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深圳抽水蓄能電站球閥結構及試驗工藝分析

文檔作者：楊昭，顧志堅，陳泓宇文檔來源：中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司深圳蓄能發(fā)電有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年06月03日
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上一篇：水電廠智能化技術發(fā)展趨勢與應用

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第4l卷第2期
32 2018年2月
水電站機電技術
Mechanical＆Electrical Technique of Hydropower Station
V01．41 No．2
Feb．20l 8
深圳抽水蓄能電站球閥結構及試驗工藝分析
楊昭，顧志堅，陳泓宇
(中國南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司深圳蓄能發(fā)電有限公司，廣東深圳5181 15)
摘要：進水球閥作為抽水蓄能電站重要的組成部分，直接影響到機組的安全穩(wěn)定運行。本文系統(tǒng)介紹了深圳抽水
蓄能電站進水閥的各部位結構特點、試驗所出問題及改進意見，同時將試驗數(shù)據(jù)與有限元計算分析，進行歸納總結，
對國產(chǎn)進水球閥設計、制造、驗收有一定的借鑒意義。
關鍵詞：進水球閻；結構特點；改進；數(shù)據(jù)；有限元分析
中圖分類號：TK730．47 文獻標識碼：B 文章編號：1672—5387(2018)02-0032-05
DOI：10．13599tj．cnki．11-5130．2018．02．011
0前言2球閥主要部件結構特點
深圳抽水蓄能電站位于深圳市東北部的鹽田區(qū)
和龍崗區(qū)內(nèi)，距深圳市中心約20 km，是一座日調(diào)節(jié)
的純抽水蓄能電站。電站的總裝機容量l 200 MW，
平均水頭448．30 In，設4臺立式單級混流可逆式水
泵水輪機一發(fā)電電動機組，單機容量(發(fā)電工況)300
MW。樞紐工程由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠
房洞室群及開關站等部分組成。輸水系統(tǒng)為一管四
機，每臺機組蝸殼進水口前設置l臺球閥。1臺機組
檢修，不影響其他機組正常運行。
深蓄電站4臺球閥由安德里茨設計，其中2號、
4號由東方電機生產(chǎn)供貨，l號、3號由安德里茨生
產(chǎn)供貨，并對安裝調(diào)試質(zhì)量負責。安裝由葛洲壩集團
機電建設公司完成。由于抽水蓄能電站的特殊性，機
組高水頭、球閥啟停頻繁，要求球閥既要有良好的密
封效果，又要開關穩(wěn)定、可靠、迅速，因此有必要對其
結構裝配及試驗等進行深入分析。
1球閥的主要設計參數(shù)
直徑：①2 300nlin
設計壓力7．06MPa
接力器活塞直徑：中480 mm
接力器操作方式：水壓操作
接力器數(shù)量：2
開啟時間：40—80 S可調(diào)
關閉時間：40—80 S可調(diào)
球閥安裝在引水管下游端的電站廠房內(nèi)，球閥
上游側(cè)設有一個進水接管，進水接管通過兩節(jié)湊合
節(jié)與引水壓力鋼管相連，采用焊接方式相連。下游側(cè)
通過伸縮節(jié)與蝸殼延伸管相連。
球閥本體由整體的閥體(由分半的左閥體、右閥體
鑄件焊接為一體)、活門、自潤滑軸承及檢修密封、工作
密封、2個q口480搖擺式接力器等零部件組成。附屬設
備有上游連接管、下游伸縮節(jié)、球閥充水平壓用的旁通
閥系統(tǒng)、壓力鋼管排水管路等結構見圖1：
醚
收稿日期：2017-06-09
作者簡介：楊昭(1990一)，男，助理工程師，從事抽水蓄能電站機
電設備安裝和檢修工作。
萬方數(shù)據(jù)
第2期楊昭，等：深圳抽水蓄能電站球閥結構及試驗工藝分析33
2．1閥體
閥體采用沿水流方向垂直分半整鑄而成，材料
為鑄鋼20SiMn。在活門裝入兩半閥體后，用窄縫焊
將分半閥體焊為整體，提高了閥體強度。閥體和活門
可以進行同加工，保證了活門上密封環(huán)安裝面和閥
體上止漏環(huán)的接觸面位置準確，具有可靠的密封性
能。這種結構使閥體剛性更好，省略了分半結構閥體
中間的分半面法蘭，減少了分半面處大量的加工工
序，減輕了重量，節(jié)約了加工成本。同時使周圈密封
加工方便，加工公差易于保證，密封效果好。
2．2活門
活門采用鑄鋼20SiMn整體鑄造，過流通徑與壓
力鋼管相同，并經(jīng)機加工，以減小通過球閥的水頭損
失。左右閥軸與活門鑄造為一體，提高了活門強度。
閥軸和活門不再須用螺栓把合，兩閥軸支承中心的
距離明顯減小，由上游推力產(chǎn)生的作用在閥軸上的
彎矩也相應減小，從而改善了閥軸的受力狀況。活門
支撐采用DEVA自潤滑軸承，閥軸與軸承和軸端密
封貼合的表面有不銹鋼襯套。
2．3球閥密封
主密封包括上游側(cè)檢修密封與下游側(cè)工作密
封，由一個T型活動密封環(huán)和一個固定密封座組成。
活動密封環(huán)和固定密封座的密封表面采用數(shù)控加
工，保證了密封面形狀，并且閥體和活門上的密封環(huán)
安裝面采用同加工，保證了同軸度。閥體上與活動密
封環(huán)相接觸的表面堆焊不銹鋼層，使工作密封更加
可靠，提高了密封性能。密封環(huán)采用壓力鋼管中的水
作為操作介質(zhì)，為了顯示密封環(huán)的工作情況，安裝有
檢測密封環(huán)投人情況的行程開關。
相比惠蓄、廣蓄A廠等電站采用的D型密封，
雖然D型密封于安裝槽完全貼合，具備幾何尺寸的
穩(wěn)定性，有抵抗扭矩的能力，但同時D型密封結構存
在磨損量小的缺陷(D型底部撐滿了密封槽，無壓縮
空間)，D型頭部的過盈量磨損消耗后，即會產(chǎn)生滲
漏，因此在深蓄電站密封圈的選型上采用組合密封
結構，由一個抗磨的聚氨酯環(huán)和O形圈組成。同時O
形圈提供預緊力，使組合密封具有很大的伸縮性，當
閥體與密封環(huán)由于受力變形，密封間隙變大時，能起
到很好的補償作用，保證了密封性能。見圖2。
根據(jù)要求，檢修密封還具有投入腔失壓后的防
開啟自鎖功能，以及在下游側(cè)無壓狀態(tài)、退出腔建壓
后的防開啟自鎖功能。因此相比同類球閥如仙游機
組球形閥，檢修密封取消了機械鎖定，簡化了結構。
檢修密封環(huán)同樣采用上游壓力鋼管中的水作為操作
介質(zhì)，手動操作見圖3一
圖2組合密封結構示意圖
I冬】3 f令f唔鐳}圭t結f勾l冬1
2．4軸承及其密封裝置
軸承及其密封裝置由自潤滑軸瓦、鋼套、U形密
封圈、壓墊蓋等零部件組成。自潤滑軸瓦采用德國
DEVA公司的BM型軸瓦，具有良好的自潤滑性能，
摩擦系數(shù)低，抗壓強度高。軸承共采用兩道密封，內(nèi)
側(cè)密封主要是防止泥沙污物進入軸承摩擦表面，但
水能透過該道密封而進人軸承表面對軸承起潤滑作
用。這樣可確保軸承的潤滑水是清潔的，防止損壞軸
承。主要的封水密封位于軸承的外側(cè)，采用進口的U
形聚氨酯密封圈，能確保閥軸上無泄漏。在不排空壓
力鋼管，檢修密封投入的情況下，可以更換軸承密
封。
2．5球閥操作機構
操作機構接力器的直徑為(I)480 mln，行程為
1 390 mill，直缸搖擺式結構，額定操作水壓為16 MPa，
雙接力器操作。除去臂柄、支座等連接件，接力器主
萬方數(shù)據(jù)
水電站機電技術第41卷
體全英國進口。接力器的活塞桿通過臂柄與活門軸
相連接，接力器的下端蓋與支座之間用銷軸鉸鏈連
接，可自由擺動。接力器操作力通過基礎板及地腳螺
栓傳遞給混凝土基礎。
2．6旁通管路
深蓄電站進水閥同惠蓄、清蓄相比一個重要特
點就是有旁通閥。旁通管路自進水接管跨閥體連接
到下游伸縮節(jié)上，由兩個①250液壓操作針形閥組
成。球閥開啟前，需先通過旁通管路來平衡閥門前后
壓差。上游針形閥為檢修閥門，處于常開狀態(tài)，當下
游側(cè)T作針形閥需要檢修時Z-閉見圖4
㈦4旁通甲}路結i構罔
進水閥正常開關：在上游側(cè)檢修密封處于全開
位置時，打開旁通閥，向蝸殼充水，使活門前、后水壓
趨于平衡(活門前、后壓差不大于30％)，然后打開
下游工作密封，最后開啟活門。活門全開后，關閉旁
通閥。正常關閉時，應先關閉水輪機導葉，再轉(zhuǎn)動活
門。當活門到全關位置時，關閉工作密封。
3驗收試驗問題情況及改進意見
為了檢驗球閥相關零部件設計的合理性和加工
質(zhì)量，保證球閥工地安裝的順利進行，在球閥總裝完
成后出廠之前進行球閥裝配試驗出廠驗收。
驗收現(xiàn)場球閥裝配試驗工裝設施基本完善，進
水接管、中間環(huán)、密封環(huán)、止漏環(huán)、伸縮節(jié)、閥體和活
門等呈整體裝配狀態(tài)。見證項目為整體壓力試驗、工
作密封漏水試驗、檢修密封漏水試驗、檢修密封自鎖
功能試驗、止漏環(huán)動作及行程試驗、活門動作試驗、
止漏環(huán)和密封環(huán)硬度測量、部分裝配尺寸等。
3．1深蓄1號球閥驗收情況
2016年11月2日，根據(jù)驗收檢查記錄卡試驗
操作流程在安德里茨裝配車間進行l(wèi)號機球閥整體
壓力試驗，當壓力升高至3．5 MPa，打開連通工作密
封和閥體內(nèi)腔的閥門時，在工作密封9點一10點之
間位置處出現(xiàn)泄漏，狀態(tài)為多點流態(tài)溢出。安德里茨
分析原因為平壓操作不當所致，緊急將工作密封投
入腔升壓至約5．5 MPa后泄漏狀態(tài)為滴水狀，繼續(xù)
升壓至10．6 MPa壓力。鑒于整體壓力試驗過程中出
現(xiàn)多點流態(tài)溢出泄漏，為檢查密封面情況，2016年
11月3日完成球閥排水后，轉(zhuǎn)動活門檢查密封面，
主要情況如下：
1)在工作密封3點鐘、9點鐘附近發(fā)現(xiàn)有相對
位移引起的擦痕，8點鐘位置附近有多處超出密封
嚙合線寬度擦壓痕跡，見圖5；
2)閥體內(nèi)清潔度差，內(nèi)部有鐵屑等異物，見圖6。
羽5超出密封嚙合線擦壓痕跡
斟6蚓俸內(nèi)鄙清潔情況
3．2原因分析
擦痕及漏水產(chǎn)生的原因如下：
1)泄露試驗要求通過泵與閥體及止漏環(huán)的投入
腔和退出腔接通升壓，模擬現(xiàn)場工況。但此升壓過程
在實際運行操作時是不存在的。首先應在止漏環(huán)投
入腔加壓，保證閥體充水不泄露，然后當閥體充滿水
時，給閥體加壓，當閥體打壓升壓至與止漏環(huán)投入腔
平壓狀態(tài)過程中，止漏環(huán)投人腔壓力會迅速上升，需
通過泄壓閥控制，如通過手動控制，壓降速度與幅度
成非線性的變化，結合升壓與降壓的過程，止漏環(huán)與
固定密封環(huán)在嚙合的情況下會在上下游方向反復運
動，易造成劃傷。一旦產(chǎn)生泄露，閥體與止漏環(huán)同時
泄壓，平壓破壞，惡性循環(huán)。但在現(xiàn)場實際運行時，不
會因為泄露而出現(xiàn)閥體與止漏環(huán)同時失壓的狀態(tài)。
2)試驗進水孔在底部，止漏環(huán)整圈壓力不均勻。
3)閥體內(nèi)部清潔不到位。
萬方數(shù)據(jù)
第2期楊昭，等：深圳抽水蓄能電站球閥結構及試驗工藝分析35
4)壓力泵內(nèi)部未清理。
3．3處理及改進意見
1)更換處理后的固定密封環(huán)，重新試驗。
2)增加新的齒輪泵。接止漏環(huán)投入腔和退出腔。
保證止漏環(huán)壓力穩(wěn)定。
3)增加止漏環(huán)投入腔注水點。
4)采用兩套泵，分別對閥體和止漏環(huán)投入腔加
壓，保證壓力上升平穩(wěn)。
5)徹底清理閥體內(nèi)部。
4試驗數(shù)據(jù)與有限元計算分析
自2016年10月份至2017年1月份，在安德里
茨裝配車間分別完成了深蓄球閥1號和3號球閥的
工廠驗收試驗。在試驗過程中，測量活門沿下游方向
的變形相比于單獨的活門的有限元結果基本吻合，
對深蓄球閥閥體和活門整體進行了有限元計算，針
對變形的問題進行進一步的分析。
4．1試驗、單獨活門有限元計算和閥體與活門整體
有限元計算的簡述
(1)球閥工廠驗收試驗放置狀態(tài)：水平放置在支
撐上，投入轉(zhuǎn)臂上的鎖錠銷。
(2)單獨活門有限元計算：由于水壓力引起的活
門力通過軸套傳遞到軸承中心點。在中心點施加位
移約束h=晰=0．見圖7
(3)閥體與活門整體有限元計算：考慮活門與推
力軸承之間0．4 m／n的間隙。其余邊界條件依據(jù)(1)
試驗，閥體與活門整體有限元計算見圖8．
圖8閃體與活j。J整浴有限兒iI。算
其中閥體與活門整體有限元計算工況：一是閥
體與活門與水接觸的表面施加7．06 MPa的壓力，同
時考慮靜水壓力；二是閥體與活門的重量；三是工作
密封投入腔的閥體表面施加8．5 MPa壓力，同時考
慮工作密封投入腔壓力8．5 MPa時，工作密封作用
于活門的力。
4．2計算結果與試驗數(shù)據(jù)比較分析
將試驗數(shù)據(jù)同有限元計算作比較，對比結果見
表1。
表1試驗數(shù)據(jù)與有限元計算結果對比表單位：lnnl
(下轉(zhuǎn)第55頁)
萬方數(shù)據(jù)
第2期王宏兵，等：多泥沙水電站技術供水系統(tǒng)設計研究55
式，在循環(huán)供水系統(tǒng)熱交換器檢修、維護時投入運
行，兩條供水回路互為備用，汛期應盡量避免在水泵
供水方式下運行；頂蓋取水方式若經(jīng)試驗能滿足機
組技術供水的要求，則枯期以頂蓋取水方式為主，循
環(huán)供水為備用，汛期以循環(huán)供水為主，水泵供水為備
用。頂蓋取水供水方式以轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)密封處的漏
水作為機組技術供水，在水壓、水量滿足要求的前提
下，水質(zhì)好、水壓穩(wěn)定，機組運行即可得到可靠的水
源，不需要外加泵及過濾裝置，不消耗任何能源，長
期運行節(jié)能效益明顯；但是頂蓋取水方式受到密封
間隙、機組運行工況等諸多因素的影響，較難從設計
上保證頂蓋取水方式一直都滿足機組技術供水對水
壓、水量的要求，因此不建議以頂蓋取水作為機組技
術供水的唯一方式。
5結論及建議
通過對大盈江水電站(四級)各階段技術供水系
統(tǒng)的分析研究，可以看出：①對于多泥沙、小庫容水
電站，技術供水系統(tǒng)設計過程中，應對電站壩址水
質(zhì)，特別是泥沙級配成果引起足夠的重視，從而選擇
合適的技術供水方式；②在水質(zhì)條件較差的情況下，
循環(huán)供水方式是一個不錯的選擇，只要熱交換器選
型、選材、布置得當，即可以保證水輪發(fā)電機組的長
期安全穩(wěn)定運行；③水泵供水方式，臥式離心泵取
水口的位置避免設在水輪機尾水管的頂部，預防取
水管進氣及水中漂浮物堵塞技術供水系統(tǒng)內(nèi)的設
備，同時也避免設在尾水管的底部位置，防止泥沙淤
積堵塞取水管。以上為在大盈江水電站(四級)工程
實踐中，對機組技術供水系統(tǒng)設計的一點認識與見
解，有紕漏之處，敬請指正。
參考文獻：
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河，2013，32(1)：53-56，101．
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式研究田．水力發(fā)電，2014，40(10)：84—88．
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【7】朱勁木，張松波．可調(diào)射流泵在水電站技術供水中的應用
研究Ⅱ】沖國農(nóng)村水利水電，2013(3)：160-162，166．
【8】龍有賓，熊少輝．樂灘水電站技術供水系統(tǒng)設計及其特點
Ⅱ】．紅水河，2003，22(3)：51—53．
(上接第35頁)
根據(jù)表l對比結果，我們可以得出以下結論：
1)活門中心水流方向變形的計算結果與1號、3
號球閥活門試驗測量數(shù)據(jù)趨于一致。
2)排除鎖錠銷與銷孔間隙引起活門轉(zhuǎn)動的影響
(6點變形+12點變形實測值與計算結果比較)，l
號，3號球閥活門12點和6點位置的變形與計算值
趨于一致。
3)通過有限元分析可以看出，在活門中心不同
部位架表，變形量的大小不一樣，最大、最小變形量
差值在0．30 mm左右。因此，百分表架設的部位不一
樣，其讀數(shù)會存在一定差異?？傮w上來說，活門的變
形趨勢是與有限元分析吻合的。
5結束語
深圳抽水蓄能電站進水閥采用安德里茨公司成
熟設計，東方電機和安德里茨各制造2臺，借鑒和吸
收了廣蓄、惠蓄、仙游、清蓄等運行經(jīng)驗加以改進完
善，目前4臺進水閥已全部通過出廠驗收，其中整體
壓力試驗、檢修密封試驗、工作密封試驗漏水量遠小
于合同要求0．1 L／rain。其設計、制造、驗收的成功經(jīng)
驗對其他同類電站進水閥有借鑒意義。
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U1．廣東電力，2014(9)．
萬方數(shù)據(jù)

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