大型液控蝶閥調(diào)試及動水實驗過程問題探析

梁明華，張 波，白學(xué)斌

（中國水利水電第十一工程局有限公司,河南 鄭州 450001）

1 項目概述

蝶閥安裝在機組前側(cè),既要起到正常檢修階段隔斷水流作用,又要滿足在緊急事故狀態(tài)下保證在本體結(jié)構(gòu)穩(wěn)固的情況下截斷動態(tài)水流,防止事故進(jìn)一步擴大；因此對蝶閥的考驗主要集中在動水關(guān)閉實驗階段；同時,作為對蝶閥考核的最后一個關(guān)鍵實驗,實驗的結(jié)果好壞直接影響著項目各方對蝶閥制造、安裝等質(zhì)量的評判。

本項目的蝶閥由湖南長沙某閥門廠制造；對于蝶閥設(shè)備在項目施工階段本公司承擔(dān)的主要任務(wù)是蝶閥的安裝、調(diào)試（無水靜態(tài)、有水靜態(tài)、有水動態(tài)）,本文將重點對蝶閥在動水關(guān)閉實驗過程中的現(xiàn)象及數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2 設(shè)備特征及參數(shù)

楚卡斯水電站引水方式為壓力鋼管引水,鋼管形式為一管兩機,即一根直徑為6200 mm 的總管在三岔管處分為兩根直徑為3500 mm 的獨立引水管,在岔管下游側(cè)和機組蝸殼進(jìn)口上游側(cè)之間各安裝一臺等直徑的蝶閥。蝶閥下游側(cè)各安裝一臺型號為HLA551 h-LJ-261 的混流式水輪發(fā)電機組,機組總?cè)萘繛?.2 萬kW。

蝶閥的主要特征及參數(shù)如下：

蝶閥布置方式：臥式；

閥體直徑：3500 mm；

設(shè)計壓力：0.82 MPa；

額定水頭：48.4 m；

額定流量：61 m3/s；

操作方式：開啟—雙液壓缸頂升；關(guān)閉—雙重錘自重壓下；

接力器操作油壓：16 MPa；

閥門平壓方式：利用本體旁通閥平壓；

旁通閥形式：旁通管直徑350 mm,旁通閥—液控針閥,操作油壓—16 MPa；

開關(guān)時間：主閥開—60 s～120 s 可調(diào)；主閥關(guān)—60 s～120 s可調(diào)；旁通閥啟閉—30 s 以內(nèi)。

3 蝶閥調(diào)試

首先說明蝶閥的控制情況：蝶閥控制液壓系統(tǒng)與機組調(diào)速器公用一套液壓源,其自動化控制主要依靠蝶閥液控柜內(nèi)的液控閥組完成,直白地說就是一個兩位三通的電磁換向閥,其原理是：不需要操作蝶閥時,此電磁閥處于失電狀態(tài)（壓力油頂在電磁閥的壓力口P 口）；當(dāng)需要打開蝶閥時,電磁閥得電,閥芯換向,壓力油通入接力器開腔,蝶閥打開；當(dāng)需要關(guān)閉蝶閥時,電磁閥再次得電,接力器開腔油口與回油管接通,接力器失壓,且在重錘作用下,閥門關(guān)閉。

3.1 無水靜態(tài)調(diào)試

3.1.1 目的

此次調(diào)試為蝶閥安裝完畢后的首次動作實驗,因此此次實驗的主要目的是檢驗蝶閥本體的安裝是否合格（主要包含蝶閥各處連接質(zhì)量、主閥伸縮節(jié)調(diào)整、控制系統(tǒng)管路接頭裝配質(zhì)量、電氣控制邏輯、各控制閥組動作、閥門動作時間調(diào)整、各位置信號器是否正常、遠(yuǎn)控操作等）。

3.1.2 調(diào)試準(zhǔn)備

調(diào)試前的首要條件之一是液壓控制系統(tǒng)調(diào)試完畢,具備正常工作條件。其它各項主要準(zhǔn)備工作如下：

（1）閥體內(nèi)部及外部周圍清掃干凈,尤其是閥板區(qū)域需要仔細(xì)檢查應(yīng)無異物；

（2）蝶閥的檢修密封需要確認(rèn)是否處在退出位置,否則應(yīng)手動退出；

（3）實驗區(qū)域劃定禁區(qū),并設(shè)置安全警示標(biāo)識；

（4）準(zhǔn)備好棉紗及其它需用材料,做好液壓管路滲漏處理準(zhǔn)備；

（5）搭設(shè)必要的操作或者檢查平臺及通道；

（6）其它必要的安全措施。

3.1.3 實驗方法

首次動作時,先將控制系統(tǒng)壓力調(diào)整至蝶閥最低的動作壓力,然后手動點動控制閥使蝶閥小幅度打開；觀察應(yīng)無異響及其他非正常現(xiàn)象。然后再繼續(xù)打開蝶閥至50%開度,若無異常現(xiàn)象則可以全部打開。全開后將所有手動閥門關(guān)閉,利用蝶閥的手動鎖定將閥板鎖定在全開位置后,技術(shù)人員進(jìn)入到閥體內(nèi)部檢查閥板密封處及鉸鏈處是否正常。檢查完畢后人員撤出,將鎖定退出,手動控制閥門打開。然后將蝶閥關(guān)閉,如此過程正常,則表明閥門可進(jìn)入到下一步調(diào)試過程。

接下來則是升高液壓系統(tǒng)壓力至80%,再次將蝶閥全開及全關(guān)操作。若系統(tǒng)正常則將系統(tǒng)壓力升至額定壓力下再次進(jìn)行開關(guān)操作。（主閥動作的同時,可對旁通針閥進(jìn)行同步實驗）

最后則是調(diào)整蝶閥開關(guān)時間,根據(jù)技術(shù)文件,暫將主閥開時間調(diào)整為90 s,關(guān)時間調(diào)整為110 s。

需要注意的是調(diào)整主閥關(guān)時間分為兩步,第一步是先將液壓管路中的調(diào)流閥全部放開然后調(diào)整蝶閥接力器本體上的調(diào)流閥,時間調(diào)為105 s；第二步是調(diào)整管路中的調(diào)流閥將時間調(diào)為110 s；這么做的目的是由于液壓管路相對于接力器強度較低,液壓管路在工作中可能會出現(xiàn)爆管現(xiàn)象,這是為了在液壓管路發(fā)生爆管時蝶閥仍然能夠有一個安全的關(guān)閉速度,以防止壓力鋼管出現(xiàn)水錘。

3.2 有水靜態(tài)調(diào)試

有水靜態(tài)調(diào)試主要考核蝶閥在運行過程中或者說經(jīng)過多次運行后,各密封部位及連接部位的封水情況,實驗過程與無水靜態(tài)實驗過程一致,這里就不再贅述。

3.3 有水動態(tài)調(diào)試

3.3.1 目的

此次調(diào)試得目的主要是考核蝶閥的設(shè)計及制造是否合格,具體地說就是驗證蝶閥在極限工況下是否能夠可靠關(guān)閉。并且蝶閥本體（伸縮節(jié)、基礎(chǔ)螺栓、旁通管）、上下游鋼管是否處于正常狀態(tài)。

3.3.2 調(diào)試準(zhǔn)備

考慮到動水關(guān)閉實驗過程可能存在振動及微量位移,所以在靜態(tài)調(diào)試準(zhǔn)備工作的基礎(chǔ)上,增加的準(zhǔn)備工作如下：

（1）設(shè)置與蝶閥本體相互獨立的觀測架（觀測架利用輕型型鋼制作）,同時在選定的位置上架設(shè)百分表；

（2）為了降低蝶閥動水關(guān)閉時水錘作用引起的安全隱患,在1#機組實驗時將2 號機組開至空載運行狀態(tài)；

（3）實驗前先再次確認(rèn)蝶閥靜態(tài)關(guān)閉時間是否為110 s；

（4）蝶閥接力器測壓口裝設(shè)測壓表,測點位置見圖1（未標(biāo)箭頭的點號為該位置垂直方向的測點編號）。

圖1 測點位置示意圖

3.3.3 實驗方法

蝶閥動水關(guān)閉實驗將分別在機組空載、25%載荷、50%載荷、（25 MW）100%載荷四種工況在進(jìn)行。實驗前蝶閥閥板處于全開位置,機組穩(wěn)定運行后操作關(guān)閉按鈕使蝶閥關(guān)閉。為了保證安全,在蝶閥進(jìn)行動水實驗時,大壩進(jìn)水口閘門控制柜及機組調(diào)速器等處需安排技術(shù)人員待命,必要時可進(jìn)行緊急操作。

動水實驗過程中主要觀測項有：蝶閥開度在20%、50%、75%、100%時分別記錄時刻點（精確到s）、蝶閥上下游壓力（從壓力變送器處讀?。?、液壓接力器開腔壓力、蝸殼尾部壓力、水輪機頂蓋及軸承處振擺、閥體及旁通管處的振動幅度、蝶閥基礎(chǔ)位移情況等。

3.3.4 實驗現(xiàn)象及結(jié)果

（1）實驗現(xiàn)象：

①機組空載狀態(tài)：此時水輪機活動導(dǎo)葉開度為16%,蝶閥由全開到全關(guān)過程中主閥體無明顯振動及位移,旁通閥（尤其是針閥頂部）出現(xiàn)輕微振動,同時在蝶閥閥板接近全關(guān)時能聽見流道內(nèi)出現(xiàn)高速水流束聲,關(guān)閥時間由原來的110 s縮短為88 s。

② 機組帶25%負(fù)荷：此時水輪機活動導(dǎo)葉開度為37%,蝶閥由全開到全關(guān)過程中主閥體出現(xiàn)微量振動,旁通閥（尤其遠(yuǎn)離蝶閥的位置）出現(xiàn)較為強烈的振動,同時在蝶閥閥板接近全關(guān)時能聽見流道內(nèi)出現(xiàn)高速水流束聲（聲音比空載時更大）,關(guān)閥時間由原來的110 s 縮短為58 s。

③機組分別帶50%、75%負(fù)荷：此時水輪機活動導(dǎo)葉開度分別為51%、66%,蝶閥由全開到全關(guān)過程中主閥體出現(xiàn)較強烈振動,旁通閥（尤其遠(yuǎn)離蝶閥的位置）出現(xiàn)劇烈烈振動,同時在蝶閥閥板接近全關(guān)時能聽見流道內(nèi)出現(xiàn)高速水流束聲（隨著負(fù)荷的加大,聲音逐漸變?yōu)榇潭姆澍Q聲）,關(guān)閥時間由原來的110 s 分別縮短為43 s、32 s。

注：由于在機組帶75%負(fù)荷,蝶閥動水關(guān)閉時旁通閥的振動太為強烈并且流道內(nèi)出現(xiàn)水錘作用,出于安全考慮,先考慮對旁通閥進(jìn)行加固處理及蝶閥關(guān)閉時間調(diào)整方案,處理完畢后繼續(xù)進(jìn)行在100%負(fù)荷下蝶閥的關(guān)閉實驗（處理方案在后面的敘述中體現(xiàn)）。

④ 機組帶100%負(fù)荷：此時水輪機活動導(dǎo)葉開度分別為51%、66%,蝶閥由全開到全關(guān)過程中主閥體出現(xiàn)較強烈振動,旁通閥（尤其是遠(yuǎn)離蝶閥的位置）出現(xiàn)劇烈烈振動,同時在蝶閥閥板接近全關(guān)時能聽見流道內(nèi)出現(xiàn)高速水流束聲（隨著負(fù)荷的加大,聲音逐漸變?yōu)榇潭姆澍Q聲）,關(guān)閥時間由原來的110 s 分別縮短為43 s、32 s。

（2）實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 實驗數(shù)據(jù)表

（3）實驗數(shù)據(jù)分析：在機組空載、25%載荷、50%載荷、75%載荷下進(jìn)行蝶閥動水關(guān)閉實驗時,其時間壓縮率分別為：20%、34.5%、50%、59%；同時對應(yīng)的流道內(nèi)升壓率分別為：11.5%、17.3%、18.2%、19.2%,按照這個趨勢,如果在處理之前的條件下進(jìn)行100%負(fù)荷下的動水關(guān)閉實驗,時間壓縮率將超過65%、升壓率將超過20%。

蝶閥動水關(guān)閉時蝶閥閥體的振動隨之加劇,且振動最大處在主閥體頂部（沿水流方向的振動大）；對于旁通閥,其振動規(guī)律與主閥體一致,只是振動幅度比主閥體大,旁通閥振動幅度最大處在旁通閥最遠(yuǎn)離主閥體部位。對于流道內(nèi)產(chǎn)生的水流射流聲,根據(jù)現(xiàn)場實際觀察到的結(jié)果是,當(dāng)閥板關(guān)閉到65°時開始出現(xiàn),并且在80°～85°左右聲音最大并且變得尖銳。

振動及聲音加劇的主要原因是,當(dāng)閥板逐漸關(guān)閉時流道內(nèi)過流面積縮小,那么勢必引起水流速度的增加,特別是在機組高負(fù)荷下及閥板接近全關(guān)的位置,在閥板下游側(cè)區(qū)域形成一個短時的真空區(qū)域,這會引起蝶閥下游側(cè)真空破壞閥的動作形成噴出水霧。

因此,為了平衡蝶閥動水關(guān)閉時間及流道壓力上升之間的關(guān)系和降低旁通閥的振動幅度,尋求一個合理的靜水關(guān)閉時間和對旁通閥的加固方案是非常有必要的。

4 蝶閥靜態(tài)關(guān)閉時間調(diào)整及旁通閥加固

4.1 靜水關(guān)閉時間調(diào)整

根據(jù)0～75%負(fù)荷下動水關(guān)閉數(shù)據(jù)變化趨勢分析,將蝶閥靜水關(guān)閉時間由原來的110 s 調(diào)整為120 s,調(diào)整方法與蝶閥初次調(diào)試時的時間調(diào)整方法一致,仍然分為兩步,即第一步是現(xiàn)將管路中的調(diào)流閥全部放開,調(diào)整接力器調(diào)流閥使蝶閥關(guān)閉時間為110 s（此時間為爆管時蝶閥關(guān)閉時間）,第二步再在第一步的基礎(chǔ)上把蝶閥靜水關(guān)閉時間調(diào)為120 s（項目實際調(diào)整為123 s）。

4.2 旁通閥加固

根據(jù)實驗結(jié)果看出,旁通閥在蝶閥進(jìn)行動水關(guān)閉實驗時產(chǎn)生了激烈振動,其結(jié)果可能會導(dǎo)致旁通閥與蝶閥焊接部位產(chǎn)生疲勞破壞。為了防止蝶閥在正常運行及極限工況下產(chǎn)生的不同頻率及振幅的振動可能引發(fā)的安全事故,這里采用剛性限制的方式對旁通閥進(jìn)行加固,具體方案為：在靠近旁通閥針閥的位置（此位置為振動最強烈的位置）及旁通管中間部位增加兩道抱箍,在選擇抱箍位置的時候首先應(yīng)考慮抱箍支撐的位置,因為抱箍支撐需要與蝶閥本體連接,連接方式為焊接；由于蝶閥為永久設(shè)備,為了不在其本體上焊接,這里考慮在蝶閥吊耳寬邊上及蝶閥加強圈的位置上進(jìn)行焊接。

支撐板采用16 mm 鋼板（焊接成T 形支撐）,抱箍采用6 mm 扁鐵現(xiàn)場彎制成與旁通管等直徑的抱箍,支撐焊接完畢并安裝抱箍時,在抱箍與旁通管之間墊上橡膠彈性墊（這樣做是考慮使抱箍既產(chǎn)生一定的限制作用,又并不是完全限制,這樣能夠維持整個加固裝置的穩(wěn)定性）。具體形式見圖2。

圖2 旁通管固定結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)語

蝶閥調(diào)試實驗主要問題集中在動水實驗過程中發(fā)生,通過蝶閥的靜態(tài)實驗、動水實驗發(fā)現(xiàn)并驗證了設(shè)備制造質(zhì)量、安裝質(zhì)量、設(shè)計薄弱環(huán)節(jié)、相關(guān)參數(shù)的正確性。

通過對蝶閥靜水關(guān)閉時間的優(yōu)化調(diào)整合理地平衡了動水關(guān)閉時流道內(nèi)壓力上升率、蝶閥緊急關(guān)閉速度（保證機組安全）、蝶閥振動幾方面的關(guān)系,為后期蝶閥的安全運行提供了保證。通過對旁通閥的合理加固,減弱了蝶閥動水關(guān)閉時的振動幅度,提高了旁通閥及蝶閥的整體可靠性。