上海申弘閥門有限公司
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之前介紹自力式壓力調節閥在化工行業應用，現在介紹抽水蓄能電站水輪球閥設計規范為了降低抽水蓄能機組水輪機工況甩負荷時蝸殼壓力上升值和壓力脈動值，應用了球閥協同導葉關閉的流量控制方式。于2012年在蒲石河大型抽水蓄能電站，進行了水輪機工況甩負荷過渡過程球閥參與導葉控制方式的現場試驗。針對這量控制方式，利用內特性法預測了在甩負荷過渡過程中各動態參數的瞬變規律，預測的機組轉速上升大值與試驗值的相對誤差為2.11%，預測的蝸殼壓力上升大值與試驗值的相對誤差為0.74%，從而驗證了內特性方法的合理性;同時證明，只要合理地選擇導葉與球閥的控制規律，即可顯著改善水泵水輪機裝置水輪機工況甩負荷過渡過程的動態品質，降低抽水蓄能電站引水系統的水壓上升值。液控球閥廣泛應用于高水頭的水電站中。工作時，閥門與水輪機配合，按照水力過渡過程原理，通過預設的啟閉程序，有效消除管路水錘，實現管路可靠截止，起到保護管路系統安全的作用。 安裝在水輪機蝸殼的進水口處，為機組停機檢修時提供可靠的安全的工作條件；在機組長時間停機時減少機組漏水量，開機時快速充水，使機組快速進入工作狀態；還可以防止機組飛逸事件。
1、抽水蓄能電站水輪球閥設計規范研究背景
近年來，高水頭大功率抽水蓄能電站得到了蓬勃發展。但由于機組安裝高程低、引排水道一般也較長，同時機組運行工況轉換頻繁、流量特性曲線在水輪機制動區及反水泵工況區存在著不穩定倒“S”區域，因此抽水蓄能電站的水力過渡過程十分復雜。
為了降低抽水蓄能電站水泵水輪機組甩負荷時機組轉速與蝸殼水壓力上升值，國內外廣泛采用改變導葉關閉規律的方式，使其維持在調保規范之內。有的電站采用延時直線關閉導葉的方式，對傳統關閉規律存在的缺陷有所改善，取得了較好的優化效果;有的電站采用快慢快的關閉規律，通過引入延時段，針對抽水蓄能機組過流特性，綜合兩段折線規律中快關與慢關的各自優點，但由于液壓系統存在巨大的油流慣性，*準確延時實際上很難做到;有的電站采用引入轉速信號反饋導葉的關閉規律，避免了常規折線關閉規律中計算拐點位置與實際拐點位置偏差帶來的運行風險，只要轉速閾值設定合理，可有效減少水壓力上升值，但該方法的可靠性還有待提高。針對以上這些問題需要探討其它的控制方式，處理高水頭水泵水輪機裝置甩負荷過渡過程中轉速上升值與壓力上升值的矛盾。
2、球閥參與甩負荷過渡過程流量的控制方式
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：截止閥,電動截止閥技術規范要求，大中型高水頭水泵水輪機的進水閥門在任何工況下應能動水關閉，因此球閥參與流量調節成為可能。一般水電站球閥的靜態流量特性如圖1中曲線1所示，即在大開度下的流量變化比導葉緩和，在小開度下則相對劇烈。而水輪機導葉的靜態流量特性如圖1中曲線2所示，即流量在大開度時變化慢，中間快，小開度下又變化慢的特性，因此大壓力上升值出現在中間某一導葉開度的位置。可以結合進水球閥與導葉的流量特性，在甩負荷后采取導葉延時關閉的同時，讓球閥開始關閉，以此控制方式參與流量調節，如圖2所示。只要導葉滯后時間與關閉時間設計合理，將不會產生過大的水壓上升。我國的西龍池、惠州、蒲石河等抽水蓄能電站機組均采用此種關閉控制方式。
抽水蓄能電站水輪球閥設計規范 性能特點
本系列閥門，智能化程度高、功能齊全、性能穩定可靠，且流阻系數極小，全開時的流阻系數與管道相等。我公司并可根據用戶的特殊要求單獨進行設計，多方位滿足用戶對該類產品的需要。
1、電氣控制系統采用PLC智能控制，使電氣線路大大簡化，具有較強的故障自我診斷功能。水電站進水球閥可本地，遠程控制，受中控室及與水輪機聯動控制，自動化程度高，安全可靠，實現電站“少人值班和無人職守”的管理理念；
2、液控系統采用重錘或蓄能器儲能，當水電站停電無電源時，重錘或蓄能器釋能，可實現緊急動水關閉球閥，為機組安全運行提供足夠的安全保證；
3、適用水頭范圍廣，高可達到1000米水頭；
4、流體阻力小，球閥是所有閥類中流體阻力小的一種，即使是縮徑球閥，其流體阻力也相當小。
5、開關迅速、方便，只要閥桿轉動90°，球閥就完成了全開或全關動作，很容易實現快速啟閉。
6、密封性能好。球閥采用雙密封設計，即上游設置有“檢修密封”，下游側設 置有“工作密封”，易于保證密封，而且球閥的密封力隨著介
質壓力的增加而增大，漏水量很小。
7、閥桿密封可靠。球閥啟閉時閥桿只作旋轉運動，因此閥桿的填料密封不易被破壞，而且閥桿倒密封的密封力隨著介質壓力的增加而增大。
四、 抽水蓄能電站水輪球閥設計規范運行程序及工作原理
1、運行程序開閥：開啟旁通閥→壓差平衡→開啟主閥→關閉旁通閥關閥：開啟旁通閥→關閉主閥→關閉旁通閥
2、工作原理
（1）開閥時，油泵電機啟動，油泵將壓力油輸入蓄能器至液壓系統額定壓力后停止。開啟旁通閥，介質通過旁通管路流向水輪機蝸殼，排氣閥排氣，待閥門前后 壓差達到設定值時，進水液控球閥的開閥油缸動作，開啟進水液控球閥。進水液控球閥全開后，關閉旁通閥。
（2）關閥時，開啟旁通閥，導通旁通管路。進水液控球閥的關閥油缸動作，關閉進水液控球閥。水電站進水球閥待液控球閥全關后，關閉旁通閥。
（3）在開關閥過程中，運行程序已由聯動信號控制，進水液控球閥開關的程時間可調節液壓回路上的調速閥實現。
（4）當液壓系統在長時間的工作狀態下，由于內部液壓回路元件有微量泄漏使蓄能器內的油壓降至額定下限值時，壓力控制器動作啟動油泵電機補足壓力。
4.2、測點的布置
水輪機裝置過渡過程現場試驗需要量測的動態參數瞬變規律與試驗的目的有關。針對2號機組的特點，在水輪機儀表盤處布置了壓力鋼管、轉輪與底環間、蝸殼進口及出口、尾水管進口及出口各一個壓力或壓力脈動傳感器，轉輪與頂蓋間、轉輪與導葉間以及尾水管肘管處各兩個壓力或壓力脈動傳感器;除尾水管肘管處為AK-4型號外，其他均為IMF型號。在主接力器處布置了一個型號為PTIMA-20-FR-420E-M6的拉線式位移傳感器用于測量導葉開度的變化規律;其它參數引自自動監控系統。圖4標示出了測點位置。
4.3、試驗結果
球閥與導葉的關閉規律如圖2所示。甩負荷開始，球閥在60s內以一段直線規律關閉;而導葉一開始不動，11s之后，以一段直線規律在15s內關閉。圖5中實線為該機組甩負荷時動態參數的現場示波圖。由圖5可知，壓力上升的個高峰值，出現在甩負荷后8.9s，此時球閥已開始關閉，導葉未參與關閉。由于球閥在大開度時開度變化對流量的影響較小，當導葉開度不變時，流量的微小變化即可引起較大的轉速上升值，轉速的上升又會引起壓力的上升。此時壓力上升值主要是由轉速上升引起的。在轉速曲線上B點，機組所受的動態軸力矩為零，達暫態飛逸轉速;此后機組進入制動區，雖然轉速下降，由離心效應引起的流量下降作用減小，但由于球閥的調節作用加大，流量減少率增大，因此壓力值仍增加;壓力曲線C點處壓力達到大，即流量的變化率大;D點導葉開始關閉，此時機組處于反水泵工況區，導葉開度變化對壓力大值的上升并沒有太大的影響，由于導葉開度的減小，反向流量減小，可以減小壓力的第二個峰值，即E點處第二個壓力峰值比個峰值要小得多。圖5 動態參數瞬變曲線
5、甩負荷過渡過程計算
為了研究內特性法在球閥參與過渡過程時計算的準確性，應用編制的基于方程組式(1)—式(13)的內特性軟件IFT2.0，對該機組現場試驗同一工況，采用相同的球閥關閉規律及導葉關閉規律，進行了甩300MW負荷過渡過程計算。
圖5中虛線為該機組甩全負荷時蝸殼進口壓力及機組轉速隨時間的變化曲線。由圖可知，與試驗值相比，內特性法計算的壓力大值與轉速上升大值偏差很小。但在后面機組進入反水泵工況時，有一定的誤差。但由于機組在甩負荷過渡過程中，關心的是壓力上升極值及轉速上升極值，因此內特性法*工程實際的要求。表2示出了2#機組甩全負荷時動態參數極值的試驗值與內特性法計算值，可知采用球閥參與流量控制的方法能夠滿足過渡過程動態品質的要求。表2 機組甩300MW時動態參數的極值
6、結論
(1)分析了抽水蓄能電站水輪機工況甩負荷過渡過程中球閥參與流量控制的合理性，并由蒲石河抽水蓄能電站現場甩負荷試驗所證實。
(2)在抽水蓄能電站甩負荷過渡過程中，采用球閥與導葉結合的控制方式，只要合理地選取導葉延時時間與關閉時間，就可以有效地降低壓力上升值，因此當電站在電力系統中的作用，以及地形、地質、壓力水道布置等因素滿足的條件下，它可以用來取代調壓井的作用，從而降低電站造價。
(3)基于內特性理論編制的抽水蓄能機組過渡過程數值計算軟件IFT2.0經蒲石河電站甩負荷試驗證明，計算準確性滿足工程需要，它大的優點是無需已知水泵水輪機的全特性曲線，就可完成過渡過程的計算。與本文相關的論文：自力式煤氣調壓閥組
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