之前介紹自力式壓力調節閥在化工行業(yè)應用，現在介紹抽水蓄能電站水輪球閥設計規范為了降低抽水蓄能機組水輪機工況甩負荷時(shí)蝸殼壓力上升值和壓力脈動(dòng)值，應用了球閥協(xié)同導葉關(guān)閉的流量控制方式。于2012年在蒲石河大型抽水蓄能電站，進(jìn)行了水輪機工況甩負荷過(guò)渡過(guò)程球閥參與導葉控制方式的現場(chǎng)試驗。針對這量控制方式，利用內特性法預測了在甩負荷過(guò)渡過(guò)程中各動(dòng)態(tài)參數的瞬變規律，預測的機組轉速上升大值與試驗值的相對誤差為2.11%，預測的蝸殼壓力上升大值與試驗值的相對誤差為0.74%，從而驗證了內特性方法的合理性;同時(shí)證明，只要合理地選擇導葉與球閥的控制規律，即可顯著(zhù)改善水泵水輪機裝置水輪機工況甩負荷過(guò)渡過(guò)程的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，降低抽水蓄能電站引水系統的水壓上升值。液控球閥廣泛應用于高水頭的水電站中。工作時(shí)，閥門(mén)與水輪機配合，按照水力過(guò)渡過(guò)程原理，通過(guò)預設的啟閉程序，有效消除管路水錘，實(shí)現管路可靠截止，起到保護管路系統安全的作用。 安裝在水輪機蝸殼的進(jìn)水口處，為機組停機檢修時(shí)提供可靠的安全的工作條件；在機組長(cháng)時(shí)間停機時(shí)減少機組漏水量，開(kāi)機時(shí)快速充水，使機組快速進(jìn)入工作狀態(tài)；還可以防止機組飛逸事件。

1、抽水蓄能電站水輪球閥設計規范研究背景

近年來(lái)，高水頭大功率抽水蓄能電站得到了蓬勃發(fā)展。但由于機組安裝高程低、引排水道一般也較長(cháng)，同時(shí)機組運行工況轉換頻繁、流量特性曲線(xiàn)在水輪機制動(dòng)區及反水泵工況區存在著(zhù)不穩定倒“S”區域，因此抽水蓄能電站的水力過(guò)渡過(guò)程十分復雜。

為了降低抽水蓄能電站水泵水輪機組甩負荷時(shí)機組轉速與蝸殼水壓力上升值，國內外廣泛采用改變導葉關(guān)閉規律的方式，使其維持在調保規范之內。有的電站采用延時(shí)直線(xiàn)關(guān)閉導葉的方式，對傳統關(guān)閉規律存在的缺陷有所改善，取得了較好的優(yōu)化效果;有的電站采用快慢快的關(guān)閉規律，通過(guò)引入延時(shí)段，針對抽水蓄能機組過(guò)流特性，綜合兩段折線(xiàn)規律中快關(guān)與慢關(guān)的各自?xún)?yōu)點(diǎn)，但由于液壓系統存在巨大的油流慣性，*準確延時(shí)實(shí)際上很難做到;有的電站采用引入轉速信號反饋導葉的關(guān)閉規律，避免了常規折線(xiàn)關(guān)閉規律中計算拐點(diǎn)位置與實(shí)際拐點(diǎn)位置偏差帶來(lái)的運行風(fēng)險，只要轉速閾值設定合理，可有效減少水壓力上升值，但該方法的可靠性還有待提高。針對以上這些問(wèn)題需要探討其它的控制方式，處理高水頭水泵水輪機裝置甩負荷過(guò)渡過(guò)程中轉速上升值與壓力上升值的矛盾。

2、球閥參與甩負荷過(guò)渡過(guò)程流量的控制方式

上海申弘閥門(mén)有限公司主營(yíng)閥門(mén)有：截止閥,電動(dòng)截止閥技術(shù)規范要求，大中型高水頭水泵水輪機的進(jìn)水閥門(mén)在任何工況下應能動(dòng)水關(guān)閉，因此球閥參與流量調節成為可能。一般水電站球閥的靜態(tài)流量特性如圖1中曲線(xiàn)1所示，即在大開(kāi)度下的流量變化比導葉緩和，在小開(kāi)度下則相對劇烈。而水輪機導葉的靜態(tài)流量特性如圖1中曲線(xiàn)2所示，即流量在大開(kāi)度時(shí)變化慢，中間快，小開(kāi)度下又變化慢的特性，因此大壓力上升值出現在中間某一導葉開(kāi)度的位置?？梢越Y合進(jìn)水球閥與導葉的流量特性，在甩負荷后采取導葉延時(shí)關(guān)閉的同時(shí)，讓球閥開(kāi)始關(guān)閉，以此控制方式參與流量調節，如圖2所示。只要導葉滯后時(shí)間與關(guān)閉時(shí)間設計合理，將不會(huì )產(chǎn)生過(guò)大的水壓上升。我國的西龍池、惠州、蒲石河等抽水蓄能電站機組均采用此種關(guān)閉控制方式。

抽水蓄能電站水輪球閥設計規范 性能特點(diǎn)
本系列閥門(mén)，智能化程度高、功能齊全、性能穩定可靠，且流阻系數極小，全開(kāi)時(shí)的流阻系數與管道相等。我公司并可根據用戶(hù)的特殊要求單獨進(jìn)行設計，多方位滿(mǎn)足用戶(hù)對該類(lèi)產(chǎn)品的需要。
1、電氣控制系統采用PLC智能控制，使電氣線(xiàn)路大大簡(jiǎn)化，具有較強的故障自我診斷功能。水電站進(jìn)水球閥可本地，遠程控制，受中控室及與水輪機聯(lián)動(dòng)控制，自動(dòng)化程度高，安全可靠，實(shí)現電站“少人值班和無(wú)人職守”的管理理念；
2、液控系統采用重錘或蓄能器儲能，當水電站停電無(wú)電源時(shí)，重錘或蓄能器釋能，可實(shí)現緊急動(dòng)水關(guān)閉球閥，為機組安全運行提供足夠的安全保證；
3、適用水頭范圍廣，高可達到1000米水頭；
4、流體阻力小，球閥是所有閥類(lèi)中流體阻力小的一種，即使是縮徑球閥，其流體阻力也相當小。
5、開(kāi)關(guān)迅速、方便，只要閥桿轉動(dòng)90°，球閥就完成了全開(kāi)或全關(guān)動(dòng)作，很容易實(shí)現快速啟閉。
6、密封性能好。球閥采用雙密封設計，即上游設置有“檢修密封”，下游側設 置有“工作密封”，易于保證密封，而且球閥的密封力隨著(zhù)介
   質(zhì)壓力的增加而增大，漏水量很小。
7、閥桿密封可靠。球閥啟閉時(shí)閥桿只作旋轉運動(dòng)，因此閥桿的填料密封不易被破壞，而且閥桿倒密封的密封力隨著(zhù)介質(zhì)壓力的增加而增大。

四、 抽水蓄能電站水輪球閥設計規范運行程序及工作原理
1、運行程序開(kāi)閥：開(kāi)啟旁通閥→壓差平衡→開(kāi)啟主閥→關(guān)閉旁通閥關(guān)閥：開(kāi)啟旁通閥→關(guān)閉主閥→關(guān)閉旁通閥
2、工作原理
（1）開(kāi)閥時(shí)，油泵電機啟動(dòng)，油泵將壓力油輸入蓄能器至液壓系統額定壓力后停止。開(kāi)啟旁通閥，介質(zhì)通過(guò)旁通管路流向水輪機蝸殼，排氣閥排氣，待閥門(mén)前后     壓差達到設定值時(shí)，進(jìn)水液控球閥的開(kāi)閥油缸動(dòng)作，開(kāi)啟進(jìn)水液控球閥。進(jìn)水液控球閥全開(kāi)后，關(guān)閉旁通閥。
（2）關(guān)閥時(shí)，開(kāi)啟旁通閥，導通旁通管路。進(jìn)水液控球閥的關(guān)閥油缸動(dòng)作，關(guān)閉進(jìn)水液控球閥。水電站進(jìn)水球閥待液控球閥全關(guān)后，關(guān)閉旁通閥。
（3）在開(kāi)關(guān)閥過(guò)程中，運行程序已由聯(lián)動(dòng)信號控制，進(jìn)水液控球閥開(kāi)關(guān)的程時(shí)間可調節液壓回路上的調速閥實(shí)現。
（4）當液壓系統在長(cháng)時(shí)間的工作狀態(tài)下，由于內部液壓回路元件有微量泄漏使蓄能器內的油壓降至額定下限值時(shí)，壓力控制器動(dòng)作啟動(dòng)油泵電機補足壓力。

4.2、測點(diǎn)的布置

水輪機裝置過(guò)渡過(guò)程現場(chǎng)試驗需要量測的動(dòng)態(tài)參數瞬變規律與試驗的目的有關(guān)。針對2號機組的特點(diǎn)，在水輪機儀表盤(pán)處布置了壓力鋼管、轉輪與底環(huán)間、蝸殼進(jìn)口及出口、尾水管進(jìn)口及出口各一個(gè)壓力或壓力脈動(dòng)傳感器，轉輪與頂蓋間、轉輪與導葉間以及尾水管肘管處各兩個(gè)壓力或壓力脈動(dòng)傳感器;除尾水管肘管處為AK-4型號外，其他均為IMF型號。在主接力器處布置了一個(gè)型號為PTIMA-20-FR-420E-M6的拉線(xiàn)式位移傳感器用于測量導葉開(kāi)度的變化規律;其它參數引自自動(dòng)監控系統。圖4標示出了測點(diǎn)位置。

4.3、試驗結果

球閥與導葉的關(guān)閉規律如圖2所示。甩負荷開(kāi)始，球閥在60s內以一段直線(xiàn)規律關(guān)閉;而導葉一開(kāi)始不動(dòng)，11s之后，以一段直線(xiàn)規律在15s內關(guān)閉。圖5中實(shí)線(xiàn)為該機組甩負荷時(shí)動(dòng)態(tài)參數的現場(chǎng)示波圖。由圖5可知，壓力上升的個(gè)高峰值，出現在甩負荷后8.9s，此時(shí)球閥已開(kāi)始關(guān)閉，導葉未參與關(guān)閉。由于球閥在大開(kāi)度時(shí)開(kāi)度變化對流量的影響較小，當導葉開(kāi)度不變時(shí)，流量的微小變化即可引起較大的轉速上升值，轉速的上升又會(huì )引起壓力的上升。此時(shí)壓力上升值主要是由轉速上升引起的。在轉速曲線(xiàn)上B點(diǎn)，機組所受的動(dòng)態(tài)軸力矩為零，達暫態(tài)飛逸轉速;此后機組進(jìn)入制動(dòng)區，雖然轉速下降，由離心效應引起的流量下降作用減小，但由于球閥的調節作用加大，流量減少率增大，因此壓力值仍增加;壓力曲線(xiàn)C點(diǎn)處壓力達到大，即流量的變化率大;D點(diǎn)導葉開(kāi)始關(guān)閉，此時(shí)機組處于反水泵工況區，導葉開(kāi)度變化對壓力大值的上升并沒(méi)有太大的影響，由于導葉開(kāi)度的減小，反向流量減小，可以減小壓力的第二個(gè)峰值，即E點(diǎn)處第二個(gè)壓力峰值比個(gè)峰值要小得多。圖5 動(dòng)態(tài)參數瞬變曲線(xiàn)

5、甩負荷過(guò)渡過(guò)程計算

為了研究?jì)忍匦苑ㄔ谇蜷y參與過(guò)渡過(guò)程時(shí)計算的準確性，應用編制的基于方程組式(1)—式(13)的內特性軟件IFT2.0，對該機組現場(chǎng)試驗同一工況，采用相同的球閥關(guān)閉規律及導葉關(guān)閉規律，進(jìn)行了甩300MW負荷過(guò)渡過(guò)程計算。

圖5中虛線(xiàn)為該機組甩全負荷時(shí)蝸殼進(jìn)口壓力及機組轉速隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。由圖可知，與試驗值相比，內特性法計算的壓力大值與轉速上升大值偏差很小。但在后面機組進(jìn)入反水泵工況時(shí)，有一定的誤差。但由于機組在甩負荷過(guò)渡過(guò)程中，關(guān)心的是壓力上升極值及轉速上升極值，因此內特性法*工程實(shí)際的要求。表2示出了2#機組甩全負荷時(shí)動(dòng)態(tài)參數極值的試驗值與內特性法計算值，可知采用球閥參與流量控制的方法能夠滿(mǎn)足過(guò)渡過(guò)程動(dòng)態(tài)品質(zhì)的要求。表2 機組甩300MW時(shí)動(dòng)態(tài)參數的極值

6、結論

(1)分析了抽水蓄能電站水輪機工況甩負荷過(guò)渡過(guò)程中球閥參與流量控制的合理性，并由蒲石河抽水蓄能電站現場(chǎng)甩負荷試驗所證實(shí)。

(2)在抽水蓄能電站甩負荷過(guò)渡過(guò)程中，采用球閥與導葉結合的控制方式，只要合理地選取導葉延時(shí)時(shí)間與關(guān)閉時(shí)間，就可以有效地降低壓力上升值，因此當電站在電力系統中的作用，以及地形、地質(zhì)、壓力水道布置等因素滿(mǎn)足的條件下，它可以用來(lái)取代調壓井的作用，從而降低電站造價(jià)。

(3)基于內特性理論編制的抽水蓄能機組過(guò)渡過(guò)程數值計算軟件IFT2.0經(jīng)蒲石河電站甩負荷試驗證明，計算準確性滿(mǎn)足工程需要，它大的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需已知水泵水輪機的全特性曲線(xiàn)，就可完成過(guò)渡過(guò)程的計算。與本文相關(guān)的論文：自力式煤氣調壓閥組