靛青山水电站 3 号水轮发电机组进水阀的改造

林高峰，赵 军

（文成县靛青山水力发电厂，浙江 文成 325300）

1 工程概况

文成县靛青山水电站位于文成县大峃镇吴垟村，距县城5 km，交通便利，三面环山、前临泗溪，是以发电为主，兼顾灌溉、防洪的水利水电工程。

水库大坝位于文成县泗溪上游的程坑门溪，坝高 26.2 m，为双曲混凝土砌石拱坝，总库容38.5万m3。电站于1990年8月1日建成运行，原有装机2×1 600 kW，现有装机2×2 000+1×3 200 kW，设计水头336 m，年发电量1 900万kW · h。其中，3号机组装机3 200 kW，配套压力钢管直经0.7 m，长度550 m。

2 存在问题

作为水轮机组的进水阀，其主要作用是:①在机组检修时，关闭阀门以切断水流；②机组长期停机时，关闭阀门以减少水流损失；③当机组和调速器发生故障时，可以动水关闭，防止事故扩大。

2004年电站增容时，3号水轮发电机组配套的进水电动闸阀型号为Z941H - 40c（DN600）。经过14 a的运行，机构逐步磨损、锈蚀和老化，诸多问题日益显现:阀体锈蚀，阀杆、螺母磨损严重，造成进水阀关闭不严；当出现厂用电消失的故障时，电动执行机构失灵，进水阀无法关闭，存在严重的事故隐患。

3 改造方案

3.1 传动方式的优化

本次改造的主要目的，是解决厂用电消失时进水阀的关闭问题，实施手段是将阀门启闭操作源动力由电动改为液压传动。

液压传动在相同的功率下可以输出较大的推力或较大转矩，能很方便地实现无级调速且调速范围大，同时便于实现过载保护，使用安全、可靠。

液压驱动的进水阀有2种方式，一种是重锤式，即开阀依靠电机油泵工作，关阀则主要依靠重锤的势能；另一种是蓄能式，先启动油泵电机，将高压油存储在压力罐中，阀门开关时，再将压力罐中的压力油导入接力器的工作腔。

由于闸阀的闸板垂直升降，无法借助力臂将重锤的力放大，可见闸阀改造不适合采用重锤式，因此，液压传动选用蓄能式。另外，考虑到成本，选择依靠油泵电机开阀，压力罐内压力油仅满足关阀要求的方案。

根据公式 F = PA，式中:F为出力（N）；P为压力（MPa ）；A为面积（m2）。在接力器出力 F一定的条件下，接力器面积 A（由接力器缸径决定）与压力 P 成反比。

如果选择常油压（2.5 ～ 6.3 MPa），接力器缸径会比选择高油压 16.0 MPa的大，随着缸径增大，油泵排量、电机功率、液压阀通径、压力罐容积和体积等与缸径正相关的元件也会加大，将增加改造成本；如果选择高油压，接力器等元件将会因压力的增高而使公称参数下降，降低改造成本。目前液压元件质量完全满足16.0 MPa压力等级的工作要求，因此，将液压系统的公称压力选为16.0 MPa。

3.2 改造内容的确定

液压传动的方案明确后，需对电动进水阀进行如下改造:

（1）拆除电动执行器，拆除原丝杆螺母传动装置及支座；

（2）新增双作用接力器和接力器支座；

（3）加工 1 根不锈钢阀杆，连接闸板与接力器；

（4）配置 1 套液压泵站和蓄能器组，开阀利用油泵电机工作产生的高压油，关阀利用蓄能器蓄积的压力油作为关阀动力源；

（5）液压站配套控制柜采用 PLC 为逻辑控制元件，控制电源采用厂用直流电。

3.3 启闭力计算

由于缺少进水阀的零件图纸，无法按理论公式计算闸阀启闭所需的轴向力。进水阀的开关是由电动执行器驱动螺杆螺母传动机构实现的，因此电动执行器最大输出扭矩，可计算其能输出的最大轴向力，这个轴向力就是接力器需要提供的拉力。

原电动进水阀配套的电动执行器型号 ZC180 - 18/40，最大扭矩 1 800 N · m，阀杆螺纹 Tr 60x8。

根据螺旋传动的公式:

式中:T为电装输出扭矩（N · m）；F为轴向载荷（N）；d2为螺纹中距（mm，取值56）；λ为螺旋升角（°，取值 2.60）；p ′为当量摩擦角（°，取值5.91）；η为传动效率，

“-”表示螺杆自锁，经计算:F = 320.48 kN

3.4 接力器缸径的选择

根据推力校验:取 P = 11.5 MPa，活塞杆直径d为60 mm，则可求出活塞直径 D = 19.77 cm，取整为 20 cm。由公式:

计算得:F = 330.40 kN＞320.48 kN

在 20 cm 缸径下，操作推力能满足闸阀启闭要求。

4 结 语

经上述方案改造后，进水阀在仅保留厂用直流电源和液压系统最低允许压力的条件下，做了数次动水关闭试验，均能可靠关闭。通过调节节流阀，可改变闸阀的关闭速度，使其适应调保的要求。在动水关闭时，更有利于消除水锤压力过高可能导致的钢管破坏。目前液压操作机构已投入运行近3 a，运行正常，达到设计要求。

本电站电动进水阀改造方案也可供其它类似小型电站参考和借鉴，消除因无电源而使水轮机最后一道保险（进水阀）失效的隐患。