黃登水電站水輪機筒形閥技術特性及動水關閉試驗

姚建國，王秀花

（1.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051；2.昆明理工大學理學院，云南 昆明 650500）

1 前言

黃登水電站位于云南省怒江州蘭坪縣境內(nèi)，為瀾滄江上游河段規(guī)劃中的第五級，其上游與托巴水電站銜接，下游為大華橋水電站。電站廠房為地下式，廠內(nèi)裝設4臺475 MW混流式水輪發(fā)電機組及其附屬設備。

黃登水電站接入南方電網(wǎng)運行，是電力系統(tǒng)的主力電站，在系統(tǒng)中擔任調(diào)峰和一次調(diào)頻任務，要求機組能安全、可靠、穩(wěn)定運行，能承擔各類負荷，適應負荷多變的情況；同時，機組啟動、停機頻繁，要求具有良好快捷的啟動和停機性能。根據(jù)黃登水電站的具體特點和機組運行方式，經(jīng)技術經(jīng)濟綜合分析，水輪機設置了筒形閥。筒形閥安裝在固定導葉與活動導葉之間，具有水力自關閉性能，能有效保護導水機構、減輕導水機構的空蝕和泥沙磨損、提高機組的運行可靠性和靈活性。

2 筒形閥技術特性

2.1 筒形閥主要技術參數(shù)

筒形閥筒體外徑： 9 445 mm

筒形閥筒體高度： 1 718 mm

筒形閥筒體厚度： 160 mm

筒形閥同步方式： 電液同步

開啟時間： 60~90 s

關閉時間： 60~90 s

接力器油缸直徑： 380 mm

接力器行程： 1 612 mm

接力器個數(shù)： 6個

油壓裝置型號： YZ-15-6.3

操作油壓： 6.3 MPa

2.2 筒形閥主要結構特點

筒形閥安裝在水輪機固定導葉與活動導葉之間，關閉時落于底環(huán)上,截斷水流并與頂蓋和底環(huán)形成密封，開啟時全部提升到頂蓋內(nèi)，筒體底邊與頂蓋抗磨板齊平，不干擾水流流態(tài)。黃登水電站筒形閥能夠在103 m~149 m運行水頭范圍內(nèi)、機組發(fā)最大功率條件下動水關閉，并能在閥體外側有155 m靜水壓力、內(nèi)側尾水壓力的情況下開啟。

受運輸條件限制，筒形閥筒體分兩瓣運輸，現(xiàn)場采用高強度螺栓聯(lián)接并封焊。筒體采用Q345-R碳素鋼板制造，尺寸為Φ 9 445 mm×1 718 mm×160 mm（外徑×高度×厚度），重量為63 t。筒體頂部與頂蓋間以及筒體底部與底環(huán)間均設置密封，上密封裝于頂蓋上，下密封裝于底環(huán)上，所有用于固定上、下密封圈的壓環(huán)和螺釘均采用不銹鋼材料。筒體與上、下密封接觸區(qū)域堆焊有不銹鋼層，加工后不銹鋼層厚度不小于10 mm。為保證閥體在啟閉過程中保持同心和防止閥體偏轉或卡阻，在12個固定導葉下游側設置導軌，同時在座環(huán)上也設有1/3筒形閥高度的導軌，在閥體外側相應導軌處設置12塊抗磨導向板。導向板采用不銹鋼材料，焊接固定在筒體上。

筒形閥設置6個油壓操作、雙作用、液壓直缸接力器，操作接力器的壓力油由油壓裝置供給，額定工作壓力為6.3 MPa，操作油的規(guī)格與機組軸承用油相同，采用L-TSA46號透平油。接力器零部件按油源系統(tǒng)最大操作油壓以及動水關閉過程中產(chǎn)生最大油壓設計。筒形閥設有電液同步系統(tǒng)，能對6個筒形閥接力器進行調(diào)整和保持同步。筒形閥全開位置設有可靠的鎖錠裝置，鎖錠裝置為液控單向閥，其操作接入筒形閥操作程序中。此外還設有能將筒形閥活門鎖定在全開位置的手動鎖錠裝置，主要用于檢修時防止筒形閥下落。

2.3 筒形閥同步控制系統(tǒng)

黃登水電站筒形閥控制系統(tǒng)采用全數(shù)字集成式電液控制系統(tǒng)，由全數(shù)字集成式液壓控制系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)兩部分組成。液壓部分的核心為數(shù)字液壓控制裝置，安裝在每個接力器頂部（接力器上端蓋上），與操作接力器組成6套數(shù)字缸。數(shù)字缸內(nèi)集成有高精度數(shù)字液壓閥、高精度步進電機（也稱數(shù)字電機）、高精度內(nèi)置式機械位置傳感器、接力器位移變送器等。數(shù)字液壓閥由數(shù)字電機控制，以控制接力器操作油路。機械位置傳感器與接力器提升桿連接，將各接力器的實際位移實時反饋給數(shù)字缸上的位移變送器，進而傳遞給電氣控制系統(tǒng)。筒形閥電氣控制裝置由一個800 mm×800 mm×2 260 mm標準盤組成，所有電氣元件均裝配在這個盤內(nèi)。筒形閥電液控制系統(tǒng)見圖1。

正常工作時，筒形閥電氣控制裝置向6個數(shù)字電機輸入相同的脈沖數(shù)，6個接力器產(chǎn)生相同的行程，進而使整個筒形閥按給定的運行曲線高精度同步升降。當筒形閥某個接力器的行程偏差超過設定的最大允許失步值時，電氣控制系統(tǒng)發(fā)出筒形閥失步報警信號，并向失步接力器上的數(shù)字電機發(fā)出矯正控制信號，減少（增加）該接力器脈沖數(shù)，進而減?。ㄔ黾樱┰摻恿ζ鞯男谐?，直到達到同步，報警信號解除，接力器恢復正常工作。當系統(tǒng)調(diào)節(jié)不起作用、筒形閥接力器的行程偏差繼續(xù)增大超過設定的最大允許值時，電氣控制系統(tǒng)發(fā)出卡阻報警信號，停止矯正調(diào)節(jié)，同時使筒形閥停止運行直至卡阻消除。筒形閥全數(shù)字集成式電液控制系統(tǒng)具有控制原理簡單、同步精度高、控制裝置集成化、控制方式全程數(shù)字化、維護方便等特點。

3 筒形閥模型試驗

黃登水電站水輪機轉輪模型試驗時同步開展了筒形閥模型試驗，試驗內(nèi)容包括筒形閥靜態(tài)水推力試驗、筒形閥對導葉水力矩的影響試驗、筒形閥對模型水輪機性能的影響試驗以及筒形閥振動試驗，所有試驗在相應的電站裝置空化系數(shù)下進行。

3.1 筒形閥靜態(tài)水推力試驗

圖1 筒形閥電液控制系統(tǒng)

試驗選擇在原型水輪機最大水頭149 m、額定水頭130 m、最小水頭103 m以及飛逸工況下進行，水輪機導葉開度從6°到36°，開度間隔2°，筒形閥開度依次為100%、80%、60%、40%、20%。試驗結果如下：

（1）在筒形閥開度100%時，筒形閥承受的最大向上水推力為241.38 kN，小于筒形閥總重量，筒形閥可依靠自身的重力關閉，不會因為過大的水推力造成關閉困難。

（2）在筒形閥開度100%~80%間，筒形閥所受的靜態(tài)水推力方向朝上，其值隨著筒形閥開度的減小而減小，在80%開度時水推力接近于零；在筒形閥開度80%以下時，筒形閥所受的靜態(tài)力方向朝下，其值隨著筒形閥開度的減小而增加。

試驗結果表明，筒形閥具有水力自關閉性能。

3.2 筒形閥對導葉水力矩的影響試驗

試驗選擇在原型水輪機最大水頭149 m、額定水頭130 m、最小水頭103 m以及飛逸工況下進行，水輪機導葉開度從6°到36°，開度間隔2°，筒形閥開度依次為100%、80%、60%、40%、20%。試驗結果如下：

（1）在筒形閥開度60%以上時，筒形閥開度對導葉水力矩影響較小；在筒形閥開度40%以下時，導葉水力矩受筒形閥開度影響較大。

（2）當筒形閥開度變化時，水輪機導葉在全開度范圍內(nèi)均具有自關閉趨勢。

3.3 筒形閥對模型水輪機性能的影響試驗

試驗選擇在原型水輪機額定水頭130 m對應工況下進行，水輪機導葉開度從8°到32°，開度間隔2°，筒形閥開度依次為100%、80%、60%、40%、20%。試驗結果為：隨著筒形閥開度減小，水輪機效率呈下降趨勢；在筒形閥開度80%以上時，效率與流量變化較?。辉谕残伍y開度80%以下時，隨著筒形閥開度的減小，效率與流量下降迅速。

3.4 筒形閥振動試驗

試驗選擇在原型水輪機最大水頭149 m、額定水頭130 m、最小水頭103 m以及飛逸工況下進行，水輪機導葉開度從6°到36°，開度間隔2°，筒形閥開度依次為100%、80%、60%、40%、20%。試驗結果如下：

1）當筒形閥開度大于20%時，各測點的動態(tài)水推力基本恒定在3%~5%之間；當筒形閥開度小于20%且導葉開度小于18°時，各測點的動態(tài)水推力基本恒定在3%~5%之間；當筒形閥開度小于20%且導葉開度大于18°時，各測點的動態(tài)水推力隨著導葉開度的增加而加大。

2）隨著筒形閥開度減小，模型水輪機各測點的壓力脈動有所上升，在筒形閥開度60%以下時上升較為明顯，無葉區(qū)壓力脈動最大為16.06%，尾水錐管下游側0.3D2處壓力脈動最大為8.93%，尾水錐管上游側0.3D2處壓力脈動最大為8.91%。

4 筒形閥動水關閉試驗

2021年1月8日，黃登水電站選擇2號機組進行了筒形閥動水關閉試驗，試驗時上游水庫水位1 600.50 m，下游尾水位1 478.70 m，選定空載、25%負荷、50%負荷、75%負荷、100%負荷5個工況進行了試驗。

（1）動水關閉時間

空載、25%負荷、50%負荷、75%負荷、100%負荷工況下，筒形閥動水關閉時間分別為80.3 s、80.3 s、80.3 s、79.9 s、79.9 s，滿足筒形閥設計及相關標準要求。

（2）動水關閉同步性

各種工況下筒形閥動水關閉過程中，各接力器間最大位移差及各接力器位移與綜合位移最大差值均未超過40%ΔSmax，滿足筒形閥相關標準要求，表明筒形閥接力器同步情況良好。整個動水關閉過程中各接力器動作平穩(wěn)正常，可順利將筒形閥落至全關位置，未出現(xiàn)卡阻、傾斜等不同步現(xiàn)象。

（3）接力器下腔峰值油壓

各種工況下筒形閥動水關閉過程中，各接力器下腔油壓變化均勻，空載、25%負荷、50%負荷、75%負荷、100%負荷工況下在接力器分別關閉至0.483%、2.348%、6.009%、5.913%、0.368%時，接 力器下腔油壓達到最大值，具體值見表1。接力器下腔最大油壓為9.493 MPa，未超過筒形閥操作系統(tǒng)管路耐壓試驗值。

表1 動水關閉過程中各接力器下腔峰值油壓

（4）穩(wěn)定性指標

各種工況下筒形閥動水關閉過程中，蝸殼進口最大壓力、尾水錐管進口最小壓力、大軸軸向最大位移、頂蓋振動最大值見表2。試驗結果表明：

表2 動水關閉過程中穩(wěn)定性數(shù)據(jù)表

1）筒形閥動水關閉過程中，蝸殼進口壓力、尾水錐管進口壓力等各項壓力指標過渡過程變化平穩(wěn)，動水關閉壓力監(jiān)測正常。蝸殼進口最大壓力為1.365 MPa，尾水錐管進口最小壓力為0.05 MPa，均滿足機組調(diào)節(jié)保證設計要求。

2）筒形閥動水關閉過程中機組大軸軸向位移情況良好，未出現(xiàn)因動水關閉末段小流量工況下水力紊流導致的大軸軸向位移過大現(xiàn)象。

3）筒形閥動水關閉過程中，水輪機頂蓋水平和垂直振動情況良好，僅在短時間內(nèi)振動超過GB/T 32584-2016《水力發(fā)電廠和蓄能泵站機組機械振動的評定》規(guī)定的限值，對機組影響較小。

（5）試驗結果綜合分析

由筒形閥動水關閉試驗過程中各項測試數(shù)據(jù)及運行情況可以看出，黃登水電站2號機組在當前水頭下可實現(xiàn)各工況下筒形閥安全、平穩(wěn)、可靠地動水關閉。

5 結束語

黃登水電站第一臺機組于2018年7月投入商業(yè)運行，最后一臺機組于2019年1月投入商業(yè)運行，水輪機筒形閥自投運以來運行正常，經(jīng)實際運行證明滿足工程需要。2號機組筒形閥動水關閉試驗的順利完成，為電站機組的安全穩(wěn)定運行，特別是事故情況下通過動水關閉筒形閥實現(xiàn)機組快速停機提供了有力的技術保障。