水轮发电机蝶阀结构优化方案探析

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摘要：蝶阀在水电站中应用广泛，中低水头水轮发电机组常常用蝶阀作为机组进水阀门，其主要作用是在水轮发电机组突然甩负荷或因事故紧急停机时，机组转速急剧上升，为了保护水轮发电机组不受损坏，保证机组转速不超过允许值，在水轮发电机组上游侧安装进水蝶阀，并将蝶阀控制系统接入机组计算机监控系统，当水轮发电机组发生事故时，能快速地关闭机组进水蝶阀。蝶阀结构设计的合理性对水电站安全可靠运行起到至关重要的作用。本文结合某水电站实例，介绍水轮发电机组进水蝶阀结构优化、改良的有效方法，给行业中类似工程提供参考和借鉴。

关键词：蝶阀；锁定装置；密封；材质；轴头

0引言

随着我国水电行业开发的不断发展，水力发电作为可再生能源电力的主力军之一，对稳定整个电网系统起到非常重要的作用，所以水电站水轮发电机组的安全、稳定、可靠运行显得尤为重要。水电站水轮机蜗壳前端安装进水阀门，主要目的是为防止水轮发电机组突然甩负荷引起机组飞逸事故扩大；同时，在机组停机时，关闭进水阀门，可以减少导水叶漏水量，避免水能损失，影响发电企业经营效益；另外，在机组检修期间，关闭进水阀门，隔断水源，确保检修作业人员人身安全。水轮发电机组进水阀门根据水电站工作水头的高低进行选型，中低水头（一般在200m以下）水电站采用蝶阀，高水头（一般在200m以上）水电站采用球阀。蝶阀按转轴位置分为竖轴式和横轴式，按操作方式分手动、电动和液压方式，其中卧轴蓄能器式液压控制型蝶阀为中低水头水电站常用进水阀门。蝶阀的液压控制系统采用蓄能器式液压阀组集成化设计，具有保压功能，它主要保证蝶阀在全开状态，水轮发电机组运行时，防止液压系统突然失压，蝶阀在水流作用下关闭，造成机组事故停机。同时，蝶阀在水流动情况下关闭，由于水流惯性作用，会产生一定危害的水锤，对设备造成损坏，同时引水钢管、引水隧洞压力上升，容易发生钢管爆裂和隧洞塌方。通过液压控制系统调节蝶阀关闭时接力器关腔油量，实现快关、慢关两阶段线性关闭功能，消除水锤产生的危害。本文主要针对早期建造的水电站水轮发电机组进水蝶阀经数十年运行后，出现的缺陷、可能存在的安全隐患进行梳理、汇总、综合分析、研究，提出可行性解决方案，并对进水蝶阀结构进行优化、改良，此类方法已在水电站中得到实践，为国内外水电站水轮发电机组进水蝶阀出现类似问题的解决提供经验参考和借鉴。

1当前现状

国内水电行业历史悠久，早期投产的水电站至今已有几十年，经过数十年的技术发展，工艺不断创新，设备性能不断提升，产品都已更新换代。水电站水轮发电机组进水蝶阀作为重要的辅助设备之一，伴随着设备运行时间的推移，逐渐暴露出诸多问题，蝶阀常见问题如下。（1）蝶阀工作密封老化、磨损严重，蝶阀全关后漏水严重，无法完全隔断水源，机组检修时威胁检修作业人员人身安全。（2）蝶阀阀轴轴头密封结构简单，密封件老化，轴头出现漏水，一旦止水密封失效，上游水经阀轴流入厂房内，存在水淹厂房安全隐患。（3）接力器锁定装置不可靠，结构设计简单，手动机械锁定不合理，锁杆强度不够，锁定连接接触部件易出现打滑现象，出现锁定装置投入，依然可以开启蝶阀，存在安全隐患。（4）接力器密封结构简易，运行数年后出现渗漏油；零部件制造加工工艺粗糙，接力器在检修、安装过程中密封件易受损。（5）液压控制系统回油量大，蓄能器油压下降过快，压油泵启停频繁，空气阀密封不严漏水等。电气控制系统可编程控制器PLC、控制电源等电气控制回路单套运行，会因一个设备元器件故障整个控制系统瘫痪无法正常运行。当前，电网系统安全性、稳定性、可靠性运行关系着国家日常经济运作、社会居民生活起居，安全生产俨然成为电力生产经营单位首要任务。作为发电企业要根据国家、行业的法律、法规和企业制度，定期对发电设备运行健康水平进行评估，对于存在问题、安全隐患的设备，切实开展好发电设备检修、技术改造工作，为电网系统的稳定提供有力保障。

2改进措施

鉴于以上水电站水轮发电机组进水蝶阀存在的问题，分析问题根源，探究解决方案，优化设备结构设计。结合某水电站水轮发电机组进水蝶阀改造优化的实践经验，对上述问题进行如下改进。（1）早期设备不齐全，原材料供应不足，生产制造水平低，加工工艺不精。经过数十年的社会发展，设备升级、制造加工水平提升，产品质量提高。（2）设备结构设计不够完善。设备运行数年后，漏水、渗油、机件磨损等逐渐凸显出来，通过结构改良，合理设计可以有效提升设备使用寿命。（3）液压控制系统回油量大、油压下降快等问题，通过液压回路电磁阀选型升级以及设备革新得以消除；电气控制系统可编程控制器、控制电源结合技术改造进行冗余配置，互为备用。

3优化方案

3.1材质选型

蝶阀阀体及蝶板材质采用Q345B，阀座材质采用锻16Mn，阀座密封面堆焊不锈钢，不锈钢材质选用06Cr19Ni10。蝶阀密封采用双向密封，分别为工作密封和检修密封，工作密封为非金属橡胶密封，材质为优质丁腈橡胶；检修密封为金属密封，材质为04Cr13Ni5Mo。蝶阀阀轴材质采用20Cr13，表面防腐处理，轴座材质选用锻16Mn。伸缩节材质选用Q345B。轴套采用无铅型无给油自润滑轴套。

3.2锁定装置

解决无法自动锁定、易打滑、有死区等问题（图1为锁定装置结构型式优化前，图2为锁定装置结构型式优化后）。①通过改变锁定装置锁杆的原材料、加工工艺、尺寸规格，增加锁杆强度。②改变锁定装置的受力方式，以往蝶阀全关时，锁定装置投入，锁杆顶住蝶阀阀轴拐臂，防止阀门开启，此方式易打滑，且受力超过拐臂本体强度后，致使蝶阀拐臂变形滑过锁杆，使蝶阀开启，此锁定装置受力方式为接触式相互挤压产生阻力。现将结构形式进行改变，锁杆为活塞式，蝶阀关闭后，锁定装置锁杆嵌入蝶阀阀轴拐臂内，若要开启蝶阀需将锁杆剪断方可，此锁定装置受力方式为剪切力，远远大于锁杆与拐臂的挤压力。③改变操作方式，由手动纯机械锁定装置换成自动液压投退锁定装置，可以避免人为的误操作。④增加锁定装置投入位置开关，并将位置节点接入电气控制系统，参与程序逻辑，防止锁定未退出开蝶阀的安全隐患。

3.3阀轴轴头

解决蝶阀阀轴轴头漏水问题。①改变阀轴材质，老式蝶阀阀轴选用碳素钢，长期在水中运行，容易出现锈蚀，阀轴多次旋转运行，会出现磨损，使得阀轴与轴套之间产生缝隙，另外阀轴锈蚀表面的铁屑进入轴承转动部位，加剧轴承磨损，长此以往，阀轴轴头出现漏水，同时产生的颗粒物进入轴头，增加阀轴转动摩擦，情况严重的，因阻力过大，阀轴旋转将带动轴头密封压环一同运动，致使密封压环紧固螺栓变形或者断裂。解决此问题可将蝶阀阀轴选用不锈钢材质，同时提高阀轴强度，可以避免锈蚀引起轴承磨损，并将轴套选用无铅型无给油自润滑轴套，避免轴套无润滑油发生干摩擦现象。②改变阀轴轴头密封结构，老式蝶阀阀轴轴头密封采用1道O型圈密封和石棉盘根密封，该密封形式易磨损、老化，长时间运行后，易发生渗漏情况。通过增加1道密封圈，由O型圈改成V型密封圈或Y型密封圈，阀轴轴头外圈增加1道防尘圈，防止外界杂质进入阀轴内部。

4结语

（1）蝶阀本体及其附件采用上述材料，以及通过对阀轴轴头、接力器等内部结构优化后，蝶阀工作密封、阀轴密封件、接力器密封等密封效果提高，耐磨性、抗锈蚀性能增强，整体结构得到改善。（2）锁定装置结构优化后，蝶阀避免了误操作开关，锁杆能有效地起到锁住作用，消除了因锁定装置无法锁住蝶阀关闭状态带来的危害。（3）通过对水轮发电机组进水蝶阀的现状进行分析、研究，并结合实例经验，选用合适的原材料，改良其结构形式，提高设备装置性能，有效解决水电站蝶阀存在的共性问题，提升了水轮发电机组安全、可靠性，提高了企业生产经营效益，同时，有效避免了发电设备存在的安全隐患，对今后水电站水轮发电机组进水蝶阀的改造具有一定的借鉴和指导意义。

作者:邱雄挺 单位:浙江浙能华光潭水力发电有限公司