高水頭水電站減壓閥在紫坪鋪電廠供水系統應用

                  高水頭水電站減壓閥在紫坪鋪電廠供水系統應用

                           上海申弘閥門有限公司

    之前介紹ZJY46H組合式減壓閥減靜壓技術探討，現在介紹四川岷江紫坪鋪水利樞紐工程位于四川省都江堰市麻溪鄉境內的岷江上游，大壩為混凝土面板堆石壩，壩高156m，總庫容11.12億m3。工程以灌溉和供水為主，兼有發電、防洪、環境保護、旅游等綜合效益。紫坪鋪水利樞紐工程是國家西部大開發“標志性工程”之一，具有不*年調節功能。電站總裝機容量760MW（4×190MW），保證出力168MW，年發電量34.17億kW•h，年平均利用小時4496h，以一回500kV出線接入成都環網，可承擔西南電網一部分調峰調頻任務。水庫正常蓄水位高程877m，死水位高程817m，設計洪水位高程871.1m，校核洪水位高程883.1m。水頭變化范圍為68.4～132.76m。因水庫庫容較小，水頭變化較大，給電廠的技術供水提出了問題，造成技術供水減壓閥工作條件比較惡劣。

1 高水頭水電站減壓閥在紫坪鋪電廠供水系統應用紫坪鋪電廠供水系統概況
水電站的技術供水系統是水輪發電機組*的組成部分。其擔負著機組的上導、空冷器、推力軸承、水導、主軸密封、下導及變壓器冷卻、消防、生活用水等方面的重要任務。
我廠機組技術供水系統的正常供水采用自流供水方式，每臺機在蝸殼進口處的直管段設有一個取水口，一路供機組各部技術用水，作為本機組的技術供水工作水源，另一路供給技術用水備用總管；在尾水設有兩個取水口，通過兩臺雙吸離心泵直接供技術供水備用總管，作為全廠技術供水的備用水源。通過技術供水備用總管，各機組技術供水可互為備用（圖1）。

圖1 高水頭水電站減壓閥在紫坪鋪電廠供水系統應用紫坪鋪電廠技術供水示意圖
技術供水的主要供水對象為主變冷卻器、發電機空氣冷卻器、推力軸承冷卻器、上導軸承油冷卻器、水導軸承冷卻器、備用供水總管等設備。
技術供水進水總管的正常水壓為0.30～0.40MPa；上導軸承冷卻水正常水壓為0.15～0.30MPa；推力軸承冷卻水正常水壓為0.15～0.30MPa；空氣冷卻器冷卻水正常水壓為0.15～0.30MPa。
機組消防水正常水壓為0.40～0.60MPa；主變消防水正常水壓為0.40～0.60MPa；水頭變化范圍為68.4～132.76m，對應的水壓力為0.69～1.33MPa。
優點：若某臺機組因故不能從本機組蝸殼取水時，可打開機組冷卻備用供水閥由全廠技術供水備用總管供水；當全廠技術供水不能從機組蝸殼取水或者蝸殼取水不能滿足供水質量要求時，備用技術供水系統由尾水取水。

高水頭水電站機組技術供水系 統,由于水壓過大通常需要采取減壓措施,目前國內采用的減壓方案存在的問題很多。經過廣泛調查研究,設計出一種新型的自動減壓閥。重點介紹新型自動減壓閥 的結構、自動控制系統及其調節特性。該閥具有*的雙閥盤結構和的自動控制系統,能夠保證機組技術供水的正常減壓。在水壓超過允許壓力時,也能自動調 節供水壓力,滿足現場需要。該閥也可用于對壓力調整沒有要求的其他液壓系統,具有一定的推廣價值。研究了在水電站供水系統中采用小水輪機代替減壓閥時水輪機選擇及工況穩定問題，在高水頭型水 電站中采用小水輪機組作為鋼管引水降壓設施，將高水頭的能量轉化為電能送入廠用電網，小水輪機出口保持供水系統所需要的穩定水壓，將水輸入用水設備；并以 某水電站為例加以論述。研究表明，水輪機利用減壓供水的方案*可以作為主供水方案，其運行操作比水泵作為主供水簡單可靠，本研究對我國許多高水頭電站有 實用價值。紫坪鋪電站水頭變幅大 ,在系統中主要擔任調峰、調頻任務 ,并有較長時間帶部分負荷運行。需要對水輪機的各項性能進行認真研究、分析 ,了解水輪機模型的性能特點 ,針對這些特點指導機組的調度和運行 ,以求機組在低事故率的情況下發揮更好的作用。主要就PO140模型轉輪的性能 ,結合紫坪鋪電站的運行條件進行了初步分析 ,提出了一些指導機組運行的建設性意見。高水頭水電站highheadhydro-electricstation水頭大于200m的水電站。一般建設河流上游的高山地區，多數為引水式或混合式水電站。這種水電站往往本身無調節水庫或只有調節能力很低的水庫，因此一般不具有綜合利用效益；因上下游水位相對穩定，水頭變化幅度相對不大，它的出力和發電量基本取決于來水量。高水頭水電站機組技術供水系統,由于水壓過大通常需要采取減壓措施,目前國內采用的減壓方案存在的問題很多。經過廣泛調查研究,設計出一種新型的自動減壓閥。重點介紹新型自動減壓閥的結構、自動控制系統及其調節特性。該閥具有*的雙閥盤結構和的自動控制系統,能夠保證機組技術供水的正常減壓。在水壓超過允許壓力時,也能自動調節供水壓力,滿足現場需要。該閥也可用于對壓力調整沒有要求的其他液壓系統,具有一定的推廣價值。作為水利樞紐工程,紫坪鋪電廠的AGC有自身的特點,如電調服從水調,在保證下游供水的條件下實現自動發電控制,限制功率調節速度等,所以在實際運行中碰到許多特殊問題。為保證AGC功能的正常實現,采用一些特殊的方法解決以上問題。如通過設置小下泄流量保證下游供水,限制功率調節步長解決功率變化過大等問題。通過試驗,紫坪鋪電廠在保證下游供水的前提下,順利實現AGC各項功能,為作為水利樞紐工程的電站實現AGC提供了寶貴的經驗。大壩上游臨時斷面已填筑上升122米（設計大壩高156米）到848米高程，預計8月10日可填筑到850米高程，具備抵擋500年一遇洪水的條件；累計完成填筑方量約800萬立方米，約占壩體填筑總量的70％。I期混凝土面板已于今年5月底澆筑完成（到796米高程）。

紫坪鋪水庫正常蓄水位877米，死水位817米，設計洪水位871.1米（P＝0.1％），核定洪水位883.1米，大壩高156米。在校核洪水位下，總庫容11.12億立方米，其中正常蓄水以下庫容9．98億立方米，正常蓄水位至汛期限制水位之間庫容4.247億立方米，死庫容2.24億立方米。電站裝機容量76萬千瓦，保證出力16．8萬千米，年發電量34.176億千瓦／小時，年平均利用小時4496小時，電站建成后可承擔西南電網的調峰調頻任務和擔負一定的事故備用。紫鋪水庫建成后，可調節增加枯水期洪水7.75億立方米，設計枯水年寶瓶口現狀多進水量6.86億立方米。隧洞系統工程4號洞進水塔澆到設計高程，3號—1號洞進水塔可于9月初澆到設計高程，正在進行埋件安裝，1號—4號引水洞進口交通橋已現澆完成。沖砂放空洞臨時度汛閘門已安裝完成，具備擋水條件。1號、2號泄洪排砂洞：進水塔已澆到853米，基本滿足下閘封堵的要求。廠房安裝間施工已經完成。

2 改造前的閥門情況
閥門特點：我廠4臺機組均采用以色列DOROT閥門，其特點：閥門減壓比高，在高水頭電站不需要多級減壓，一臺即可達到所需的出口壓力；調節范圍大，出口壓力大可在0.15～1.2MPa范圍調節，可以滿足不同水頭段、不同壓力要求；過流設計具有*結構，過流量較同類產品出眾；采用大剛度彈簧加載和射流泵技術，不管進口壓力和流量如何變化，減壓閥出口壓力穩定；過流面采用特殊結構和材料并在輔助控制閥上裝有排污裝置，減壓閥可適用任何水質，不會產生氣蝕和堵塞；可靠性高，減壓閥裝有雙反饋系統和出口壓力自鎖錠裝置，從而保證了減壓閥在工作狀態下互相切換反饋系統，以保證閥后設備安全。
遇到的問題：單機獨立運行時，輸出壓力穩定。輸出流量基本上能夠滿足我廠技術供水系統要求，但存在以下問題：2006年10月5日，發現3號機組減壓閥動作異常，全開后無法關閉，廠家人員進行檢查后發現減壓閥閥桿斷裂，中心導向爪損壞，閥座脫落更換后正常。2007年11月6日，4號機組技術供水減壓閥無法正常工作，檢查發現減壓閥閥桿斷裂，橡膠膜損壞，閥座脫落。2007年11月14日，2號機組減壓閥震動強烈，工作異常，檢查后發現減壓閥閥桿斷裂。減壓閥前后壓差過大將引起氣蝕破壞及較大氣噪。
其原因分析如下：
（1）我廠機組水頭在68.4～132.76m變化，DOROT減壓閥的低調節壓力為0.4MPa，而經過3年多時間的實際運行，我廠機組技術供水水壓允許范圍為0.25～0.4MPa。由于減壓閥工作在惡劣工況下，導致了減壓閥工作不穩定。
（2）受我廠技術供水系統運行方式影響，加之尾水取水一直未形成，可靠性較低，當4臺機技術供水管路聯絡運行時，由于每個減壓閥的機械特性不*相同，在開停機操作時管路中的局部水壓變化對減壓閥產生的瞬間沖擊很大。
（3）備用技術供水采用尾水取水方式，較目前常用的壩前取水方式增加了取水電機和控制系統，降低了設備的可靠性，增加了維護工作量，經濟性較差。

3 影響減壓閥選擇的因素
3.1 自然因素
（1）流域水源情況決定水頭變化特點。岷江是長江上游水量較大的一條支流。岷江水主要來自天然雨水、草原濕地和高山雪水。岷江不同于其他流域，每年有兩次汛期，6～7月上游暴雨大年雨量可達1688mm，有時一日雨量就達228mm。暴雨強度大，造成了洪水的暴漲暴落，對機組以及技術供水提出了較高要求。其次，由于江源區冬季降雪量大（松潘縣10月至次年1月平均積雪深度接近40cm，平均每年降雪達24次以上），每當仲春4月，氣溫逐漸升高，積雪逐漸溶化，在桃花開放的季節，融雪水集中進入江中，形成一次特殊的洪水，俗稱“桃花汛”。由于上游居住人群相對，加之其特殊的地理位置決定了紫坪鋪電站所處位置的水質情況：清潔度好、含沙量少、水溫低（河水水溫從低3.5℃到高20℃之間變化）。預計通過水輪機的多年平均水溫為16℃。
（2）河水水質影響閥門的選擇。
①天然河水含沙量及主要成分。天然河道汛期多年平均含沙量為0.886kg/m3，汛期大月平均含沙量為1.30kg/m3，多年平均含沙量為0.572kg/m3。沙的主要成分為：石英、長石、黑云母、鐵屑、粘土巖屑及其它雜質，其中莫氏硬度大于5的硬質泥沙占80%以上。
②過機泥沙顆粒與級配。
根據試驗資料得知，水庫投入運行的前30年水庫出庫水中的泥沙含量小于0.1kg/m3。過機泥沙顆粒級配見表1。
表1 過機泥沙顆粒級配表

中值粒徑/mm：0.078
平均粒徑/mm：0.148
大粒徑/mm：2.71
3.2 技術要求因素
基于以上原因，我廠對可調式減壓閥門的選取提出了以下要求：
（1）閥室的設計應能可靠地防止汽蝕的發生、雜物的附著，盡量消除或減小噪音。
（2）不管進口壓力和閥后流量如何變化，減壓閥通過一級減壓將閥后壓力減小為0.45～0.5MPa。減壓閥應能安全可靠地運行，出口壓力可根據需要方便調整。
（3）減壓閥為軟密封結構時，可進行靜態密封試驗，在規定的時間內，減壓閥不得有滲漏；減壓閥為硬密封結構時，可進行靜態密封試驗，在規定的時間內，減壓閥滲漏量不得超過減壓閥大流量的0.5%。
（4）當減壓閥進行動態試驗時，閥后出口壓力表的升壓值在采用軟密封結構時應為0，采用硬密封結構時不得超過0.2MPa/min。
（5）減壓閥應調節靈敏，無卡阻、異常振動及壓力波動現象。
（6）減壓閥在穩定流動狀態下，當其出口流量一定、進口壓力變化時，出口壓力偏差值不得超過5%。
（7）減壓閥在穩定流動狀態下，當其出口壓力一定、進口壓力變化時，出口流量偏差值不得超過10%。當進口壓力一定，出口流量從該工況下大流量的20%～99%變化時，出口壓力負偏差值不得超過10%。減壓閥應設有節流裝置，在相對較大的壓力損失情況下，具有較寬的流量范圍。
（8）減壓閥的彈簧、橡膠膜片、橡膠密封圈的使用壽命應在8萬h以上。
（9）減壓閥的導閥及其他控制部件的使用壽命應在10萬h以上。
（10）減壓閥在大減壓比工況條件下運行時，在1m范圍內的噪音應小于70分貝。
（11）減壓閥前后各配備一塊防震壓力表。

上海申弘閥門有限公司生產相關的產品有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,每一臺合格的ZJY46H減壓閥閥體均經受了超過60分鐘的1.5倍強壓實驗，*杜絕閥體缺陷，即使歷經十余年的連續運行（鏈接至應用案例-東江電站）也不會出現破裂漏水等故障。出口壓力內鎖定裝置(鏈接至減壓閥原理-ZJY46H減壓閥-Title2、減壓閥內部結構及技術特點)是為防止反饋系統遭受意外損壞后，在主活塞下方失壓時，保持出口壓力P 2 值安全的剛性保護裝置。ZJY46H組合式減壓閥專為中高水頭減壓供水系統量身設計的產品，為礦區井下供水，長距離管道輸水/輕油；水電站開停機，甩負荷工況，庫容水位變化大，過流介質泥沙含量大，沖擊式機組進口水頭高等問題提供了優良的解決方案。減壓閥工作原理：當進口壓力及流量變化時，通過控制閥調整主閥壓力調節腔的壓力，從而控制節流錐的開度，改變介質的過流面積，從而達到減壓穩壓的目的。如圖所示：當P 2 調節完成，如1所示保留適當的間隙h。當主活塞下方萬一失壓時，h消失，自動保護，如2所示。此時主閥節流錐的開度大為：H+h，如3所示。因此，出口壓力P 2 值不會形成危害性的高壓

 特點： 

1、互為備用的雙反饋系統可供不停機檢修； 

2、反沖排污系統可適用更多不佳水質。 

3、出口壓力鎖定系統可以鎖定減壓閥出口壓力上限，不再害怕高壓水造成損害。 

4、主閥與控制導閥均采用全活塞式結構。 

5、主閥閥體每臺均承受不低于1小時1.5倍強壓試驗。

6、使用壽命極大地延長，一次采購十年安全。 

7、減壓比較大可達12:1，一級減壓較高水頭已達370米。

8、流量較大可過5000m3/h，較大應用單機

4 改造后的閥門情況
基于以上要求，我們選擇了北京時代中基科技發展有限公司出品的ZJY46H型減壓閥。
4.1 減壓閥工作原理
如圖2所示：P1為減壓閥的進口壓力；P2為減壓閥的出口壓力；Pt為減壓閥主閥的彈簧壓力；Pk為減壓閥主閥的壓力調節腔壓力；Pt′為反饋系統控制閥彈簧壓力；Pk′為反饋系統控制閥壓力調節腔壓力；h為減壓閥主閥的過流面積。

圖2 減壓閥工作原理示意圖
減壓閥正常工況時，Pt=Pk；當控制閥Pt′=Pk′時，主閥和控制閥的閥座與閥瓣開啟高度h為一個定值（即過流面積一定，過流量一定）。因此，減壓閥出口壓力相對是一個低壓值P2。
在進口壓力P1變化時，出口壓力P2是不變的，當P1上升時，減壓閥的P2+ΔP2首先表現為上升，其值通過反饋系統出口管傳到控制閥，使Pt′+ΔPt′，ΔPt′與Pk′的力達到新的平衡，控制閥h減小；相應的ΔPk′壓力增大，經壓力導管，使主閥的Pk+ΔPk，Pt=Pk+ΔPk壓力達到新的平衡，主閥h減小、ΔP2值恢復為原P2值。當進口壓力P1下降時，主閥與控制閥的工況則與上述工況相反。當出口流量Q增大時，減壓閥的工況相當于P1下降時的工況。當出口流量Q減小時，減壓閥的工況相當于P1上升時的工況。
4.2 該減壓閥具有的特點
（1）減壓比大：一般減壓閥的減壓比為2∶1或3∶1，而該產品可達10∶1。高水頭水電站不需多級減壓，一臺減壓閥即可達到所需的出口壓力；
（2）調壓范圍大：該減壓閥的出口壓力可在0.15～1.2MPa范圍內任意調節，以滿足不同水頭段、不同壓力要求機組的供水要求；
（3）過流量大：該減壓閥的過流設計具有*的結構，其過流面積比同口徑的管道大，過流能力*可以適應設計中已選管道的需要；
（4）出口壓力穩定：由于采用了大剛度彈簧加載和射流泵技術，不管進口壓力和出口流量如何變化，減壓閥始終能夠保證出口壓力的穩定；
（5）對水質的適應能力強：由于其過流面采用特殊結構和材料并在輔助控制閥上裝有排污裝置，故該減壓閥可以適用任何水質，不會產生氣蝕、磨蝕和堵塞現象；
（6）可靠性高：由于該減壓閥裝有雙反饋系統和出口壓力自鎖定裝置，從而保證了該減壓閥在工作狀態下相互切換反饋系統，并保證了出口壓力不超限，從而保護了閥后設備的安全。切換功能操作簡單、穩定性好、使用壽命長；
（7）運行平穩：該減壓閥運行中無噪音、無振動、無壓力漂移、無卡阻現象；
（8）使用壽命長：由于該減壓閥內部主要部件均采用1Cr18Ni9Ti材料，主彈簧不與水接觸和主閥無橡膠受力件等良好結構，故該減壓閥的使用壽命是其它減壓閥無法相比的；
（9）安裝、調試、維護方便：對出廠調試好的減壓閥，安裝完畢后直接充水即可投入使用，平時無需調整。
目前我廠對2號、3號機組減壓閥進行了更換，其適應性有待一段時間運行考驗。
參考文獻：
[1] 陸培文.實用閥門設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2004
[2] 中國電器工業協會電站輔機分會，編.電站常用閥門手冊[M].北京：中國電力出版社，2000.

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