周宁抽水蓄能Ф2.35 m球阀的结构设计特点介绍及其结构思考

高 欣，魏显著

（1.哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150040；2.哈动国家水力发电设备工程技术研究中心有限公司，黑龙江 哈尔滨 150040；3.水力发电设备国家重点实验室（哈尔滨大电机研究所），黑龙江 哈尔滨 150040）

1 前言

周宁抽水蓄能电站位于福建省宁德市周宁县境内，地处福建沿海 500 kV主网架附近，为闽东沿海北部新兴能源基地和省网与华东区域电网连接处，距福州市、宁德市和南平市的公路里程分别为110 km、50 km和120 km，距宁德核电站、大唐宁德电厂分别约90 km、50 km，距宁德500 kV变电站距离33 km。哈尔滨电机厂有限责任公司承担周宁抽水蓄能电站水泵水轮机、发电电动机和球阀以及调速器和自动化元件的设计制造工作。该球阀为Φ2.35 m球阀由上游延伸段 、球阀阀体、活门、接力器 、伸缩节 、基础部件及其把合螺栓以及密封操作水管路和接力器控制油管路等组成。周宁抽水蓄能共4台机组和球阀，周宁机组2021年底已完成现场1号和2号机的各项调试试验工作，目前均已投入商业运行。

2 球阀的结构与分析

2.1 基本参数

球阀型号QF525-WY-235

公称直径Ф2 350 mm

最大静水压525.32 m

设计压力760 m

开启时间60～100 s,关闭时间 60～100 s

接力器操作油压6.3 MPa

2个接力器直径Ф550 mm.

2.2 球阀的结构布置

整个电厂为一洞两机的布置形式，具备关机关阀的功能。Φ2.35 m球阀安装在压力钢管后，水泵水轮机的蜗壳进口法兰前。水泵水轮机进水阀的作用有：（1）水泵水轮停机或检修时，关闭球阀减少或避免抽水蓄能电站上库向下库漏水；（2）水泵工况启动、抽水调相或发电调相运行等运行工况利用球阀挡水造压，以便机组启动和工况转换；（3）水泵水轮机发生事故如导水机构故障不能关闭时、厂房内管路或设备部件破裂损坏漏水时，紧急关闭球阀以切断水流以防止事故扩大及机电设备和厂房安全； 球阀是水泵水轮机必不可少的附属设备，其启闭频次与水泵水轮机主机的开关次数一样，加上停机和检修工况，其实际运行条件较水泵水轮机主体更为严苛、运行时间更长。因此，对球阀的结构安全性、可靠性和运行操作性能具有特别高的要求

球阀布置见图1。球阀上游连接（项1）与压力钢管采用工地焊接相连,球阀的下游装有带进人门的伸缩节（项5），伸缩节上设置进人门减少了蜗壳进口廊道的开挖，增加了机墩的整体刚度，但进人门的连接螺栓强度和门的整体强度要给与充分考虑其安全性。阀体的上下游侧法兰均采用预设预紧力的螺栓与伸缩节和上游连接管连接，由于球阀采用退出工作密封平压，以及水泵水轮机的蜗壳平压管路的设计中已考虑了运行和检修时蜗壳内的排气和补气功能，因此球阀不设置设旁通管和空气阀。为保证球阀在检修状态的安全，在球阀检修密封侧设置了球阀防开启自锁功能。

图1 球阀布置

球阀系统由球阀本体、密封操作柜、球阀控制柜、油压装置以及油管路和相应的水管路以及测压系统组成。球阀卧轴布置，上下游侧均设置水压操作的金属活动密封，上游侧的金属活动密封被称为检修密封，下游侧的被称作工作密封、油压操作接力器的结构。不需要排空上游压力钢管和拆卸球阀便可以检修和拆卸以及更换下游侧金属活动密封即工作密封。移动密封环通过上游侧取水通入密封的投入和退出腔进行投退操作。

工作密封由球阀密封控制柜内的油控水阀进行控制，检修密封为手动阀门控制。球阀开启通过打开球阀工作密封来实现球阀上下游的平压，检修密封活动密封副和工作密封活动密封副上，可移动部分的移动密封环上均采用进口星型密封。星型密封由高硬度耐磨的聚氨酯环和“0”形圈组成，该密封的设计原理是密封圈具有足够的伸缩性，当阀体与活动固定密封环由于受力变形，密封间隙变大时，能起到很好的补偿作用，保证了密封性能。枢轴瓦采用进口的铜基镶嵌式轴套，进口的U型橡胶密封。球阀采用双接力器，转臂与两个双作用活塞接力器采用6.3 MPa的油压操作。通常，球阀的开机是在上游和下游侧压差通过工作密封打开后达到30%的压差即可开启，球阀开停机操作，通常在活动导叶处于全关位置后，在静水中进行。但在抽水调相或发电调相运行工况，为缩短机组的工况转换时间，且由于导叶的开启时间要少于球阀的开启时间通常球阀在活动导叶开启前已经开启一定角度。在紧急状态下球阀的设计也能够实现其动水状态下关闭，以保证机组的安全。

2.2.1 阀体

阀体（见图2）采用高强度合金铸钢ASTM A1A8 GR80-50制成，纵向垂直大小两瓣阀体分半铸造后，将活门初步加工后放入阀体中焊为一个整体。整体结构可提高阀体强度及刚度，可将阀轴产生的强大水推力安全可靠地传递到阀体上游法兰上。此结构活门、阀轴采用整体结构，结构简单，安全性高。阀体带有连接上游连接管和下游伸缩节的法兰，阀体、轴承座、上游侧法兰能承受在球阀截断水流时，水流作用在活门和阀体上的最大水推力。阀体底部带有整体结构底座，可将全部垂直荷载传递到混凝土基础上。阀体能沿轴线方向作微量移动，使球阀地脚螺栓不承受轴向水推力。阀体顶部设置一个排气孔，用于充水时排除阀体顶部的空气，底部设置排污阀，用于检修时排掉积水和沉积的泥沙。

阀体的结构刚度和强度是阀体结构设计的重要指标，在设计过程中，采用了先进的有限单元分析（FEM）技术进行刚强度计算分析和优化。

2.2.2 活门

活门（见图2）采用高强度合金铸钢ASTM A1A8 GR80-50材料制造。活门的过流通径与压力钢管相同，并经机加工，以减小通过球阀的水头损失。左右阀轴与活门为整铸结构。阀轴上对应支撑轴承位置设置了可更换的不锈钢衬套，不锈钢衬套与阀轴有一定紧量，采用热套装配。来自操作机构的力矩通过阀轴传递到活门上。活门采用了整体结构之后，提高了活门强度及刚度。阀体和活门进行同加工，保证了活门两轴端与阀体轴承孔同轴，以及活门上密封座安装面和阀体上密封环的接触面同轴，使工作密封和检修密封的漏水量降至最低。活门上装有密封座，与阀体上的移动密封环配合起密封水的作用。

图2 活门和阀体三维造型

在活门结构设计过程中，同样采用了有限元（FEM）技术进行刚强度计算分析和优化，在应力允许范围内，控制活门密封面的不均匀变形量和阀体水涨变形量满足密封要求。

计算阀体时，是将上游连接管、阀体和伸缩节作为一个整体考虑，工况分别考核活门全开密封退出、只有检修密封投入、只有工作密封投入三种工况，水压力分别按最大静水压、设计压力和打压试验和活门打压试验。

计算活门时，考虑以上的因素外，还要考虑检修密封和工作密封处的变形情况，用于星型密封的选择，以及分析活门阀轴的应力和变形情况等。

2.2.3 球阀密封

球阀密封为双面金属密封，主密封（见图3）包括上游侧检修密封与下游侧工作密封。密封装置为可拆卸结构，由活动密封环和固定密封座组成。活动密封环材料为不锈钢铸钢，固定密封座材料为不锈钢锻钢。固定密封座用不锈钢螺栓把合在活门上，可以方便地更换，所有螺钉牢固固定。活动密封环为 T型结构，设计成滑动式，活动密封环位于阀体与连接法兰间的密封腔内，可根据控制前后移动，当活门到达全关位置后，活动密封环滑动并压紧固定密封座，起到密封作用；在活门开启前活动密封环离开固定密封座，解除密封。

图3 移动密封环和固定密封座

下游侧工作密封由球阀密封操作柜自动操作。上游侧检修密封由手动操作，并设有防腐蚀机械锁锭装置。活动密封环采用上游侧压力钢管中的水作为介质，通过一套过滤系统过滤水质。活动密封环的投入和退出通过球阀密封操作柜控制活动密封环操作水源来实现。

球阀密封包括上游的检修密封与下游的工作密封，密封装置可拆卸。移动密封环和固定密封环均采用抗腐蚀抗磨蚀的不锈钢材料制成。移动密封环和固定密封环见图2，固定密封环用带预紧力的螺钉把合在活门上，可以方便地更换。移动密封环位于阀体与过渡法兰间的密封腔内。对于工作密封，当活门转动到全关位置后，移动密封环在水压力作用下动作并滑动，压紧固定密封座起到密封作用，同时接力器达到接力器缸盖位置以限位；在活门开启前移动密封环脱离固定密封座，到位后发出位置信号，此时活门才可打开。阀体和过渡法兰上的移动密封环滑动面，采用经精加工的不锈钢护衬，两端分别焊接在阀体上。上游侧密封为检修密封，设有防腐蚀机械锁定机构。

密封有一套反映上下游密封位置的信号装置，其信号通过电缆线接至球阀的控制系统。位置信号装置中的限位开关，在密封环退出位置，可以发出电气信号给控制系统。在信号未发出之前，活门禁止转动。

2.2.4 球阀枢轴轴瓦和密封

轴承瓦采用德国格莱希亚公司生产的、进口的DEVA-BM自润滑轴承材料，具有良好的承压性和自润滑性。轴承瓦采用特殊工具压入轴承钢套内，在阀体不分瓣拆开时，随钢套一起从阀体两侧拆出。轴瓦有足够的承载能力，能在承受活门的最大轴向压力时，保证枢轴正常转动而不产生擦痕或有害变形。

钢套外侧与阀体接触部位设有两道O型静密封，钢套内侧与阀轴接触部位属于旋转运动密封，设两道密封，一道接近阀体内侧，采用整圈O型密封圈，防止泥沙进入轴瓦，密封槽设有平压孔，使钢套内外侧压力相同；另一道在阀体外侧，采用U型密封圈，利用旁通孔引入的压力水涨开U型密封的唇边，达到密封效果。为了尽可能延长更换密封的周期，在U型密封圈的外侧，增设了一道组合格莱圈密封。

2.2.5 活门操作机构

操作机构包括接力器、转臂、锁锭装置及附件等。 球阀由一个双作用油压接力器操作，接力器与转臂连接，转臂与阀轴通过销连接。接力器的作用为活门旋转开启、关闭的操作动力源。 接力器操作力能满足球阀的动水关闭、静水开启和静水关闭。接力器操作油取自球阀油压操作系统，接力器能在油压装置的最小油压下，实现最坏操作工况（动水关闭）下球阀的安全关闭。

接力器缸体采用锻钢材料，活塞环采用进口的聚四氟乙烯复合密封，仅一道密封即可使接力器内泄漏接近为零，而且寿命长，更换方便。活塞杆采用不锈钢材料，并采用镀铬工艺，极大地提高了表面光洁度，增强了密封的可靠性。此外在活塞和前缸盖上设置导向带，以防止作用在密封上的侧向载荷。接力器的两端配有监测压力用的接头。

接力器供排油管为刚性管路，与接力器上管路活动接口采用高压软管连接。接力器设置检修排油管路及阀门，用以在检修时排净接力器两端的存油。

2.2.6 球阀锁锭操作系统

球阀锁锭操作系统包括活门位置锁锭、检修密封锁锭、工作密封和接力器互锁系统等。

（1）活门位置锁锭装置

球阀在活门的两侧均设有活门全关位置自动操作的液动锁锭装置和全开位置液动操作的液动锁锭装置以及锁锭位置信号装置，信号传至球阀控制柜。球阀锁锭机构的作用是将活门固定在全关或全开位置，防止误操作打开或关闭阀门。液动锁锭装置在球阀全关后自动投入；球阀或水泵水轮机维修时，可以通过机械锁锭装置手动锁定球阀在全关或全开位。球阀的试运行过程中，由于两个活门位置锁锭装置与控制柜的距离不同，而导致其投退时间不同，影响了开关机时间。

（2）检修密封锁锭

当需要检修机组或检修球阀工作密封时，需投入球阀检修密封环并按对称顺序投入检修密封锁锭。由于检修密封环有自锁功能，当上游充水后，即使投入腔失去水压，检修密封环仍能保持在投入位置。此外，检修密封还具有投入腔水失压后，退出腔建压后的防开启自锁功能。只有退出腔建压且阀体与上游连接管平压管打开的情况下才能退出检修密封。为了防止误操作使检修密封环退出，需投入检修密封锁锭作为双保险。这种设置虽然是安全的，但是自锁功能的水管路设置较为复杂。

（3）工作密封和接力器互锁系统

为了加强球阀安全保护措施，防止误操作而碾伤下游工作密封，下游工作密封和接力器上均设有切换阀，使工作密封和接力器之间能够实现开启和关闭的机械液压互锁功能。

球阀开启前，只有工作密封环完全退出时，接力器才能开启。

工作密封设有切换阀，安装在伸缩节上，切换阀上的闭锁管路连接至球阀控制柜内的控制阀，当工作密封环退出时，指针杆触碰工作密封切换阀，改变了切换阀及闭锁管路内的油路，最终通过控制柜内的控制阀实现接力器的开启。

当球阀关闭后，工作密封环才能投入。

接力器上设有行程换向阀，换向阀上的闭锁管路连接至球阀密封操作柜内的控制阀，当接力器关闭时,耳柄上的限位板触碰换向阀，改变了换向阀及闭锁管路内油路的走向，最终通过密封操作柜内的控制阀实现工作密封环的投入。

2.2.7 上游连接管和伸缩节

上游延伸管与压力钢管通过焊接方式相连，焊接形式的上游延伸管具有足够的刚度和强度，能承受作用在球阀上的最大水推力。上游连接管上有与压力钢管排水管、活动密封环操作水管及其他管路连接的带法兰的管口。在上游连接管上设置测压孔，用以测量压力钢管的压力。测压孔镶有不锈钢制造的测头体。

上游连接管下部设置压力钢管排水管，并带有放水用不锈钢消能针阀，能够充分消除压力钢管排水至尾水管时水流对尾水管里衬的冲击，并在其上、下游配置一个不锈钢检修球阀。

对伸缩节上的进人门进行了有限元分析（FEM）计算分析，在最大设计压力下，进人门的刚强度满足使用要求。

为了便于球阀的安装和拆卸，在下游侧与蜗壳之间设有伸缩量为30 mm的套筒式伸缩节，套筒式伸缩节与蜗壳进口法兰连接，能适应厂房因温度高低变化引起的轴线方向的位移，以及施加在活门上的作用力能引起延轴线方向微小位移。法兰处密封采用两道“O”型橡胶密封圈，能有效防止管与法兰因微小滑动而产生的漏水。

3 厂内试验

球阀出厂前进行了动作试验、活门阀体打压试验和密封试验。

动作试验：活门在整个开关运行过程中要运行平稳，无卡阻及震动现象发生。

打压试验：球阀与上游连接管参与球阀的打压试验进行了打压试验，为设计压力的1.5倍为压力11.175 MPa,试验时上下游移动密封环处于全开状态。

活门压力试验：压力为设计压力的1.2倍，试验时检修密封处于关闭状态，上游侧封堵；工作密封处于关闭状态上游侧封堵。

活门密封试验：工作密封和检修密封分别进行了密封试验，试验压力7.45 MPa，采用检修密封处于关闭状态，上游侧封堵；工作密封处于关闭状态上游侧封堵的方法进行，漏水量满足合同要求。

经各项试验表明，阀体和活门的应变水平均在合理范围之内，阀体、活门和上游延伸管以及伸缩节具有足够的强度和刚度，密封漏水试验结果符合设计要求且满足合同的要求，表明该项目设计工作取得圆满成功，并顺利出厂验收。

4 电站调试的一些思考

4.1 关于活门位置锁锭装置

球阀在活门的两侧均设有活门全开和全关位置手自一体的液动锁锭装置以及锁锭位置信号装置，信号传至球阀控制柜。活门的位置锁定不能阻止接力器的误动作且该装置与控制柜的距离远近还导致其开关时间的不同，影响流程的安排。由于水泵水轮机的工况转换较复杂，简洁有效的控制措施对于水泵水轮机的控制的顺畅执行是有利的。南网阳江球阀的理念就只采用活门全开位置的手动锁定，而不需要采用自动控制参与流程。

4.2 工作密封和接力器互锁系统

该系统对于调试初期的球阀是非常有好处的，因为它防止了由于接力的误动导致工作密封的损害。

4.3 工作密封和尾水闸门互锁系统

球阀只采用工作密封与尾水闸门的电气互锁，而没有采用液压互锁，可能产生一定安全隐患。而南网阳江项目采用的是液压互锁。

4.4 检修密封环的自锁

检修密封环有自锁功能增加了控制的复杂程度，且自锁管路长期存在承受高水压的风险。

5 结束语

周宁抽水蓄能电站Φ2.35 m球阀不仅在在哈尔滨电机厂有限责任公司车间内，顺利通过并完成了球阀阀体、活门的打压试验、球阀活门的密封试验和球阀的动作试验以及接力器的密封试验、压力试验和接力器动作试验等以及业主较为严苛的验收。在2021年底1号和2号球阀也已在工地现场完成各项无水调试和有水调试工作，并全部与2022年元月顺利投入商业运行，效果良好，为哈尔滨电机厂有限责任公司赢得了较好的国际声誉，也为闽东电力发展注入了新的活力。