黄登水电站水轮机筒形阀技术特性及动水关闭试验

姚建国，王秀花

（1.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.昆明理工大学理学院，云南 昆明 650500）

1 前言

黄登水电站位于云南省怒江州兰坪县境内，为澜沧江上游河段规划中的第五级，其上游与托巴水电站衔接，下游为大华桥水电站。电站厂房为地下式，厂内装设4台475 MW混流式水轮发电机组及其附属设备。

黄登水电站接入南方电网运行，是电力系统的主力电站，在系统中担任调峰和一次调频任务，要求机组能安全、可靠、稳定运行，能承担各类负荷，适应负荷多变的情况；同时，机组启动、停机频繁，要求具有良好快捷的启动和停机性能。根据黄登水电站的具体特点和机组运行方式，经技术经济综合分析，水轮机设置了筒形阀。筒形阀安装在固定导叶与活动导叶之间，具有水力自关闭性能，能有效保护导水机构、减轻导水机构的空蚀和泥沙磨损、提高机组的运行可靠性和灵活性。

2 筒形阀技术特性

2.1 筒形阀主要技术参数

筒形阀筒体外径： 9 445 mm

筒形阀筒体高度： 1 718 mm

筒形阀筒体厚度： 160 mm

筒形阀同步方式： 电液同步

开启时间： 60~90 s

关闭时间： 60~90 s

接力器油缸直径： 380 mm

接力器行程： 1 612 mm

接力器个数： 6个

油压装置型号： YZ-15-6.3

操作油压： 6.3 MPa

2.2 筒形阀主要结构特点

筒形阀安装在水轮机固定导叶与活动导叶之间，关闭时落于底环上,截断水流并与顶盖和底环形成密封，开启时全部提升到顶盖内，筒体底边与顶盖抗磨板齐平，不干扰水流流态。黄登水电站筒形阀能够在103 m~149 m运行水头范围内、机组发最大功率条件下动水关闭，并能在阀体外侧有155 m静水压力、内侧尾水压力的情况下开启。

受运输条件限制，筒形阀筒体分两瓣运输，现场采用高强度螺栓联接并封焊。筒体采用Q345-R碳素钢板制造，尺寸为Φ 9 445 mm×1 718 mm×160 mm（外径×高度×厚度），重量为63 t。筒体顶部与顶盖间以及筒体底部与底环间均设置密封，上密封装于顶盖上，下密封装于底环上，所有用于固定上、下密封圈的压环和螺钉均采用不锈钢材料。筒体与上、下密封接触区域堆焊有不锈钢层，加工后不锈钢层厚度不小于10 mm。为保证阀体在启闭过程中保持同心和防止阀体偏转或卡阻，在12个固定导叶下游侧设置导轨，同时在座环上也设有1/3筒形阀高度的导轨，在阀体外侧相应导轨处设置12块抗磨导向板。导向板采用不锈钢材料，焊接固定在筒体上。

筒形阀设置6个油压操作、双作用、液压直缸接力器，操作接力器的压力油由油压装置供给，额定工作压力为6.3 MPa，操作油的规格与机组轴承用油相同，采用L-TSA46号透平油。接力器零部件按油源系统最大操作油压以及动水关闭过程中产生最大油压设计。筒形阀设有电液同步系统，能对6个筒形阀接力器进行调整和保持同步。筒形阀全开位置设有可靠的锁锭装置，锁锭装置为液控单向阀，其操作接入筒形阀操作程序中。此外还设有能将筒形阀活门锁定在全开位置的手动锁锭装置，主要用于检修时防止筒形阀下落。

2.3 筒形阀同步控制系统

黄登水电站筒形阀控制系统采用全数字集成式电液控制系统，由全数字集成式液压控制系统、电气控制系统两部分组成。液压部分的核心为数字液压控制装置，安装在每个接力器顶部（接力器上端盖上），与操作接力器组成6套数字缸。数字缸内集成有高精度数字液压阀、高精度步进电机（也称数字电机）、高精度内置式机械位置传感器、接力器位移变送器等。数字液压阀由数字电机控制，以控制接力器操作油路。机械位置传感器与接力器提升杆连接，将各接力器的实际位移实时反馈给数字缸上的位移变送器，进而传递给电气控制系统。筒形阀电气控制装置由一个800 mm×800 mm×2 260 mm标准盘组成，所有电气元件均装配在这个盘内。筒形阀电液控制系统见图1。

正常工作时，筒形阀电气控制装置向6个数字电机输入相同的脉冲数，6个接力器产生相同的行程，进而使整个筒形阀按给定的运行曲线高精度同步升降。当筒形阀某个接力器的行程偏差超过设定的最大允许失步值时，电气控制系统发出筒形阀失步报警信号，并向失步接力器上的数字电机发出矫正控制信号，减少（增加）该接力器脉冲数，进而减小（增加）该接力器的行程，直到达到同步，报警信号解除，接力器恢复正常工作。当系统调节不起作用、筒形阀接力器的行程偏差继续增大超过设定的最大允许值时，电气控制系统发出卡阻报警信号，停止矫正调节，同时使筒形阀停止运行直至卡阻消除。筒形阀全数字集成式电液控制系统具有控制原理简单、同步精度高、控制装置集成化、控制方式全程数字化、维护方便等特点。

3 筒形阀模型试验

黄登水电站水轮机转轮模型试验时同步开展了筒形阀模型试验，试验内容包括筒形阀静态水推力试验、筒形阀对导叶水力矩的影响试验、筒形阀对模型水轮机性能的影响试验以及筒形阀振动试验，所有试验在相应的电站装置空化系数下进行。

3.1 筒形阀静态水推力试验

图1 筒形阀电液控制系统

试验选择在原型水轮机最大水头149 m、额定水头130 m、最小水头103 m以及飞逸工况下进行，水轮机导叶开度从6°到36°，开度间隔2°，筒形阀开度依次为100%、80%、60%、40%、20%。试验结果如下：

（1）在筒形阀开度100%时，筒形阀承受的最大向上水推力为241.38 kN，小于筒形阀总重量，筒形阀可依靠自身的重力关闭，不会因为过大的水推力造成关闭困难。

（2）在筒形阀开度100%~80%间，筒形阀所受的静态水推力方向朝上，其值随着筒形阀开度的减小而减小，在80%开度时水推力接近于零；在筒形阀开度80%以下时，筒形阀所受的静态力方向朝下，其值随着筒形阀开度的减小而增加。

试验结果表明，筒形阀具有水力自关闭性能。

3.2 筒形阀对导叶水力矩的影响试验

试验选择在原型水轮机最大水头149 m、额定水头130 m、最小水头103 m以及飞逸工况下进行，水轮机导叶开度从6°到36°，开度间隔2°，筒形阀开度依次为100%、80%、60%、40%、20%。试验结果如下：

（1）在筒形阀开度60%以上时，筒形阀开度对导叶水力矩影响较小；在筒形阀开度40%以下时，导叶水力矩受筒形阀开度影响较大。

（2）当筒形阀开度变化时，水轮机导叶在全开度范围内均具有自关闭趋势。

3.3 筒形阀对模型水轮机性能的影响试验

试验选择在原型水轮机额定水头130 m对应工况下进行，水轮机导叶开度从8°到32°，开度间隔2°，筒形阀开度依次为100%、80%、60%、40%、20%。试验结果为：随着筒形阀开度减小，水轮机效率呈下降趋势；在筒形阀开度80%以上时，效率与流量变化较小；在筒形阀开度80%以下时，随着筒形阀开度的减小，效率与流量下降迅速。

3.4 筒形阀振动试验

试验选择在原型水轮机最大水头149 m、额定水头130 m、最小水头103 m以及飞逸工况下进行，水轮机导叶开度从6°到36°，开度间隔2°，筒形阀开度依次为100%、80%、60%、40%、20%。试验结果如下：

1）当筒形阀开度大于20%时，各测点的动态水推力基本恒定在3%~5%之间；当筒形阀开度小于20%且导叶开度小于18°时，各测点的动态水推力基本恒定在3%~5%之间；当筒形阀开度小于20%且导叶开度大于18°时，各测点的动态水推力随着导叶开度的增加而加大。

2）随着筒形阀开度减小，模型水轮机各测点的压力脉动有所上升，在筒形阀开度60%以下时上升较为明显，无叶区压力脉动最大为16.06%，尾水锥管下游侧0.3D2处压力脉动最大为8.93%，尾水锥管上游侧0.3D2处压力脉动最大为8.91%。

4 筒形阀动水关闭试验

2021年1月8日，黄登水电站选择2号机组进行了筒形阀动水关闭试验，试验时上游水库水位1 600.50 m，下游尾水位1 478.70 m，选定空载、25%负荷、50%负荷、75%负荷、100%负荷5个工况进行了试验。

（1）动水关闭时间

空载、25%负荷、50%负荷、75%负荷、100%负荷工况下，筒形阀动水关闭时间分别为80.3 s、80.3 s、80.3 s、79.9 s、79.9 s，满足筒形阀设计及相关标准要求。

（2）动水关闭同步性

各种工况下筒形阀动水关闭过程中，各接力器间最大位移差及各接力器位移与综合位移最大差值均未超过40%ΔSmax，满足筒形阀相关标准要求，表明筒形阀接力器同步情况良好。整个动水关闭过程中各接力器动作平稳正常，可顺利将筒形阀落至全关位置，未出现卡阻、倾斜等不同步现象。

（3）接力器下腔峰值油压

各种工况下筒形阀动水关闭过程中，各接力器下腔油压变化均匀，空载、25%负荷、50%负荷、75%负荷、100%负荷工况下在接力器分别关闭至0.483%、2.348%、6.009%、5.913%、0.368%时，接 力器下腔油压达到最大值，具体值见表1。接力器下腔最大油压为9.493 MPa，未超过筒形阀操作系统管路耐压试验值。

表1 动水关闭过程中各接力器下腔峰值油压

（4）稳定性指标

各种工况下筒形阀动水关闭过程中，蜗壳进口最大压力、尾水锥管进口最小压力、大轴轴向最大位移、顶盖振动最大值见表2。试验结果表明：

表2 动水关闭过程中稳定性数据表

1）筒形阀动水关闭过程中，蜗壳进口压力、尾水锥管进口压力等各项压力指标过渡过程变化平稳，动水关闭压力监测正常。蜗壳进口最大压力为1.365 MPa，尾水锥管进口最小压力为0.05 MPa，均满足机组调节保证设计要求。

2）筒形阀动水关闭过程中机组大轴轴向位移情况良好，未出现因动水关闭末段小流量工况下水力紊流导致的大轴轴向位移过大现象。

3）筒形阀动水关闭过程中，水轮机顶盖水平和垂直振动情况良好，仅在短时间内振动超过GB/T 32584-2016《水力发电厂和蓄能泵站机组机械振动的评定》规定的限值，对机组影响较小。

（5）试验结果综合分析

由筒形阀动水关闭试验过程中各项测试数据及运行情况可以看出，黄登水电站2号机组在当前水头下可实现各工况下筒形阀安全、平稳、可靠地动水关闭。

5 结束语

黄登水电站第一台机组于2018年7月投入商业运行，最后一台机组于2019年1月投入商业运行，水轮机筒形阀自投运以来运行正常，经实际运行证明满足工程需要。2号机组筒形阀动水关闭试验的顺利完成，为电站机组的安全稳定运行，特别是事故情况下通过动水关闭筒形阀实现机组快速停机提供了有力的技术保障。