入或撥出信號指示裝置。手動鎖定裝置可以承受液壓接力器的操作壓力，避免閥門誤動作。自動機械鎖定機構由傳動油缸、機械鎖定軸、電磁鎖定軸和電磁鐵等零件組成，具有機械電磁聯(lián)合鎖定功能。當閥門全開后，先由傳動油缸的作用力驅動機械鎖定軸投入到鎖定位置進行初鎖，再由電磁鐵的電磁力驅動電磁鎖定軸進行終鎖，其鎖定過程在一系列行程開關的作用下，*自動進行。重錘的勢能*由機械鎖定軸承受，機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，電磁鎖定軸和機械鎖定軸能夠實現(xiàn)安全控制，即使重錘過重或閥門長時間開啟，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)），其間無需采取補油或補壓等措施。
    3、關閥自動機械鎖定機構的關閥有3種情況，即人為關閥、水泵（或閥門）自身故障失電關閥和外線失電關閥。不管哪種情況關閥，只須讓電磁鐵失電即可按預定程序自動關閉，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，機械鎖定軸在失去電磁鎖定軸的約束后也即刻開鎖，此時重錘的勢能立即將重錘、搖臂和閥軸等零件帶動關閉件按照預先調定的快關、緩沖和慢關程序作關閉運動，完成關閥動作循環(huán)。在閥門的關閉過程中，必須排除舉升油缸下腔的油液，據此，采取控制并調節(jié)舉升油缸排油速度的方法，能有效地對閥門的關閉速度進行控制。閥門的關閉過程分為快關、緩沖和慢關3個程序，其快關時間、慢關時間、快關角度及慢關角度都可以根據工況系統(tǒng)的需要進行調節(jié)，能有效的防止管道內發(fā)生水錘。
     開閥前，可先打開內部平衡閥門前后壓差機構，其信號可以傳送到主控室。閥門在開啟狀態(tài)下，液控裝置系統(tǒng)有自動保壓和手動鎖定雙重保護，同時設有位置信號指示裝置以及手動鎖定投入或撥出信號指示裝置。電氣控制可根據用戶需要實行普通控制或PLC控制，實現(xiàn)泵閥聯(lián)動，并可實現(xiàn)遠程控制及與計算機聯(lián)控。而且，一個液壓站可以同時對多臺進水球閥進行調控。

二、水輪機進水球閥主要參數
     該系列閥門的主要參數：
     壓力（MPa）：2.942～9.807
     升壓壓力（MPa）：3.923～12.258
     公稱直徑（mm）：DN400～2400
     閥門開啟時間（s）：30～120
     閥門關閉時間（s）：30～120
     接力器形式：直缸搖擺式
     該系列產品的外形尺寸和具體技術參數，可根據發(fā)電機組不同的工況要求進行具體設計。
三、水輪機進水液控球閥結構特性
     1、液壓驅動控制
     新型水輪機進水球閥采用了液壓接力器開啟、依靠重錘勢能關閉的驅動操作結構，與國內通用進水球閥相比，是比較合理和經濟的一種選擇。目前國內通用進水球閥大部分采用的是氣動或液動開啟和關閉閥門，這種選擇與進水球閥的密封結構是相互關聯(lián)的。新型水輪機進水球閥采用閥桿臥式結構設計，單閥座偏心密封結構，閥門流道采用全通徑形式，流阻系數小。其操作控制部分采用液壓接力器及重錘式結構，與液控蝶閥控制部分的技術相類似，屬節(jié)能型產品。
     2、水輪機進水液控球閥閥體
     新型水輪機進水液控球閥的承壓件全部采用鍛造設計結構，其優(yōu)點是材料具有緊密均質的纖維狀結構，強度高，韌性好，安全可靠性高，表面質量好。閥門采用三片式，閥體、閥蓋和（側）法蘭之間直接采用螺栓連接，O形圈密封，結構簡單、緊湊，結構長度短于標準規(guī)定的相同規(guī)格類型（例如：DN600PN50閥門結構長度設計為920mm，而JB/T9576規(guī)定的同規(guī)格型號長度為1034mm。DN800PN50閥門結構長度設計為1220mm，JB/T9576規(guī)定的同規(guī)格型號長度為1340mm）。有些規(guī)格的閥門質量比標準規(guī)定（JB/T9576標準中的閥門多為鑄造結構）的還要輕。球體支撐采用內置于閥體內的上下支撐板結構，球體兩軸端設有自潤滑軸襯和軸套，摩擦系數小。閥桿采用臥式結構，閥桿密封采用U形填料和O形圈組合密封設計，因此，閥門操作扭矩相對較小，開啟輕便。
     另外，目前國內進水球閥大多采用鑄造結構，內部表面形狀復雜，閥門的內部防腐處理工藝復雜且效果不佳。閥門鍛件內部表面都是通過機加工獲得的，表面質量比較好，所以，防腐措施和防腐效果都比較理想。
     3、水輪機進水液控球閥閥座
     新型水輪機進水球閥采用單閥座偏心密封結構，即在閥門出口端設置閥座密封結構，進口端不設置閥座。閥桿的回轉中心與流道中心（水平和垂直方向）偏置一定的距離。其優(yōu)點主要表現(xiàn)在：單閥座密封結構設計簡單、經濟，閥門開啟后關閉件（球體）能迅速脫離閥座密封面，能大幅度地消除關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。閥門在關閉時，由于閥座采用浮動式結構設計，關閉件推動閥座在流道方向上做少量位移，關閉件關到位后，在彈簧預緊力和介質力的作用下，關閉件與閥座密封面緊密接觸，達到密封效果。
     由于工況介質多為含有泥沙的水，國內通用進水球閥存在泥沙淤積閥座問題（進水球閥多數為雙閥座結構，可能是泥沙淤積閥座的根源），閥門關閉時閥座密封面損壞和泄漏的現(xiàn)象時有發(fā)生。新型水輪機進水球閥采用單閥座偏心密封結構，閥門關閉初始，閥座密封面與關閉件無任何接觸，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、閥門關閉限位
     為防止新型水輪機進水球閥關閉時過位，影響閥門的密封效果，設計時在閥門內部關閉方向上設置了限過位結構。在閥門關閉時，關閉件與閥座密封面*吻合并同時與限位件接觸，從而確保閥門的密封效果。而國內通用進水球閥的限位放置在閥門外部，調試時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、內壓平衡壓差裝置
     通用進水球閥通常在進出口上下游管道上設置有旁路裝置，其目的在于開啟閥門前，使閥門進、出口端的壓力平衡，減小閥門的開啟力矩。目前國內的進水球閥大部分是采用這種外置旁通結構。這種結構安裝空間大，安裝、運輸麻煩，控制元件多，制造成本增加。
     新型水輪機進水球閥采用內部平衡閥門進、出口壓差結構（此結構設置在球體上）。閥門處于關閉狀態(tài)時，在閥門管道進口端介質壓力P₀和彈簧預緊力的作用下（一般情況下，進口端壓力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，液壓泵輸出壓力P₁，通過設置在閥桿內部的輸送管道和設在球體內部的管道相通，帶壓介質進入內部平衡壓差機構。當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，密封環(huán)脫離密封座，開始泄壓，直至P₀等于P₂。這時，壓力反饋信號傳給主控系統(tǒng)，閥門開啟。
     這種內部平衡閥門進、出口端壓差結構，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，減小了安裝空間，調試方便，降低了制造成本。
     6、清洗閥腔
     由于進水球閥主要用于輸送含泥沙的水，閥門使用后，閥腔內容易淤積泥沙，影響閥門的使用。新型水輪機進水球閥在閥體的上下端設置了清洗和排污口，通過清洗口可以定期或不定期用高壓水對閥腔內進行清洗，污水由排污口排出閥體外。
四、結論
    目前，國內外水輪機進水球閥的結構形式多種多樣，功能也不盡相同。根據工況系統(tǒng)的特殊要求，新型水輪機進水球閥采用了全新的設計理念，使進水球閥的總體結構更為合理、性能更加，降低了制造成本、提高了進水球閥的技術性能和經濟效益，為工況系統(tǒng)的調試、運行和檢修提供了可靠的保證。