哈电水泵水轮机进水球阀的技术进步

    0 前言

    进水阀是水电站厂房内所有设备和人员的保护阀，其性能的优劣直接影响着电站的安全运行。球阀应用水头较高，密封性能较好，高水头及抽水蓄能电站的进水阀普遍采用球阀，哈尔滨电机厂有限责任公司（以下简称哈电）从建厂伊始就着力于进水球阀的开发和研究。近年来，随着高水头水力资源的进一步开发及高水头抽水蓄能电站的迅速发展，对进水球阀的质量要求也越来越高。搞好进水球阀的科研、设计工作是发展高水头、大容量抽水蓄能水电技术的一个不可缺少的环节。

    1 哈电进水球阀的设计技术进步

    1.1 早期自主研发

    哈电从1956年中国龙池项目500mm球阀开始进行水轮机进水球阀的研制工作，在之后的40年里，哈电球阀技术取得了一些进步，但除渔子溪1600mm球阀、鲁布革2200mm球阀（哈电主包、GE设计和制造）外，球阀直径均不大于1000mm。近年来，随着高水头和抽水蓄能项目的大量开发，球阀技术得到了长足的进步。1998年哈电创新的开发出斜分瓣结构的进水球阀，解决了分瓣面密封处理的难题。2001年哈电自主研制出第一个应用于水泵水轮机的进水球阀——南阳回龙电站直径1300mm、水头461m的球阀，该球阀在工厂试验中表现良好，安装运行初期主要性能指标也达到了设计要求，但运行一年后出现漏水并越来越严重，2008年不得不对阀轴密封、主密封进行局部改造，改造后至今运行效果良好。在哈电早期自主研发过程中，取得了一些进步，但也付出了不少代价、走了不少弯路，为球阀技术向更高层次发展积累了经验、蓄积了力量。

    1.2 国外技术的引进

    2004年哈电与挪威GE公司合作，设计制造过韩国青松抽水蓄能电站直径2800mm的球阀。该球阀由GE公司进行概念设计，完成主要装配图的整体设计，由哈电完成所有零部件的设计并在哈电工厂完成所有零部件的制造、组装和试验。通过青松项目的合作，哈电对大直径球阀的结构设计和强度计算有了一个总体的了解。

    2003年3月，国家发展和改革委员会为促进我国抽水蓄能电站建设的发展，采用“打捆招标”捆绑招标的方式引进抽水蓄能电站机组设备设计和制造技术，以逐步实现我国抽水蓄能电站机组设备制造的国产化，哈电和东方电机有限公司是技术转让的主承受方，法国ALSTOM公司是技术转让的出让方。2005年4月～6月、2006年2月～4月，哈电的球阀设计人员分两批赴法国ALSTOM公司进行水泵水轮机进水球阀设计技术的转让培训工作，系统地学习了ALSTOM公司的水泵水轮机进水球阀的设计方法，包括设计理念、球阀结构、有限元及经典计算方法等。

    1.3 自主创新

    2008年4月，哈电与安徽响水涧抽水蓄能有限公司签订了响水涧电站机组设备采购合同，包含4台直径3300mm进水球阀。哈电决定自主研发，完成国内首个完全国产化的抽水蓄能电站发电设备供货，完全自主设计、制造和供货，拥有自主知识产权的抽水蓄能项目。通过对哈电现有技术的整合，消化吸收GE和ALSTOM公司的设计理念、思路和方法，哈电完成了响水涧球阀的设计制造和安装。2012年7月21日，响水涧3号机球阀完成了动水关闭试验，顺利通过国网新源公司的验收。动水关闭试验的成功，标志着响水涧球阀的各项性能均已满足业主要求，达到设计目标。

    1.4 发展历程

    图1为哈电水轮机进水球阀的发展历程图表，从表中可以看出，哈电大直径球阀技术随时间的推移在不断地、稳步地向更大直径发展。

图1 哈电水轮机进水球阀的发展历程图表

    2 哈电水轮机进水球阀的设计手段和技术

    通过自主研发、积极探索以及青松、“打捆招标”项目的球阀技术引进，哈电在进水球阀的设计理念和设计手段上都取得了实质性的进步。

    2.1 设计手段的进步

    球阀关键部件的刚强度分析，采用了先进的有限元分析手段，通过多年的探索和研究，确定了最佳的分析计算方法，如图2所示。

图2 某电站球阀阀体在有限元分析中的应力图形显示

    （1）建立并完善了球阀阀体有限元分析的边界条件。根据不同边界条件下计算结果的差异，更正了我公司原来计算球阀的边界条件，为公司球阀的优化设计奠定了基础。

    （2）建立并完善了球阀阀体有限元分析的约束条件：考虑1/2分析模型，在切开断面处采用对称约束边界条件；约束上游连接管与混凝土相交所有节点的轴向（水流方向）自由度，约束地脚把合平面上相应节点的Z方向（沿地脚平面法向）位移；

    （3）接触单元的设定：在上游连接管与游离法兰、游离法兰与球阀阀体、球阀阀体与游离法兰、游离法兰与下游连接管之间的法兰面上，认为连接螺栓处直径大小为一体，其他面与面之间采用接触单元。

    （4）对球阀进行动水关闭应力计算，同时根据ASME标准，自行编制了《球阀在动水关闭过程中应力变化幅值》程序，为今后对球阀进行疲劳分析奠定基础。

    （5）为求出活门高应力区域的真实应力水平，运用I-DEAS软件和ANSYS软件之间的内部特点，结合EXCEL软件VBA语言，自行编制了《子模型转换》程序，这样可以大幅度地降低活门分析周期，尤其是降低活门子模型分析周期，提高工作效率。

    （6）为求出球阀操作机构的操作容量需求，运用EXCEL软件VBA语言，编制了《球阀操作计算》程序，对球阀开启和关闭过程进行详细计算，可以快速、准确的对所选择的接力器参数进行校核，提高工作效率的同时，也使计算结构更准确可信。

    2.2 结构设计的进步

    2.2.1 阀体结构型式

    通过多年的发展和技术积累，哈电阀体的结构有如下四种型式，如图3所示。各种型式特点鲜明，均有应用业绩。丰富多样的结构型式可满足不同项目特点以及业主的不同需求。

（a）对称分瓣式

（b）斜分瓣式

（c）大小瓣式

（d）焊接不分瓣式

图3 哈电阀体的结构

    2.2.2 主密封的结构型式

    经过设计的优化和应用效果的淘选，哈电球阀主密封的结构归纳有如下两种型式，如图4所示。各有优点，可满足不同直径、水头段的球阀密封需要，根据不同的电站参数，选择相应的主密封结构可使密封效果达到最佳匹配。

（a）T型密封

（b）L型密封

图4 哈电球阀主密封的结构

    2.2.3 轴承及轴密封

    哈电球阀轴承及轴密封的常用结构为如下型式，阀轴表面采用不锈钢的衬套保护，防止生锈影响轴承及密封，轴瓦镶嵌在钢套内，可随钢套一起拆装，在钢套靠近水的一端设置防砂用的密封圈，防止水中的砂子进入轴承损坏轴瓦，在钢套靠近空气一的端设置阀轴主密封，防止球阀内部的水向外泄漏。此结构可满足在上游钢管不排水的条件下更换阀轴密封，还可满足在不解体阀体的条件下更换轴瓦。如图5所示。

图5

    2.3 球阀控制技术的进步

    抽水蓄能机组较常规机组工况转换频繁、复杂，球阀的辅助设备多，控制点也多，相互关联度高、系统集成性强。除常规操作外，为防止误操作造成设备损坏，哈电球阀控制技术可以达到如下液压闭锁功能：

    （1）在机组过速装置动作后，以液压信号控制球阀及时关闭，防止事故扩大。

    （2）球阀与尾水闸门闭锁，防止尾水闸门承受上游高压水作用损坏。

    （3）球阀密封环与活门动作的液压闭锁。

    （4）球阀活门锁锭装置与接力器动作的闭锁。

    3 哈电水轮机进水球阀自主研发的最新成果

    哈电的球阀设计人员通过自主研发和引进技术的消化吸收，开展了具有哈电风格的进水球阀设计开发工作，已经具有了一定的开发经验，并逐渐构建和完善水轮机进水球阀的业绩储备和尺寸系列。

    安徽响水涧3300mm球阀是最新的投入运行的项目，基本代表了哈电当前球阀的最新成果，以下介绍哈电在响水涧水泵水轮机进水球阀的设计中所考虑的问题及解决方法。

    （1）球阀型号： QF274-WY-330

    （2）基本参数：

    公称直径：Ф3300mm

    最大静压：2.74Mpa

    最大升压：3.52Mpa

    最大流量：152.54m3/s

    开启时间：40~100s

    关闭时间：40~100s

    接力器操作油压：6.3Mpa

    接力器直径：420mm

    接力器数量：2

    响水涧球阀用于抽水蓄能电站，水头不高但直径较大，其难点主要在于如下几点：

    （1）如何保证大尺寸球阀部件的刚强度；

    （2）阀体如何合理的分半；

    （3）接力器操作能力的计算；

    （4）解决由于活门变形的不均匀对密封性能的影响；

    （5）阀轴密封的选型设计；

    （6）主密封环密封件的选型设计；

    （7）运输和电站组装。

    分析响水涧项目各项参数，对比哈电球阀业绩和技术特点，主要采用以下几种手段和方法解决设计疑难问题：

    （8）利用有限元计算等先进的设计工具，精确计算阀体和活门的刚强度；

    （9）阀体采用大小半结构，使阀轴处密封避开阀体分半面；

    （10）在活门的设计上着重考虑其刚性，控制活门的绝对变形量，从而保证主密封的可靠性；

    （11）采用密封环柔性设计方法，使L形密封环的变形适应活门的不均匀变形，达到密封面贴合；

    （12）采用球形密封面，以适应全闭不到位时的密封要求；

    （13）阀轴密封选型，考虑将结构设计的更加紧凑，采用更加耐磨的材料；

    （14）将主密封（密封环、密封座）采用不锈钢，密封环的密封采用专业厂家提供的D型密封；

    （15）对球阀的工厂组装、水压试验进行跟踪，将出现的问题进行分析，为日后进行进一步完善提供依据。

    结合原合同的要求，针对设计疑难点，进行关键技术分析，将各个解决方案在厂内设计评审会和设计联络会上与专家们探讨，达成共识。按照项目进度，现已完成设计、生产、运输、安装、调试等环节，进入运行阶段。响水涧球阀的公称直径为φ3.3m，是目前国内自主设计制造的直径最大的球阀，该球阀设计制造的成功，巩固了哈电在国内球阀技术领域的领先地位、缩小我国同国外先进技术的差距，标志着哈电具备了大直径球阀的设计制造能力。

    4 结论

    在国家发展和改革委员会和国内外业主单位的大力支持下，通过自主探索、技术引进和实践应用，哈电完成了从模仿、复制、引进、消化吸收到自主创新过程的蜕变，在国际大直径球阀技术领域拥有一席之地。我们相信，有国家发展和改革委员会及国内外业主单位的鼎力相助下，通过哈电科研人员的不懈努力，一定能将高品质球阀依赖进口的形势扭转过来，实现水轮机进水球阀的全部完全国产化，哈电也必将为我国的水电事业做出更大的贡献，并有能力向国外输出拥有自主知识产权的高品质球阀，为国创汇，为民族企业争光。