高水頭水電站減壓閥在紫坪鋪電廠供水系統(tǒng)應(yīng)用

                  高水頭水電站減壓閥在紫坪鋪電廠供水系統(tǒng)應(yīng)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(shù)探討，現(xiàn)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(xiāng)境內(nèi)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(fā)電、防洪、環(huán)境保護(hù)、旅游等綜合效益。紫坪鋪水利樞紐工程是國家西部大開發(fā)“標(biāo)志性工程”之一，具有不*年調(diào)節(jié)功能。電站總裝機(jī)容量760MW（4×190MW），保證出力168MW，年發(fā)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(huán)網(wǎng)，可承擔(dān)西南電網(wǎng)一部分調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)。水庫正常蓄水位高程877m，死水位高程817m，設(shè)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(shù)供水提出了問題，造成技術(shù)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(tǒng)應(yīng)用紫坪鋪電廠供水系統(tǒng)概況
水電站的技術(shù)供水系統(tǒng)是水輪發(fā)電機(jī)組*的組成部分。其擔(dān)負(fù)著機(jī)組的上導(dǎo)、空冷器、推力軸承、水導(dǎo)、主軸密封、下導(dǎo)及變壓器冷卻、消防、生活用水等方面的重要任務(wù)。
我廠機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)的正常供水采用自流供水方式，每臺機(jī)在蝸殼進(jìn)口處的直管段設(shè)有一個取水口，一路供機(jī)組各部技術(shù)用水，作為本機(jī)組的技術(shù)供水工作水源，另一路供給技術(shù)用水備用總管；在尾水設(shè)有兩個取水口，通過兩臺雙吸離心泵直接供技術(shù)供水備用總管，作為全廠技術(shù)供水的備用水源。通過技術(shù)供水備用總管，各機(jī)組技術(shù)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(tǒng)應(yīng)用紫坪鋪電廠技術(shù)供水示意圖
技術(shù)供水的主要供水對象為主變冷卻器、發(fā)電機(jī)空氣冷卻器、推力軸承冷卻器、上導(dǎo)軸承油冷卻器、水導(dǎo)軸承冷卻器、備用供水總管等設(shè)備。
技術(shù)供水進(jìn)水總管的正常水壓為0.30～0.40MPa；上導(dǎo)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(jī)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(yīng)的水壓力為0.69～1.33MPa。
優(yōu)點：若某臺機(jī)組因故不能從本機(jī)組蝸殼取水時，可打開機(jī)組冷卻備用供水閥由全廠技術(shù)供水備用總管供水；當(dāng)全廠技術(shù)供水不能從機(jī)組蝸殼取水或者蝸殼取水不能滿足供水質(zhì)量要求時，備用技術(shù)供水系統(tǒng)由尾水取水。

高水頭水電站機(jī)組技術(shù)供水系 統(tǒng),由于水壓過大通常需要采取減壓措施,目前國內(nèi)采用的減壓方案存在的問題很多。經(jīng)過廣泛調(diào)查研究,設(shè)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(jié)構(gòu)、自動控制系統(tǒng)及其調(diào)節(jié)特性。該閥具有*的雙閥盤結(jié)構(gòu)和的自動控制系統(tǒng),能夠保證機(jī)組技術(shù)供水的正常減壓。在水壓超過允許壓力時,也能自動調(diào) 節(jié)供水壓力,滿足現(xiàn)場需要。該閥也可用于對壓力調(diào)整沒有要求的其他液壓系統(tǒng),具有一定的推廣價值。研究了在水電站供水系統(tǒng)中采用小水輪機(jī)代替減壓閥時水輪機(jī)選擇及工況穩(wěn)定問題，在高水頭型水 電站中采用小水輪機(jī)組作為鋼管引水降壓設(shè)施，將高水頭的能量轉(zhuǎn)化為電能送入廠用電網(wǎng)，小水輪機(jī)出口保持供水系統(tǒng)所需要的穩(wěn)定水壓，將水輸入用水設(shè)備；并以 某水電站為例加以論述。研究表明，水輪機(jī)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(tǒng)中主要擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù) ,并有較長時間帶部分負(fù)荷運行。需要對水輪機(jī)的各項性能進(jìn)行認(rèn)真研究、分析 ,了解水輪機(jī)模型的性能特點 ,針對這些特點指導(dǎo)機(jī)組的調(diào)度和運行 ,以求機(jī)組在低事故率的情況下發(fā)揮更好的作用。主要就PO140模型轉(zhuǎn)輪的性能 ,結(jié)合紫坪鋪電站的運行條件進(jìn)行了初步分析 ,提出了一些指導(dǎo)機(jī)組運行的建設(shè)性意見。高水頭水電站highheadhydro-electricstation水頭大于200m的水電站。一般建設(shè)河流上游的高山地區(qū)，多數(shù)為引水式或混合式水電站。這種水電站往往本身無調(diào)節(jié)水庫或只有調(diào)節(jié)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(wěn)定，水頭變化幅度相對不大，它的出力和發(fā)電量基本取決于來水量。高水頭水電站機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng),由于水壓過大通常需要采取減壓措施,目前國內(nèi)采用的減壓方案存在的問題很多。經(jīng)過廣泛調(diào)查研究,設(shè)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(jié)構(gòu)、自動控制系統(tǒng)及其調(diào)節(jié)特性。該閥具有*的雙閥盤結(jié)構(gòu)和的自動控制系統(tǒng),能夠保證機(jī)組技術(shù)供水的正常減壓。在水壓超過允許壓力時,也能自動調(diào)節(jié)供水壓力,滿足現(xiàn)場需要。該閥也可用于對壓力調(diào)整沒有要求的其他液壓系統(tǒng),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(diào)服從水調(diào),在保證下游供水的條件下實現(xiàn)自動發(fā)電控制,限制功率調(diào)節(jié)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(xiàn),采用一些特殊的方法解決以上問題。如通過設(shè)置小下泄流量保證下游供水,限制功率調(diào)節(jié)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(xiàn)AGC各項功能,為作為水利樞紐工程的電站實現(xiàn)AGC提供了寶貴的經(jīng)驗。大壩上游臨時斷面已填筑上升122米（設(shè)計大壩高156米）到848米高程，預(yù)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(shè)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(jī)容量76萬千瓦，保證出力16．8萬千米，年發(fā)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(dān)西南電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)和擔(dān)負(fù)一定的事故備用。紫鋪水庫建成后，可調(diào)節(jié)增加枯水期洪水7.75億立方米，設(shè)計枯水年寶瓶口現(xiàn)狀多進(jìn)水量6.86億立方米。隧洞系統(tǒng)工程4號洞進(jìn)水塔澆到設(shè)計高程，3號—1號洞進(jìn)水塔可于9月初澆到設(shè)計高程，正在進(jìn)行埋件安裝，1號—4號引水洞進(jìn)口交通橋已現(xiàn)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(jìn)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(jīng)完成。

2 改造前的閥門情況
閥門特點：我廠4臺機(jī)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(dá)到所需的出口壓力；調(diào)節(jié)范圍大，出口壓力大可在0.15～1.2MPa范圍調(diào)節(jié)，可以滿足不同水頭段、不同壓力要求；過流設(shè)計具有*結(jié)構(gòu)，過流量較同類產(chǎn)品出眾；采用大剛度彈簧加載和射流泵技術(shù)，不管進(jìn)口壓力和流量如何變化，減壓閥出口壓力穩(wěn)定；過流面采用特殊結(jié)構(gòu)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(zhì)，不會產(chǎn)生氣蝕和堵塞；可靠性高，減壓閥裝有雙反饋系統(tǒng)和出口壓力自鎖錠裝置，從而保證了減壓閥在工作狀態(tài)下互相切換反饋系統(tǒng)，以保證閥后設(shè)備安全。
遇到的問題：單機(jī)獨立運行時，輸出壓力穩(wěn)定。輸出流量基本上能夠滿足我廠技術(shù)供水系統(tǒng)要求，但存在以下問題：2006年10月5日，發(fā)現(xiàn)3號機(jī)組減壓閥動作異常，全開后無法關(guān)閉，廠家人員進(jìn)行檢查后發(fā)現(xiàn)減壓閥閥桿斷裂，中心導(dǎo)向爪損壞，閥座脫落更換后正常。2007年11月6日，4號機(jī)組技術(shù)供水減壓閥無法正常工作，檢查發(fā)現(xiàn)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(jī)組減壓閥震動強(qiáng)烈，工作異常，檢查后發(fā)現(xiàn)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(jī)組水頭在68.4～132.76m變化，DOROT減壓閥的低調(diào)節(jié)壓力為0.4MPa，而經(jīng)過3年多時間的實際運行，我廠機(jī)組技術(shù)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(dǎo)致了減壓閥工作不穩(wěn)定。
（2）受我廠技術(shù)供水系統(tǒng)運行方式影響，加之尾水取水一直未形成，可靠性較低，當(dāng)4臺機(jī)技術(shù)供水管路聯(lián)絡(luò)運行時，由于每個減壓閥的機(jī)械特性不*相同，在開停機(jī)操作時管路中的局部水壓變化對減壓閥產(chǎn)生的瞬間沖擊很大。
（3）備用技術(shù)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(jī)和控制系統(tǒng)，降低了設(shè)備的可靠性，增加了維護(hù)工作量，經(jīng)濟(jì)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(dá)1688mm，有時一日雨量就達(dá)228mm。暴雨強(qiáng)度大，造成了洪水的暴漲暴落，對機(jī)組以及技術(shù)供水提出了較高要求。其次，由于江源區(qū)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(dá)24次以上），每當(dāng)仲春4月，氣溫逐漸升高，積雪逐漸溶化，在桃花開放的季節(jié)，融雪水集中進(jìn)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(zhì)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(yù)計通過水輪機(jī)的多年平均水溫為16℃。
（2）河水水質(zhì)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(zhì)，其中莫氏硬度大于5的硬質(zhì)泥沙占80%以上。
②過機(jī)泥沙顆粒與級配。
根據(jù)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(jī)泥沙顆粒級配見表1。
表1 過機(jī)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(shù)要求因素
基于以上原因，我廠對可調(diào)式減壓閥門的選取提出了以下要求：
（1）閥室的設(shè)計應(yīng)能可靠地防止汽蝕的發(fā)生、雜物的附著，盡量消除或減小噪音。
（2）不管進(jìn)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(yīng)能安全可靠地運行，出口壓力可根據(jù)需要方便調(diào)整。
（3）減壓閥為軟密封結(jié)構(gòu)時，可進(jìn)行靜態(tài)密封試驗，在規(guī)定的時間內(nèi)，減壓閥不得有滲漏；減壓閥為硬密封結(jié)構(gòu)時，可進(jìn)行靜態(tài)密封試驗，在規(guī)定的時間內(nèi)，減壓閥滲漏量不得超過減壓閥大流量的0.5%。
（4）當(dāng)減壓閥進(jìn)行動態(tài)試驗時，閥后出口壓力表的升壓值在采用軟密封結(jié)構(gòu)時應(yīng)為0，采用硬密封結(jié)構(gòu)時不得超過0.2MPa/min。
（5）減壓閥應(yīng)調(diào)節(jié)靈敏，無卡阻、異常振動及壓力波動現(xiàn)象。
（6）減壓閥在穩(wěn)定流動狀態(tài)下，當(dāng)其出口流量一定、進(jìn)口壓力變化時，出口壓力偏差值不得超過5%。
（7）減壓閥在穩(wěn)定流動狀態(tài)下，當(dāng)其出口壓力一定、進(jìn)口壓力變化時，出口流量偏差值不得超過10%。當(dāng)進(jìn)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(fù)偏差值不得超過10%。減壓閥應(yīng)設(shè)有節(jié)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(yīng)在8萬h以上。
（9）減壓閥的導(dǎo)閥及其他控制部件的使用壽命應(yīng)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(nèi)的噪音應(yīng)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(chǎn)相關(guān)的產(chǎn)品有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,每一臺合格的ZJY46H減壓閥閥體均經(jīng)受了超過60分鐘的1.5倍強(qiáng)壓實驗，*杜絕閥體缺陷，即使歷經(jīng)十余年的連續(xù)運行（鏈接至應(yīng)用案例-東江電站）也不會出現(xiàn)破裂漏水等故障。出口壓力內(nèi)鎖定裝置(鏈接至減壓閥原理-ZJY46H減壓閥-Title2、減壓閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點)是為防止反饋系統(tǒng)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(hù)裝置。ZJY46H組合式減壓閥專為中高水頭減壓供水系統(tǒng)量身設(shè)計的產(chǎn)品，為礦區(qū)井下供水，長距離管道輸水/輕油；水電站開停機(jī)，甩負(fù)荷工況，庫容水位變化大，過流介質(zhì)泥沙含量大，沖擊式機(jī)組進(jìn)口水頭高等問題提供了優(yōu)良的解決方案。減壓閥工作原理：當(dāng)進(jìn)口壓力及流量變化時，通過控制閥調(diào)整主閥壓力調(diào)節(jié)腔的壓力，從而控制節(jié)流錐的開度，改變介質(zhì)的過流面積，從而達(dá)到減壓穩(wěn)壓的目的。如圖所示：當(dāng)P 2 調(diào)節(jié)完成，如1所示保留適當(dāng)?shù)拈g隙h。當(dāng)主活塞下方萬一失壓時，h消失，自動保護(hù)，如2所示。此時主閥節(jié)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(tǒng)可供不停機(jī)檢修； 

2、反沖排污系統(tǒng)可適用更多不佳水質(zhì)。 

3、出口壓力鎖定系統(tǒng)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(dǎo)閥均采用全活塞式結(jié)構(gòu)。 

5、主閥閥體每臺均承受不低于1小時1.5倍強(qiáng)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(dá)12:1，一級減壓較高水頭已達(dá)370米。

8、流量較大可過5000m3/h，較大應(yīng)用單機(jī)

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(fā)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(jìn)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(diào)節(jié)腔壓力；Pt′為反饋系統(tǒng)控制閥彈簧壓力；Pk′為反饋系統(tǒng)控制閥壓力調(diào)節(jié)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(dāng)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(jìn)口壓力P1變化時，出口壓力P2是不變的，當(dāng)P1上升時，減壓閥的P2+ΔP2首先表現(xiàn)為上升，其值通過反饋系統(tǒng)出口管傳到控制閥，使Pt′+ΔPt′，ΔPt′與Pk′的力達(dá)到新的平衡，控制閥h減小；相應(yīng)的ΔPk′壓力增大，經(jīng)壓力導(dǎo)管，使主閥的Pk+ΔPk，Pt=Pk+ΔPk壓力達(dá)到新的平衡，主閥h減小、ΔP2值恢復(fù)為原P2值。當(dāng)進(jìn)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(dāng)出口流量Q增大時，減壓閥的工況相當(dāng)于P1下降時的工況。當(dāng)出口流量Q減小時，減壓閥的工況相當(dāng)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(chǎn)品可達(dá)10∶1。高水頭水電站不需多級減壓，一臺減壓閥即可達(dá)到所需的出口壓力；
（2）調(diào)壓范圍大：該減壓閥的出口壓力可在0.15～1.2MPa范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)，以滿足不同水頭段、不同壓力要求機(jī)組的供水要求；
（3）過流量大：該減壓閥的過流設(shè)計具有*的結(jié)構(gòu)，其過流面積比同口徑的管道大，過流能力*可以適應(yīng)設(shè)計中已選管道的需要；
（4）出口壓力穩(wěn)定：由于采用了大剛度彈簧加載和射流泵技術(shù)，不管進(jìn)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(wěn)定；
（5）對水質(zhì)的適應(yīng)能力強(qiáng)：由于其過流面采用特殊結(jié)構(gòu)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(zhì)，不會產(chǎn)生氣蝕、磨蝕和堵塞現(xiàn)象；
（6）可靠性高：由于該減壓閥裝有雙反饋系統(tǒng)和出口壓力自鎖定裝置，從而保證了該減壓閥在工作狀態(tài)下相互切換反饋系統(tǒng)，并保證了出口壓力不超限，從而保護(hù)了閥后設(shè)備的安全。切換功能操作簡單、穩(wěn)定性好、使用壽命長；
（7）運行平穩(wěn)：該減壓閥運行中無噪音、無振動、無壓力漂移、無卡阻現(xiàn)象；
（8）使用壽命長：由于該減壓閥內(nèi)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(jié)構(gòu)，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(diào)試、維護(hù)方便：對出廠調(diào)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(diào)整。
目前我廠對2號、3號機(jī)組減壓閥進(jìn)行了更換，其適應(yīng)性有待一段時間運行考驗。
參考文獻(xiàn)：
[1] 陸培文.實用閥門設(shè)計手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004
[2] 中國電器工業(yè)協(xié)會電站輔機(jī)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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