一、概述
水輪機是水電站的重要機電設(shè)備之一。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(shè)有進水球閥，上游與壓力鋼管連接，下游與水輪機進水蝸殼連接。一方面在水輪機及發(fā)電機組檢修時通過該閥切斷壓力鋼管內(nèi)的水流，保證檢修的安全；另一方面在水輪機及發(fā)電機出現(xiàn)異常時可有效切斷水流，防止事故的發(fā)生，由于水輪機運行的特殊要求，通用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(dǎo)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、安全的運行，在消化吸收國外先進技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用全新的設(shè)計理念，研制開發(fā)出新型水輪機進水球閥。
二、主要構(gòu)成部分及作用
水輪機進水球閥主要由主閥部分、驅(qū)動部分、旁通管路、上游湊合節(jié)、下游伸縮節(jié)、鎖定部分、支撐部分及配套部分等8大部分組成，參見圖1。
(1)主閥部分(標(biāo)配)：包括閥體、球體、閥桿及閥座(活塞止水環(huán))等，該部分是整個閥門的核心，其作用是接通或切斷水流。
(2)驅(qū)動部分(標(biāo)配)：對于電動操作的水輪機進水球閥，其驅(qū)動部分為電動裝置；對于液動操作水輪機進水球閥，其驅(qū)動部分為液壓接力器與拐臂(對于搖擺缸)等，該部分的作用是驅(qū)動主閥進行啟閉動作。
(3)旁通管路(推薦采用)：包括旁通閥、檢修閥(僅用于旁通閥)、鋼管、彎頭等，該部分的作用是在閥門啟閉前平衡上下游壓差，避免在全壓差下啟閉閥門出現(xiàn)水錘現(xiàn)象以及有效地降低閥門的操作力矩。
(4)上游湊合節(jié)(對液動止水環(huán)式水輪機進水球閥為標(biāo)配，對其余兩類為選配)：用于閥門與上游端壓力鋼管進行連接，連接方式通常為焊接，并且會預(yù)留50～100mm的焊接配割余量。
(5)下游伸縮節(jié)(對液動止水環(huán)式水輪機進水球閥為標(biāo)配，對其余兩類為選配)：包括插管與活動法蘭兩部分，用于閥門與下游水輪機進水蝸殼連接，連接方式為法蘭連接。通過伸縮節(jié)的方式，一方面可方便對閥門自身進行檢修維護，另一方面可適應(yīng)由于溫度、壓力的變化造成的管道軸向膨脹或收縮。
(6)鎖定部分(選配)：主要包括上游檢修密封鎖定及接力器鎖定。主要用于防止由于誤操作帶來的閥門誤動作，保證系統(tǒng)的安全性及可靠性。
(7)支撐部分：包括主閥與接力器底座，底座通過地腳螺栓安裝于混凝土支墩上，用于支撐閥門的總量及為搖擺式接力器提供固定轉(zhuǎn)軸。
(8)配套部分：該部分用于控制閥門的驅(qū)動部分，為驅(qū)動裝置提供動力源，并使閥門按照預(yù)先設(shè)定的程序進行動作。
三、結(jié)構(gòu)特點
a、不銹鋼話塞式止水環(huán)
液動止水環(huán)式水輪機進水球閥采用不銹鋼活塞式止水環(huán)來密封止水，通過油壓或水壓來控制止水環(huán)的投入與退出，見圖2。每只閥門設(shè)兩個止水環(huán)，上游側(cè)為檢修密封，下游側(cè)為工作密封。檢修密封設(shè)手動鎖緊裝置，正常工作時檢修密封處于常開狀態(tài)，只在機組檢修時投入，為保證下游檢修的安全性，應(yīng)手動將鎖定投入。工作密封在閥門關(guān)閉時投入，在球體動作前退出，為保證閥門能在緊急情況下迅速關(guān)閉，在閥門達到全開后，工作密封仍然處于退出狀態(tài)。
通過變換進油(或水)的方向來控制止水環(huán)的動作方向，以滿足操作的需要。止水環(huán)與閥體及端蓋之間的密封采用雙重O型圈，并且可通過設(shè)置PTFE擋圈的方式來減小O型圈的磨損。止水環(huán)的材料通常為不銹鋼1Crl3。
b、可更換的活門密封環(huán)
因止水環(huán)式水輪機進水球閥通常用于水質(zhì)較差、水頭較高的電站，所以惡劣的工況對閥門的損耗是非常嚴(yán)重的，特別是對密封面的磨損非常厲害。為了提高閥門的可維護性，液動止水環(huán)式水輪機進水球閥將閥門的密封環(huán)設(shè)計為可拆卸可更換結(jié)構(gòu)，在閥門長期使用活門密封環(huán)發(fā)生嚴(yán)重磨損后，可僅對密封環(huán)進行更換而不需要更換活門或另購閥門，這將大大提高閥門主體的使用壽命，同時也會大大降低資金投入。
活門主要由活門體、密封環(huán)、O型圈、螺釘及定位銷組成，見圖3。密封環(huán)通過一組螺釘固定在活門體相應(yīng)部位，密封環(huán)與活門體之間的密封靠O型圈來保證，定位銷的作用在于密封環(huán)與活門體的準(zhǔn)確定位，以免密封環(huán)更換以后與活門體發(fā)生裝配錯位?；铋T密封環(huán)的材料通常為2Crl3。
c、更輕便的活門結(jié)構(gòu)
液動止水環(huán)式水輪機進水球閥經(jīng)過多年的實踐，摒棄了之前常用的完整球形活門結(jié)構(gòu)，而采用了類球狀結(jié)構(gòu)，見圖4，大大減輕了活門的重量。一方面可以節(jié)省不少投資，另一方面亦可緩解活門自重對閥殼帶來的受力影響。
為保證活門具有足夠的強度與剛度，液動止水環(huán)式水輪機進水球閥在活門的相應(yīng)部位設(shè)置加強筋，保證了閥門的整體可靠性。活門材料通常為WCB碳素鑄鋼。
d、方便更換止水環(huán)的結(jié)構(gòu)
液動止水環(huán)式水輪機進水球閥獨特的結(jié)構(gòu)可保證在不將閥門拆開或不從管道上拆下的情況下，對閥門止水環(huán)進行維修及更換。
止水環(huán)尾部設(shè)有拔出螺孔，當(dāng)止水環(huán)損壞時，可依次拆下伸縮節(jié)(或湊合節(jié))、端蓋、再用專用工具將止水環(huán)取出，見圖5。止水環(huán)修復(fù)或更換后，亦可按照上述相反的順序進行裝配。整個過程不需要對閥門進行解體，極大的方便了閥門的維修維護。
f、更加合理的行程指示桿
為了滿足復(fù)雜的順序控制需要，液動止水環(huán)式水輪機進水球閥需要提供各種信號，止水環(huán)投入與拔出的信號就是其中之一。它是判斷活門是否可以進行轉(zhuǎn)動條件的必備條件，因此該信號的準(zhǔn)確性將直接影響到整個閥門動作的準(zhǔn)確性。
傳統(tǒng)行程指示桿通過螺紋與止水環(huán)連在一起，可將止水環(huán)的活塞動作狀態(tài)完全反映到指示桿七，見圖6。但此種結(jié)構(gòu)的缺點在于：
(1)裝配時必須保證止水環(huán)、端蓋與伸縮節(jié)(湊合節(jié))之間有非常精確的定位，否則無法安裝指示桿。
(2)止水環(huán)沒有周向定位裝置，在使用過程中可能存在沿圓周方向轉(zhuǎn)動的趨勢，很容易將指示桿卡住，這樣一來會影響止水環(huán)動作的可靠性，嚴(yán)重時還會將指示桿剪斷?？紤]到這種情況，采用了如下圖所示的指示桿結(jié)構(gòu)。
改型的行程指示桿采用了非固定式的結(jié)構(gòu)見圖7，當(dāng)止水環(huán)退出時，可直接將指示桿推動，當(dāng)止水環(huán)投入時，通過彈簧張力使指示桿隨之運動。該結(jié)構(gòu)可很好地避免傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)所帶來的弊端。
g、先進的伸縮節(jié)形式
水輪機進水球閥伸縮節(jié)由伸縮節(jié)插管和活動法蘭兩部分組成見圖8，密封采用雙重(或三重)橡膠O型密封圈，為減小活動法蘭自重對O型圈的磨損擠壓，在每只O型圈背后設(shè)置PTFE擋圈，此舉可有效延長O型圈使用壽命及提高密封的可靠性。
該結(jié)構(gòu)在兩個方向均設(shè)置一定的伸縮量，當(dāng)閥門正常工作時，該結(jié)構(gòu)可以自動適應(yīng)由于壓力、溫度變化帶來的管道軸向膨脹或收縮。當(dāng)對閥門進行檢修維護時(如更換止水環(huán)、活門密封囤等)，拆下伸縮節(jié)與進水蝸殼法蘭及閥門部分的連接螺栓，將活動法蘭向上游(閥門方向)推動，同時將插管向下游(進水蝸殼方向)推動，縮短伸縮節(jié)長度，騰出足夠空間滿足閥門拆裝要求，見圖9；當(dāng)伸縮節(jié)自身的密封圈損壞需要更換時，拆下伸縮節(jié)與進水蝸殼法蘭的連接螺栓，插管不動，將活動法蘭向上游(閥門方向)推動，直至完全露出O型圈槽，此時可以非常方便地對O型圈進行更換，見圖10。
h、滿足微機監(jiān)控要求
水輪機進水球閥可配套提供電動或液動PLC控制柜，對于液動水電球閥，還可配套提供油壓裝置。
控制柜應(yīng)設(shè)有以下信號裝置：指示主閥開啟與關(guān)閉的信號裝置；指示旁通閥開啟與關(guān)閉的信號裝置；指示接力器鎖定投入與拔出的信號裝置；指示工作、檢修密封的信號裝置；油壓表、閥前、閥后水壓表。這些傳感器提供信號，并與控制柜和中央控制室連接，實現(xiàn)閥門的就地操作或中央控制，滿足微機監(jiān)控的要求。
i、滿足動水關(guān)閉的要求
水輪機進水球閥根據(jù)電站的實際情況進行設(shè)計，所有數(shù)據(jù)均經(jīng)過嚴(yán)格的計算及校核，最大限度保障了運行的安全性，滿足在噴針不關(guān)閉、旁通不平壓下的緊急關(guān)斷要求。
j、人孔結(jié)構(gòu)(可選)
對于DN≥900mm的水電球閥，根據(jù)需要，可以設(shè)計人孔結(jié)構(gòu)，以方便地對閥門及相關(guān)設(shè)備進行檢修。
k、上游密封
水輪機進水球閥采用先進的彈簧預(yù)緊具有活塞效應(yīng)的浮動閥座組件，采用上游密封的設(shè)計機理，能良好地實現(xiàn)密封。
在管道無壓力或低壓力時，由初始密封預(yù)緊力保證閥門的密封效果；在管道正常壓力時，由介質(zhì)壓力推動具有浮動效應(yīng)(沿流道方向的來回運動)的上游閥座緊貼球體來達到密封，見圖11。
每只閥門有兩個閥座，兩個方向都能密封，因而安裝沒有方向的限制。
l、雙截斷雙排放(DBB)
該功能是針對閥門中腔而言。所謂“雙截斷”，是指閥門在全開及全關(guān)時，閥門中腔與流道均被上下游閥座截斷；所謂“雙排放”，是指閥門在全開及全關(guān)時，均可對中腔進行排放。水輪機進水球閥具有DBB功能，可定期排放中腔的介質(zhì)和積滯物，可減少污物對閥門密封面的損傷，有效延長閥門使用壽命，見圖12。
m、中腔自動泄壓
水輪機進水球閥使用彈簧預(yù)緊閥座，當(dāng)中腔停滯的介質(zhì)出現(xiàn)異常升壓時，能壓縮彈簧而自動泄壓，見圖13。
n、彈簧預(yù)緊結(jié)構(gòu)
水輪機進水球閥全部采用彈簧預(yù)緊閥座結(jié)構(gòu)，在閥座支承圈后設(shè)置預(yù)緊彈簧，見圖14。其主要作用首先是為球閥提供必要的初始密封預(yù)緊力；其次還可實現(xiàn)閥座的自動泄壓；另外在閥門長期頻繁使用后，軟閥座會出現(xiàn)少量的磨損，通過彈簧力可以補償磨損，從而延長閥門壽命。
水輪機進水球閥的預(yù)緊彈簧均經(jīng)過嚴(yán)密的計算，可以同時保證提供必要的初始密封預(yù)緊力及達到最輕便的操作力矩。通常情況下，預(yù)緊彈簧采用螺旋壓縮彈簧。
o、水輪機進水球閥閥軸密封
閥軸密封屬于動密封，閥軸頭處設(shè)有鋼套，鋼套外側(cè)設(shè)兩道O型密封，內(nèi)側(cè)設(shè)兩道密封，一道接近閥體內(nèi)圓，采用整圈O型橡膠密封，另一道在閥體外側(cè)，采用U型密封，這種封水結(jié)構(gòu)的好處是泥沙不會進入軸瓦，既可保證鋼套拆卸方便，又可保證活門轉(zhuǎn)動靈活。球閥能在不拆開閥體的情況下更換檢修密封、工作密封及軸頸密封。
p、閥軸與軸承
閥軸采用鍛鋼制造，在與軸承及軸頭密封相接觸的表面堆焊有不銹鋼層，以增加抗磨蝕能力，閥軸與活門用螺栓擰合成一體。軸承采用德國進口DEVA—BM軸承，具有良好的承載性能。
q、空氣閥
空氣閥名義直徑為DN200，裝在水輪機進水球閥伸縮管的頂部。當(dāng)蝸殼放水時，它就自動打開。當(dāng)蝸殼充水時，其內(nèi)部的空氣通過空氣閥排入大氣中。當(dāng)水輪機進水球閥關(guān)閉時，空氣閥向蝸殼及伸縮管補入空氣，以免產(chǎn)生真空而喪失穩(wěn)定性。
四、工作原理
當(dāng)水輪機進水球閥要開啟時，首先解除檢修密封處的3套周圈均布的沿水流方向鎖定檢修密封的鎖定裝置，然后在檢修密封的開啟腔通入壓力油，使檢修密封處于開啟狀態(tài)，上游檢修密封的行程開關(guān)的信號顯示開啟，在此狀況下，在下游工作密封的開啟腔通入壓力油，使工作密封處于開啟狀態(tài)，且下游工作密封的行程開關(guān)的信號顯示開啟。這樣，水流就通過上游檢修密封處的周圈間隙與下游工作密封的周圈間隙向蝸殼內(nèi)充水，當(dāng)活門前后壓力趨于平衡，控制水輪機進水球閥的壓力傳感器和壓力開關(guān)的顯示達到設(shè)定值時，接力器轉(zhuǎn)動活門由全關(guān)旋轉(zhuǎn)到全開，水輪機進水球閥開啟過程結(jié)束。
當(dāng)水輪機進水球閥要關(guān)閉時，接力器首先轉(zhuǎn)動活門由全開旋轉(zhuǎn)到全關(guān)，然后在下游工作密封的關(guān)閉腔通入壓力油，使工作密封處于關(guān)閉狀態(tài)，且下游工作密封的行程開關(guān)的信號顯示關(guān)閉，水流被全部截斷，水輪機進水球閥關(guān)閉過程結(jié)束。
一般情況下，上游檢修密封始終處于開啟位置，只有當(dāng)機組檢修或水輪機進水球閥更換密封時，關(guān)閉水輪機進水球閥檢修密封，并投入檢修密封的機械鎖錠。長時間停機或機組發(fā)生事故而導(dǎo)水機構(gòu)不能關(guān)閉時，關(guān)閉水輪機進水球閥工作密封。值得一提的是水輪機進水球閥工作密封是要經(jīng)常動作的，而檢修密封是很少動作的。另外，在引水鋼管充滿水的情況下，水輪機進水球閥的活門要么處于關(guān)閉，要么處于開啟，不允許停留在其他位置做調(diào)節(jié)流量用。
五、控制原理
a、控制原理說明
水輪機進水球閥控制柜應(yīng)設(shè)有以下信號裝置：指示主閥開啟與關(guān)閉的信號裝置(1QPD、2QPD)；指示旁通閥開啟與關(guān)閉的信號裝置(6QPD)；指示接力器鎖定投入與拔出的信號裝置(3QPD)；指示工作、檢修密封的信號裝置(4QPD、5QPD)；油壓表、閥前、閥后水壓表。這些傳感器提供信號，并與控制柜和中央控制室連接，實現(xiàn)閥門的就地操作或中央控制，滿足系統(tǒng)的要求。
液動水輪機進水球閥當(dāng)進行檢修或更換下游工作密封時，將水輪機進水球閥關(guān)閉，通過電磁閥3WDP投入檢修密封，行程開關(guān)5QPD發(fā)出信號，使上游檢修密封關(guān)指示燈亮，為保證檢修工作安全，應(yīng)手動將檢修密封鎖緊，并將選擇開關(guān)設(shè)為“檢修密封投入”；正常工作時，應(yīng)松開檢修密封鎖定，通過電磁閥3WDP退開檢修密封，行程開關(guān)5QPD發(fā)出信號，使上游檢修密封開指示燈亮，并將選擇開關(guān)設(shè)為“檢修密封退出”。
開啟主閥時，按下開按鈕，首先啟動電磁閥2WDP，拔出接力器關(guān)鎖定，通過行程開關(guān)3QPD將接力器關(guān)鎖定拔出的信號返回控制柜，電磁閥5WDP動作，接通旁通閥的液壓源，旁通閥達到全開位置時，行程開關(guān)6QPD將旁通閥已開啟的信號返回。當(dāng)主閥上下游的壓力接近相等時，壓力繼電器(由控制柜提供)發(fā)出平壓信號，使電磁閥4WDP動作，退開工作密封，行程開關(guān)4QPD將工作密封退出信號返回控制柜，隨即啟動電磁閥1WDP，接通接力器液壓源，轉(zhuǎn)動球體，球體轉(zhuǎn)到位后，行程開關(guān)1QPD將閥門已達到全開位置的信號返回控制柜。再次接通旁通閥的液壓源，關(guān)閉旁通球閥，相應(yīng)的行程開關(guān)6QPD將信號返回控制柜。再次啟動電磁閥2WDP投入接力器開鎖定，球閥開啟指示燈亮。球閥開啟完成后，1WDP及JHF25在中間位置，封閉壓力油管，使接力器泄壓。接力器鎖定動作必須準(zhǔn)確可靠，鎖錠未撥出，接力器不能操作。
關(guān)閉主閥時，按下關(guān)按鈕，撥出接力器開鎖定，開啟旁通閥，接通接力器液壓源，關(guān)閉球體。球體關(guān)到位后，旁通閥關(guān)閉，相應(yīng)地將信號返回控制室。投入接力器關(guān)鎖定，球閥關(guān)閉指示燈亮。接力器泄壓。
六、結(jié)語
水輪機進水球閥作為水輪機組的進水閥門，對機組的事故保護和檢修起著至關(guān)重要的作用，其性能的好壞，直接影響水電站的經(jīng)濟效益和社會效益。因此，水電站對水輪機進水球閥的性能要求也越來越高。特大型水輪機進水球閥設(shè)計、制造的難度非常大，既要考慮球閥的強度、剛度、密封性能，又要考慮鑄件、鍛件、加工件廠家的設(shè)備能力，以及運輸條件。水輪機進水球閥的成功設(shè)計，使進水球閥的總體結(jié)構(gòu)更為合理，性能更加先進，為工況系統(tǒng)的調(diào)試、運行和檢修提供了可靠的保證。
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