吳繼兵，樸春光

（哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

哈電水泵水輪機進(jìn)水球閥的技術(shù)進(jìn)步

吳繼兵，樸春光

（哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

本文主要介紹哈電水泵水輪機進(jìn)水球閥技術(shù)的發(fā)展歷程、當(dāng)前的技術(shù)水平以及最新的技術(shù)成果。

哈電；水泵水輪機；進(jìn)水閥；球閥; 設(shè)計技術(shù)進(jìn)步

0 前言

進(jìn)水閥是水電站廠房內(nèi)所有設(shè)備和人員的保護(hù)閥，其性能的優(yōu)劣直接影響著電站的安全運行。球閥應(yīng)用水頭較高，密封性能較好，高水頭及抽水蓄能電站的進(jìn)水閥普遍采用球閥，哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司（以下簡稱哈電）從建廠伊始就著力于進(jìn)水球閥的開發(fā)和研究。近年來，隨著高水頭水力資源的進(jìn)一步開發(fā)及高水頭抽水蓄能電站的迅速發(fā)展，對進(jìn)水球閥的質(zhì)量要求也越來越高。搞好進(jìn)水球閥的科研、設(shè)計工作是發(fā)展高水頭、大容量抽水蓄能水電技術(shù)的一個不可缺少的環(huán)節(jié)。

1 哈電進(jìn)水球閥的設(shè)計技術(shù)進(jìn)步

1.1 早期自主研發(fā)

哈電從1956年中國龍池項目500mm球閥開始進(jìn)行水輪機進(jìn)水球閥的研制工作，在之后的40年里，哈電球閥技術(shù)取得了一些進(jìn)步，但除漁子溪1600mm球閥、魯布革2200mm球閥（哈電主包、GE設(shè)計和制造）外，球閥直徑均不大于 1000mm。近年來，隨著高水頭和抽水蓄能項目的大量開發(fā)，球閥技術(shù)得到了長足的進(jìn)步。1998年哈電創(chuàng)新的開發(fā)出斜分瓣結(jié)構(gòu)的進(jìn)水球閥，解決了分瓣面密封處理的難題。2001年哈電自主研制出第一個應(yīng)用于水泵水輪機的進(jìn)水球閥——南陽回龍電站直徑1300mm、水頭461m的球閥，該球閥在工廠試驗中表現(xiàn)良好，安裝運行初期主要性能指標(biāo)也達(dá)到了設(shè)計要求，但運行一年后出現(xiàn)漏水并越來越嚴(yán)重，2008年不得不對閥軸密封、主密封進(jìn)行局部改造，改造后至今運行效果良好。在哈電早期自主研發(fā)過程中，取得了一些進(jìn)步，但也付出了不少代價、走了不少彎路，為球閥技術(shù)向更高層次發(fā)展積累了經(jīng)驗、蓄積了力量。

1.2 國外技術(shù)的引進(jìn)

2004年哈電與挪威GE公司合作，設(shè)計制造過韓國青松抽水蓄能電站直徑2800mm的球閥。該球閥由GE公司進(jìn)行概念設(shè)計，完成主要裝配圖的整體設(shè)計，由哈電完成所有零部件的設(shè)計并在哈電工廠完成所有零部件的制造、組裝和試驗。通過青松項目的合作，哈電對大直徑球閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計和強度計算有了一個總體的了解。

2003年3月，國家發(fā)展和改革委員會為促進(jìn)我國抽水蓄能電站建設(shè)的發(fā)展，采用“打捆招標(biāo)”捆綁招標(biāo)的方式引進(jìn)抽水蓄能電站機組設(shè)備設(shè)計和制造技術(shù)，以逐步實現(xiàn)我國抽水蓄能電站機組設(shè)備制造的國產(chǎn)化，哈電和東方電機有限公司是技術(shù)轉(zhuǎn)讓的主承受方，法國 ALSTOM 公司是技術(shù)轉(zhuǎn)讓的出讓方。2005年 4月～6月、2006年2月～4月，哈電的球閥設(shè)計人員分兩批赴法國 ALSTOM 公司進(jìn)行水泵水輪機進(jìn)水球閥設(shè)計技術(shù)的轉(zhuǎn)讓培訓(xùn)工作，系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了ALSTOM公司的水泵水輪機進(jìn)水球閥的設(shè)計方法，包括設(shè)計理念、球閥結(jié)構(gòu)、有限元及經(jīng)典計算方法等。

1.3 自主創(chuàng)新

2008年4月，哈電與安徽響水澗抽水蓄能有限公司簽訂了響水澗電站機組設(shè)備采購合同，包含4臺直徑3300mm進(jìn)水球閥。哈電決定自主研發(fā)，完成國內(nèi)首個完全國產(chǎn)化的抽水蓄能電站發(fā)電設(shè)備供貨，完全自主設(shè)計、制造和供貨，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的抽水蓄能項目。通過對哈電現(xiàn)有技術(shù)的整合，消化吸收 GE和ALSTOM公司的設(shè)計理念、思路和方法，哈電完成了響水澗球閥的設(shè)計制造和安裝。2012年7月21日，響水澗 3號機球閥完成了動水關(guān)閉試驗，順利通過國網(wǎng)新源公司的驗收。動水關(guān)閉試驗的成功，標(biāo)志著響水澗球閥的各項性能均已滿足業(yè)主要求，達(dá)到設(shè)計目標(biāo)。

1.4 發(fā)展歷程

圖1為哈電水輪機進(jìn)水球閥的發(fā)展歷程圖表，從表中可以看出，哈電大直徑球閥技術(shù)隨時間的推移在不斷地、穩(wěn)步地向更大直徑發(fā)展。

圖1 哈電水輪機進(jìn)水球閥的發(fā)展歷程圖表

2 哈電水輪機進(jìn)水球閥的設(shè)計手段和技術(shù)

通過自主研發(fā)、積極探索以及青松、“打捆招標(biāo)”項目的球閥技術(shù)引進(jìn)，哈電在進(jìn)水球閥的設(shè)計理念和設(shè)計手段上都取得了實質(zhì)性的進(jìn)步。

2.1 設(shè)計手段的進(jìn)步

球閥關(guān)鍵部件的剛強度分析，采用了先進(jìn)的有限元分析手段，通過多年的探索和研究，確定了最佳的分析計算方法，如圖2所示。

（1）建立并完善了球閥閥體有限元分析的邊界條件。根據(jù)不同邊界條件下計算結(jié)果的差異，更正了我公司原來計算球閥的邊界條件，為公司球閥的優(yōu)化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

（2）建立并完善了球閥閥體有限元分析的約束條件：考慮1/2分析模型，在切開斷面處采用對稱約束邊界條件；約束上游連接管與混凝土相交所有節(jié)點的軸向（水流方向）自由度，約束地腳把合平面上相應(yīng)節(jié)點的Z方向（沿地腳平面法向）位移；

（3）接觸單元的設(shè)定：在上游連接管與游離法蘭、游離法蘭與球閥閥體、球閥閥體與游離法蘭、游離法蘭與下游連接管之間的法蘭面上，認(rèn)為連接螺栓處直徑大小為一體，其他面與面之間采用接觸單元。

圖2 某電站球閥閥體在有限元分析中的應(yīng)力圖形顯示

（4）對球閥進(jìn)行動水關(guān)閉應(yīng)力計算，同時根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)，自行編制了《球閥在動水關(guān)閉過程中應(yīng)力變化幅值》程序，為今后對球閥進(jìn)行疲勞分析奠定基礎(chǔ)。

（5）為求出活門高應(yīng)力區(qū)域的真實應(yīng)力水平，運用I-DEAS軟件和ANSYS軟件之間的內(nèi)部特點，結(jié)合EXCEL軟件VBA語言，自行編制了《子模型轉(zhuǎn)換》程序，這樣可以大幅度地降低活門分析周期，尤其是降低活門子模型分析周期，提高工作效率。

（6）為求出球閥操作機構(gòu)的操作容量需求，運用EXCEL軟件VBA語言，編制了《球閥操作計算》程序，對球閥開啟和關(guān)閉過程進(jìn)行詳細(xì)計算，可以快速、準(zhǔn)確的對所選擇的接力器參數(shù)進(jìn)行校核，提高工作效率的同時，也使計算結(jié)構(gòu)更準(zhǔn)確可信。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計的進(jìn)步

2.2.1 閥體結(jié)構(gòu)型式

通過多年的發(fā)展和技術(shù)積累，哈電閥體的結(jié)構(gòu)有如下四種型式，如圖3所示。各種型式特點鮮明，均有應(yīng)用業(yè)績。豐富多樣的結(jié)構(gòu)型式可滿足不同項目特點以及業(yè)主的不同需求。

2.2.2 主密封的結(jié)構(gòu)型式

經(jīng)過設(shè)計的優(yōu)化和應(yīng)用效果的淘選，哈電球閥主密封的結(jié)構(gòu)歸納有如下兩種型式，如圖 4所示。各有優(yōu)點，可滿足不同直徑、水頭段的球閥密封需要，根據(jù)不同的電站參數(shù)，選擇相應(yīng)的主密封結(jié)構(gòu)可使密封效果達(dá)到最佳匹配。

圖3 哈電閥體的結(jié)構(gòu)

2.2.3 軸承及軸密封

哈電球閥軸承及軸密封的常用結(jié)構(gòu)為如下型式，閥軸表面采用不銹鋼的襯套保護(hù)，防止生銹影響軸承及密封，軸瓦鑲嵌在鋼套內(nèi)，可隨鋼套一起拆裝，在鋼套靠近水的一端設(shè)置防砂用的密封圈，防止水中的砂子進(jìn)入軸承損壞軸瓦，在鋼套靠近空氣一的端設(shè)置閥軸主密封，防止球閥內(nèi)部的水向外泄漏。此結(jié)構(gòu)可滿足在上游鋼管不排水的條件下更換閥軸密封，還可滿足在不解體閥體的條件下更換軸瓦。如圖5所示。

圖4 哈電球閥主密封的結(jié)構(gòu)

圖5

2.3 球閥控制技術(shù)的進(jìn)步

抽水蓄能機組較常規(guī)機組工況轉(zhuǎn)換頻繁、復(fù)雜，球閥的輔助設(shè)備多，控制點也多，相互關(guān)聯(lián)度高、系統(tǒng)集成性強。除常規(guī)操作外，為防止誤操作造成設(shè)備損壞，哈電球閥控制技術(shù)可以達(dá)到如下液壓閉鎖功能：

（1）在機組過速裝置動作后，以液壓信號控制球閥及時關(guān)閉，防止事故擴大。

（2）球閥與尾水閘門閉鎖，防止尾水閘門承受上游高壓水作用損壞。

（3）球閥密封環(huán)與活門動作的液壓閉鎖。

（4）球閥活門鎖錠裝置與接力器動作的閉鎖。

3 哈電水輪機進(jìn)水球閥自主研發(fā)的最新成果

哈電的球閥設(shè)計人員通過自主研發(fā)和引進(jìn)技術(shù)的消化吸收，開展了具有哈電風(fēng)格的進(jìn)水球閥設(shè)計開發(fā)工作，已經(jīng)具有了一定的開發(fā)經(jīng)驗，并逐漸構(gòu)建和完善水輪機進(jìn)水球閥的業(yè)績儲備和尺寸系列。

安徽響水澗3300mm球閥是最新的投入運行的項目，基本代表了哈電當(dāng)前球閥的最新成果，以下介紹哈電在響水澗水泵水輪機進(jìn)水球閥的設(shè)計中所考慮的問題及解決方法。

（1）球閥型號： QF274-WY-330

（2）基本參數(shù)：

響水澗球閥用于抽水蓄能電站，水頭不高但直徑較大，其難點主要在于如下幾點：

（1）如何保證大尺寸球閥部件的剛強度；

（2）閥體如何合理的分半；

（3）接力器操作能力的計算；

（4）解決由于活門變形的不均勻?qū)γ芊庑阅艿挠绊?

（5）閥軸密封的選型設(shè)計；

（6）主密封環(huán)密封件的選型設(shè)計；

（7）運輸和電站組裝。

分析響水澗項目各項參數(shù)，對比哈電球閥業(yè)績和技術(shù)特點，主要采用以下幾種手段和方法解決設(shè)計疑難問題：

（8）利用有限元計算等先進(jìn)的設(shè)計工具，精確計算閥體和活門的剛強度；

（9）閥體采用大小半結(jié)構(gòu)，使閥軸處密封避開閥體分半面；

（10）在活門的設(shè)計上著重考慮其剛性，控制活門的絕對變形量，從而保證主密封的可靠性；

（11）采用密封環(huán)柔性設(shè)計方法，使L形密封環(huán)的變形適應(yīng)活門的不均勻變形，達(dá)到密封面貼合；

（12）采用球形密封面，以適應(yīng)全閉不到位時的密封要求；

（13）閥軸密封選型，考慮將結(jié)構(gòu)設(shè)計的更加緊湊，采用更加耐磨的材料；

（14）將主密封（密封環(huán)、密封座）采用不銹鋼，密封環(huán)的密封采用專業(yè)廠家提供的D型密封；

（15）對球閥的工廠組裝、水壓試驗進(jìn)行跟蹤，將出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，為日后進(jìn)行進(jìn)一步完善提供依據(jù)。

結(jié)合原合同的要求，針對設(shè)計疑難點，進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)分析，將各個解決方案在廠內(nèi)設(shè)計評審會和設(shè)計聯(lián)絡(luò)會上與專家們探討，達(dá)成共識。按照項目進(jìn)度，現(xiàn)已完成設(shè)計、生產(chǎn)、運輸、安裝、調(diào)試等環(huán)節(jié)，進(jìn)入運行階段。響水澗球閥的公稱直徑為 φ3.3m，是目前國內(nèi)自主設(shè)計制造的直徑最大的球閥，該球閥設(shè)計制造的成功，鞏固了哈電在國內(nèi)球閥技術(shù)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位、縮小我國同國外先進(jìn)技術(shù)的差距，標(biāo)志著哈電具備了大直徑球閥的設(shè)計制造能力。

4 結(jié)論

在國家發(fā)展和改革委員會和國內(nèi)外業(yè)主單位的大力支持下，通過自主探索、技術(shù)引進(jìn)和實踐應(yīng)用，哈電完成了從模仿、復(fù)制、引進(jìn)、消化吸收到自主創(chuàng)新過程的蛻變，在國際大直徑球閥技術(shù)領(lǐng)域擁有一席之地。我們相信，有國家發(fā)展和改革委員會及國內(nèi)外業(yè)主單位的鼎力相助下，通過哈電科研人員的不懈努力，一定能將高品質(zhì)球閥依賴進(jìn)口的形勢扭轉(zhuǎn)過來，實現(xiàn)水輪機進(jìn)水球閥的全部完全國產(chǎn)化，哈電也必將為我國的水電事業(yè)做出更大的貢獻(xiàn)，并有能力向國外輸出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的高品質(zhì)球閥，為國創(chuàng)匯，為民族企業(yè)爭光。

審稿人：趙越

The Pump Turbine Inlet Spherical Valve Technology Development of HEC

WU Jibing, PIAO Chunguang
(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

This article describes the development process of the HEC’s pump turbine inlet spherical valve technology, the current level of technology and the latest technological achievements.

HEC; pump turbine; inlet valve; spherical valve; progress of design technology

TK730.4+7

A

1000-3983(2014)03-0077-04

2013-12-20

吳繼兵（1977-），男，2001年畢業(yè)于華北水利水電學(xué)院，現(xiàn)從事水輪機及進(jìn)水閥門研發(fā)工作，工程師。