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深圳抽水蓄能電站球閥結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)工藝分析

文檔作者：楊昭，顧志堅(jiān)，陳泓宇文檔來(lái)源：中國(guó)南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司深圳蓄能發(fā)電有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2025年06月03日
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第4l卷第2期
32 2018年2月
水電站機(jī)電技術(shù)
Mechanical＆Electrical Technique of Hydropower Station
V01．41 No．2
Feb．20l 8
深圳抽水蓄能電站球閥結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)工藝分析
楊昭，顧志堅(jiān)，陳泓宇
(中國(guó)南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司深圳蓄能發(fā)電有限公司，廣東深圳5181 15)
摘要：進(jìn)水球閥作為抽水蓄能電站重要的組成部分，直接影響到機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。本文系統(tǒng)介紹了深圳抽水
蓄能電站進(jìn)水閥的各部位結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、試驗(yàn)所出問(wèn)題及改進(jìn)意見(jiàn)，同時(shí)將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算分析，進(jìn)行歸納總結(jié)，
對(duì)國(guó)產(chǎn)進(jìn)水球閥設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)收有一定的借鑒意義。
關(guān)鍵詞：進(jìn)水球閻；結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；改進(jìn)；數(shù)據(jù)；有限元分析
中圖分類號(hào)：TK730．47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1672—5387(2018)02-0032-05
DOI：10．13599tj．cnki．11-5130．2018．02．011
0前言2球閥主要部件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)
深圳抽水蓄能電站位于深圳市東北部的鹽田區(qū)
和龍崗區(qū)內(nèi)，距深圳市中心約20 km，是一座日調(diào)節(jié)
的純抽水蓄能電站。電站的總裝機(jī)容量l 200 MW，
平均水頭448．30 In，設(shè)4臺(tái)立式單級(jí)混流可逆式水
泵水輪機(jī)一發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，單機(jī)容量(發(fā)電工況)300
MW。樞紐工程由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、地下廠
房洞室群及開(kāi)關(guān)站等部分組成。輸水系統(tǒng)為一管四
機(jī)，每臺(tái)機(jī)組蝸殼進(jìn)水口前設(shè)置l臺(tái)球閥。1臺(tái)機(jī)組
檢修，不影響其他機(jī)組正常運(yùn)行。
深蓄電站4臺(tái)球閥由安德里茨設(shè)計(jì)，其中2號(hào)、
4號(hào)由東方電機(jī)生產(chǎn)供貨，l號(hào)、3號(hào)由安德里茨生
產(chǎn)供貨，并對(duì)安裝調(diào)試質(zhì)量負(fù)責(zé)。安裝由葛洲壩集團(tuán)
機(jī)電建設(shè)公司完成。由于抽水蓄能電站的特殊性，機(jī)
組高水頭、球閥啟停頻繁，要求球閥既要有良好的密
封效果，又要開(kāi)關(guān)穩(wěn)定、可靠、迅速，因此有必要對(duì)其
結(jié)構(gòu)裝配及試驗(yàn)等進(jìn)行深入分析。
1球閥的主要設(shè)計(jì)參數(shù)
直徑：①2 300nlin
設(shè)計(jì)壓力7．06MPa
接力器活塞直徑：中480 mm
接力器操作方式：水壓操作
接力器數(shù)量：2
開(kāi)啟時(shí)間：40—80 S可調(diào)
關(guān)閉時(shí)間：40—80 S可調(diào)
球閥安裝在引水管下游端的電站廠房?jī)?nèi)，球閥
上游側(cè)設(shè)有一個(gè)進(jìn)水接管，進(jìn)水接管通過(guò)兩節(jié)湊合
節(jié)與引水壓力鋼管相連，采用焊接方式相連。下游側(cè)
通過(guò)伸縮節(jié)與蝸殼延伸管相連。
球閥本體由整體的閥體(由分半的左閥體、右閥體
鑄件焊接為一體)、活門、自潤(rùn)滑軸承及檢修密封、工作
密封、2個(gè)q口480搖擺式接力器等零部件組成。附屬設(shè)
備有上游連接管、下游伸縮節(jié)、球閥充水平壓用的旁通
閥系統(tǒng)、壓力鋼管排水管路等結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1：
醚
收稿日期：2017-06-09
作者簡(jiǎn)介：楊昭(1990一)，男，助理工程師，從事抽水蓄能電站機(jī)
電設(shè)備安裝和檢修工作。
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第2期楊昭，等：深圳抽水蓄能電站球閥結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)工藝分析33
2．1閥體
閥體采用沿水流方向垂直分半整鑄而成，材料
為鑄鋼20SiMn。在活門裝入兩半閥體后，用窄縫焊
將分半閥體焊為整體，提高了閥體強(qiáng)度。閥體和活門
可以進(jìn)行同加工，保證了活門上密封環(huán)安裝面和閥
體上止漏環(huán)的接觸面位置準(zhǔn)確，具有可靠的密封性
能。這種結(jié)構(gòu)使閥體剛性更好，省略了分半結(jié)構(gòu)閥體
中間的分半面法蘭，減少了分半面處大量的加工工
序，減輕了重量，節(jié)約了加工成本。同時(shí)使周圈密封
加工方便，加工公差易于保證，密封效果好。
2．2活門
活門采用鑄鋼20SiMn整體鑄造，過(guò)流通徑與壓
力鋼管相同，并經(jīng)機(jī)加工，以減小通過(guò)球閥的水頭損
失。左右閥軸與活門鑄造為一體，提高了活門強(qiáng)度。
閥軸和活門不再須用螺栓把合，兩閥軸支承中心的
距離明顯減小，由上游推力產(chǎn)生的作用在閥軸上的
彎矩也相應(yīng)減小，從而改善了閥軸的受力狀況?；铋T
支撐采用DEVA自潤(rùn)滑軸承，閥軸與軸承和軸端密
封貼合的表面有不銹鋼襯套。
2．3球閥密封
主密封包括上游側(cè)檢修密封與下游側(cè)工作密
封，由一個(gè)T型活動(dòng)密封環(huán)和一個(gè)固定密封座組成。
活動(dòng)密封環(huán)和固定密封座的密封表面采用數(shù)控加
工，保證了密封面形狀，并且閥體和活門上的密封環(huán)
安裝面采用同加工，保證了同軸度。閥體上與活動(dòng)密
封環(huán)相接觸的表面堆焊不銹鋼層，使工作密封更加
可靠，提高了密封性能。密封環(huán)采用壓力鋼管中的水
作為操作介質(zhì)，為了顯示密封環(huán)的工作情況，安裝有
檢測(cè)密封環(huán)投人情況的行程開(kāi)關(guān)。
相比惠蓄、廣蓄A(yù)廠等電站采用的D型密封，
雖然D型密封于安裝槽完全貼合，具備幾何尺寸的
穩(wěn)定性，有抵抗扭矩的能力，但同時(shí)D型密封結(jié)構(gòu)存
在磨損量小的缺陷(D型底部撐滿了密封槽，無(wú)壓縮
空間)，D型頭部的過(guò)盈量磨損消耗后，即會(huì)產(chǎn)生滲
漏，因此在深蓄電站密封圈的選型上采用組合密封
結(jié)構(gòu)，由一個(gè)抗磨的聚氨酯環(huán)和O形圈組成。同時(shí)O
形圈提供預(yù)緊力，使組合密封具有很大的伸縮性，當(dāng)
閥體與密封環(huán)由于受力變形，密封間隙變大時(shí)，能起
到很好的補(bǔ)償作用，保證了密封性能。見(jiàn)圖2。
根據(jù)要求，檢修密封還具有投入腔失壓后的防
開(kāi)啟自鎖功能，以及在下游側(cè)無(wú)壓狀態(tài)、退出腔建壓
后的防開(kāi)啟自鎖功能。因此相比同類球閥如仙游機(jī)
組球形閥，檢修密封取消了機(jī)械鎖定，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。
檢修密封環(huán)同樣采用上游壓力鋼管中的水作為操作
介質(zhì)，手動(dòng)操作見(jiàn)圖3一
圖2組合密封結(jié)構(gòu)示意圖
I冬】3 f令f唔鐳}圭t結(jié)f勾l冬1
2．4軸承及其密封裝置
軸承及其密封裝置由自潤(rùn)滑軸瓦、鋼套、U形密
封圈、壓墊蓋等零部件組成。自潤(rùn)滑軸瓦采用德國(guó)
DEVA公司的BM型軸瓦，具有良好的自潤(rùn)滑性能，
摩擦系數(shù)低，抗壓強(qiáng)度高。軸承共采用兩道密封，內(nèi)
側(cè)密封主要是防止泥沙污物進(jìn)入軸承摩擦表面，但
水能透過(guò)該道密封而進(jìn)人軸承表面對(duì)軸承起潤(rùn)滑作
用。這樣可確保軸承的潤(rùn)滑水是清潔的，防止損壞軸
承。主要的封水密封位于軸承的外側(cè)，采用進(jìn)口的U
形聚氨酯密封圈，能確保閥軸上無(wú)泄漏。在不排空壓
力鋼管，檢修密封投入的情況下，可以更換軸承密
封。
2．5球閥操作機(jī)構(gòu)
操作機(jī)構(gòu)接力器的直徑為(I)480 mln，行程為
1 390 mill，直缸搖擺式結(jié)構(gòu)，額定操作水壓為16 MPa，
雙接力器操作。除去臂柄、支座等連接件，接力器主
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
水電站機(jī)電技術(shù)第41卷
體全英國(guó)進(jìn)口。接力器的活塞桿通過(guò)臂柄與活門軸
相連接，接力器的下端蓋與支座之間用銷軸鉸鏈連
接，可自由擺動(dòng)。接力器操作力通過(guò)基礎(chǔ)板及地腳螺
栓傳遞給混凝土基礎(chǔ)。
2．6旁通管路
深蓄電站進(jìn)水閥同惠蓄、清蓄相比一個(gè)重要特
點(diǎn)就是有旁通閥。旁通管路自進(jìn)水接管跨閥體連接
到下游伸縮節(jié)上，由兩個(gè)①250液壓操作針形閥組
成。球閥開(kāi)啟前，需先通過(guò)旁通管路來(lái)平衡閥門前后
壓差。上游針形閥為檢修閥門，處于常開(kāi)狀態(tài)，當(dāng)下
游側(cè)T作針形閥需要檢修時(shí)Z-閉見(jiàn)圖4
㈦4旁通甲}路結(jié)i構(gòu)罔
進(jìn)水閥正常開(kāi)關(guān)：在上游側(cè)檢修密封處于全開(kāi)
位置時(shí)，打開(kāi)旁通閥，向蝸殼充水，使活門前、后水壓
趨于平衡(活門前、后壓差不大于30％)，然后打開(kāi)
下游工作密封，最后開(kāi)啟活門?；铋T全開(kāi)后，關(guān)閉旁
通閥。正常關(guān)閉時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉水輪機(jī)導(dǎo)葉，再轉(zhuǎn)動(dòng)活
門。當(dāng)活門到全關(guān)位置時(shí)，關(guān)閉工作密封。
3驗(yàn)收試驗(yàn)問(wèn)題情況及改進(jìn)意見(jiàn)
為了檢驗(yàn)球閥相關(guān)零部件設(shè)計(jì)的合理性和加工
質(zhì)量，保證球閥工地安裝的順利進(jìn)行，在球閥總裝完
成后出廠之前進(jìn)行球閥裝配試驗(yàn)出廠驗(yàn)收。
驗(yàn)收現(xiàn)場(chǎng)球閥裝配試驗(yàn)工裝設(shè)施基本完善，進(jìn)
水接管、中間環(huán)、密封環(huán)、止漏環(huán)、伸縮節(jié)、閥體和活
門等呈整體裝配狀態(tài)。見(jiàn)證項(xiàng)目為整體壓力試驗(yàn)、工
作密封漏水試驗(yàn)、檢修密封漏水試驗(yàn)、檢修密封自鎖
功能試驗(yàn)、止漏環(huán)動(dòng)作及行程試驗(yàn)、活門動(dòng)作試驗(yàn)、
止漏環(huán)和密封環(huán)硬度測(cè)量、部分裝配尺寸等。
3．1深蓄1號(hào)球閥驗(yàn)收情況
2016年11月2日，根據(jù)驗(yàn)收檢查記錄卡試驗(yàn)
操作流程在安德里茨裝配車間進(jìn)行l(wèi)號(hào)機(jī)球閥整體
壓力試驗(yàn)，當(dāng)壓力升高至3．5 MPa，打開(kāi)連通工作密
封和閥體內(nèi)腔的閥門時(shí)，在工作密封9點(diǎn)一10點(diǎn)之
間位置處出現(xiàn)泄漏，狀態(tài)為多點(diǎn)流態(tài)溢出。安德里茨
分析原因?yàn)槠綁翰僮鞑划?dāng)所致，緊急將工作密封投
入腔升壓至約5．5 MPa后泄漏狀態(tài)為滴水狀，繼續(xù)
升壓至10．6 MPa壓力。鑒于整體壓力試驗(yàn)過(guò)程中出
現(xiàn)多點(diǎn)流態(tài)溢出泄漏，為檢查密封面情況，2016年
11月3日完成球閥排水后，轉(zhuǎn)動(dòng)活門檢查密封面，
主要情況如下：
1)在工作密封3點(diǎn)鐘、9點(diǎn)鐘附近發(fā)現(xiàn)有相對(duì)
位移引起的擦痕，8點(diǎn)鐘位置附近有多處超出密封
嚙合線寬度擦壓痕跡，見(jiàn)圖5；
2)閥體內(nèi)清潔度差，內(nèi)部有鐵屑等異物，見(jiàn)圖6。
羽5超出密封嚙合線擦壓痕跡
斟6蚓俸內(nèi)鄙清潔情況
3．2原因分析
擦痕及漏水產(chǎn)生的原因如下：
1)泄露試驗(yàn)要求通過(guò)泵與閥體及止漏環(huán)的投入
腔和退出腔接通升壓，模擬現(xiàn)場(chǎng)工況。但此升壓過(guò)程
在實(shí)際運(yùn)行操作時(shí)是不存在的。首先應(yīng)在止漏環(huán)投
入腔加壓，保證閥體充水不泄露，然后當(dāng)閥體充滿水
時(shí)，給閥體加壓，當(dāng)閥體打壓升壓至與止漏環(huán)投入腔
平壓狀態(tài)過(guò)程中，止漏環(huán)投人腔壓力會(huì)迅速上升，需
通過(guò)泄壓閥控制，如通過(guò)手動(dòng)控制，壓降速度與幅度
成非線性的變化，結(jié)合升壓與降壓的過(guò)程，止漏環(huán)與
固定密封環(huán)在嚙合的情況下會(huì)在上下游方向反復(fù)運(yùn)
動(dòng)，易造成劃傷。一旦產(chǎn)生泄露，閥體與止漏環(huán)同時(shí)
泄壓，平壓破壞，惡性循環(huán)。但在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，不
會(huì)因?yàn)樾孤抖霈F(xiàn)閥體與止漏環(huán)同時(shí)失壓的狀態(tài)。
2)試驗(yàn)進(jìn)水孔在底部，止漏環(huán)整圈壓力不均勻。
3)閥體內(nèi)部清潔不到位。
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第2期楊昭，等：深圳抽水蓄能電站球閥結(jié)構(gòu)及試驗(yàn)工藝分析35
4)壓力泵內(nèi)部未清理。
3．3處理及改進(jìn)意見(jiàn)
1)更換處理后的固定密封環(huán)，重新試驗(yàn)。
2)增加新的齒輪泵。接止漏環(huán)投入腔和退出腔。
保證止漏環(huán)壓力穩(wěn)定。
3)增加止漏環(huán)投入腔注水點(diǎn)。
4)采用兩套泵，分別對(duì)閥體和止漏環(huán)投入腔加
壓，保證壓力上升平穩(wěn)。
5)徹底清理閥體內(nèi)部。
4試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算分析
自2016年10月份至2017年1月份，在安德里
茨裝配車間分別完成了深蓄球閥1號(hào)和3號(hào)球閥的
工廠驗(yàn)收試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，測(cè)量活門沿下游方向
的變形相比于單獨(dú)的活門的有限元結(jié)果基本吻合，
對(duì)深蓄球閥閥體和活門整體進(jìn)行了有限元計(jì)算，針
對(duì)變形的問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的分析。
4．1試驗(yàn)、單獨(dú)活門有限元計(jì)算和閥體與活門整體
有限元計(jì)算的簡(jiǎn)述
(1)球閥工廠驗(yàn)收試驗(yàn)放置狀態(tài)：水平放置在支
撐上，投入轉(zhuǎn)臂上的鎖錠銷。
(2)單獨(dú)活門有限元計(jì)算：由于水壓力引起的活
門力通過(guò)軸套傳遞到軸承中心點(diǎn)。在中心點(diǎn)施加位
移約束h=晰=0．見(jiàn)圖7
(3)閥體與活門整體有限元計(jì)算：考慮活門與推
力軸承之間0．4 m／n的間隙。其余邊界條件依據(jù)(1)
試驗(yàn)，閥體與活門整體有限元計(jì)算見(jiàn)圖8．
圖8閃體與活j。J整浴有限兒iI。算
其中閥體與活門整體有限元計(jì)算工況：一是閥
體與活門與水接觸的表面施加7．06 MPa的壓力，同
時(shí)考慮靜水壓力；二是閥體與活門的重量；三是工作
密封投入腔的閥體表面施加8．5 MPa壓力，同時(shí)考
慮工作密封投入腔壓力8．5 MPa時(shí)，工作密封作用
于活門的力。
4．2計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較分析
將試驗(yàn)數(shù)據(jù)同有限元計(jì)算作比較，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)
表1。
表1試驗(yàn)數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比表單位：lnnl
(下轉(zhuǎn)第55頁(yè))
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
第2期王宏兵，等：多泥沙水電站技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究55
式，在循環(huán)供水系統(tǒng)熱交換器檢修、維護(hù)時(shí)投入運(yùn)
行，兩條供水回路互為備用，汛期應(yīng)盡量避免在水泵
供水方式下運(yùn)行；頂蓋取水方式若經(jīng)試驗(yàn)?zāi)軡M足機(jī)
組技術(shù)供水的要求，則枯期以頂蓋取水方式為主，循
環(huán)供水為備用，汛期以循環(huán)供水為主，水泵供水為備
用。頂蓋取水供水方式以轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)密封處的漏
水作為機(jī)組技術(shù)供水，在水壓、水量滿足要求的前提
下，水質(zhì)好、水壓穩(wěn)定，機(jī)組運(yùn)行即可得到可靠的水
源，不需要外加泵及過(guò)濾裝置，不消耗任何能源，長(zhǎng)
期運(yùn)行節(jié)能效益明顯；但是頂蓋取水方式受到密封
間隙、機(jī)組運(yùn)行工況等諸多因素的影響，較難從設(shè)計(jì)
上保證頂蓋取水方式一直都滿足機(jī)組技術(shù)供水對(duì)水
壓、水量的要求，因此不建議以頂蓋取水作為機(jī)組技
術(shù)供水的唯一方式。
5結(jié)論及建議
通過(guò)對(duì)大盈江水電站(四級(jí))各階段技術(shù)供水系
統(tǒng)的分析研究，可以看出：①對(duì)于多泥沙、小庫(kù)容水
電站，技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)對(duì)電站壩址水
質(zhì)，特別是泥沙級(jí)配成果引起足夠的重視，從而選擇
合適的技術(shù)供水方式；②在水質(zhì)條件較差的情況下，
循環(huán)供水方式是一個(gè)不錯(cuò)的選擇，只要熱交換器選
型、選材、布置得當(dāng)，即可以保證水輪發(fā)電機(jī)組的長(zhǎng)
期安全穩(wěn)定運(yùn)行；③水泵供水方式，臥式離心泵取
水口的位置避免設(shè)在水輪機(jī)尾水管的頂部，預(yù)防取
水管進(jìn)氣及水中漂浮物堵塞技術(shù)供水系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)
備，同時(shí)也避免設(shè)在尾水管的底部位置，防止泥沙淤
積堵塞取水管。以上為在大盈江水電站(四級(jí))工程
實(shí)踐中，對(duì)機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一點(diǎn)認(rèn)識(shí)與見(jiàn)
解，有紕漏之處，敬請(qǐng)指正。
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(上接第35頁(yè))
根據(jù)表l對(duì)比結(jié)果，我們可以得出以下結(jié)論：
1)活門中心水流方向變形的計(jì)算結(jié)果與1號(hào)、3
號(hào)球閥活門試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)趨于一致。
2)排除鎖錠銷與銷孔間隙引起活門轉(zhuǎn)動(dòng)的影響
(6點(diǎn)變形+12點(diǎn)變形實(shí)測(cè)值與計(jì)算結(jié)果比較)，l
號(hào)，3號(hào)球閥活門12點(diǎn)和6點(diǎn)位置的變形與計(jì)算值
趨于一致。
3)通過(guò)有限元分析可以看出，在活門中心不同
部位架表，變形量的大小不一樣，最大、最小變形量
差值在0．30 mm左右。因此，百分表架設(shè)的部位不一
樣，其讀數(shù)會(huì)存在一定差異?？傮w上來(lái)說(shuō)，活門的變
形趨勢(shì)是與有限元分析吻合的。
5結(jié)束語(yǔ)
深圳抽水蓄能電站進(jìn)水閥采用安德里茨公司成
熟設(shè)計(jì)，東方電機(jī)和安德里茨各制造2臺(tái)，借鑒和吸
收了廣蓄、惠蓄、仙游、清蓄等運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)加以改進(jìn)完
善，目前4臺(tái)進(jìn)水閥已全部通過(guò)出廠驗(yàn)收，其中整體
壓力試驗(yàn)、檢修密封試驗(yàn)、工作密封試驗(yàn)漏水量遠(yuǎn)小
于合同要求0．1 L／rain。其設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)收的成功經(jīng)
驗(yàn)對(duì)其他同類電站進(jìn)水閥有借鑒意義。
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萬(wàn)方數(shù)據(jù)

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