筒形阀在潘口水电站中的应用

摘要：在以往的文献中，把水轮机引水系统中装置在水轮机蜗壳前的阀门统称为进水阀（又称主阀）。而水力机械家族的新成员——筒形阀，它作为截止阀的一种，安装在水轮机固定导叶和活动导叶之间，属于导水机构的一部分，越来越受到人们的普遍重视。在国际上，它的理论研究正趋于成熟，在国内，它已开始在立式混流水轮发电机组当中得到应用，并有逐步发展的趋势。

关键词： 筒形阀 ；结构型式 ；液压操作系统 ；应用前景

Abstract: in the literature of the past, the turbine water diversion system in the device in front of the spiral case are collectively referred to as fill valve valve (also known as the main valve). And the new members of the family of hydraulic machinery, the cylinder valve, it is used as a cut-off valve, installed in the turbine fixed between the guide vane, guide vane and activities were part of the water agencies, paid attention to by more and more get of people. Internationally, its theoretical research are mature, at home, it has begun to get in the middle of the vertical mixing water wheel generator set applications, there is trend of gradual development.

Key words: the cylindrical valve; Structure; Hydraulic operating system; The application prospect

中图分类号：[TM622] 文献标识码：A 文章编号：

一、前言

漫湾水电站是我国第一家采用筒形阀的电站，而黄河小浪底水利枢纽工程则是国内第一家采用大型筒形阀的水利枢纽工程（装机总容量6×30万kw/h，筒形阀阀体最大外径为8.39米，重约46吨），湖北潘口水电站机组安装时也采用了筒形阀。

二、筒形阀设置的目的

1．设置筒形阀可以构成机组部分试验的安全工作条件。

在压力钢管冲水的情况下，关闭筒形阀后，可以完全截断水流，进行导水机构的无水试验。

2．停机时关闭筒形阀可以减少机组漏水量。

当机组较长时间停机时，由于导叶汽蚀和磨损，一般导叶漏水量为机组最大流量的2～3%，严重的可达5%，造成水流的大量损失。设置筒形阀后，由于筒形阀的密封严密，可以大大减少漏水损失。

3．防止机组飞逸事故的扩大。

当机组发生事故时，可以迅速关闭筒形阀，截断水流，防止机组飞逸事故的进一步扩大。

4．设置筒形阀可以取代进水口的快速闸门。

当导叶发生故障时，它作为距导叶最近的一道阀门可以迅速关闭，截断进入转轮的水流，从某中程度起到了快速门的作用，而取代快速门可以节约大量投资。

5．设置筒形阀可以在不拆卸发电机组设备的情况下，对水轮机组进行全面的检修。

检修时排空蜗壳里的水，将顶盖与顶盖支持环之间的把合螺栓松开，在筒形阀下安装检修支撑，这时关闭筒形阀，筒形阀体会落于检修支撑上将顶盖顶起，从而进行整个水轮机组的检修。

三、设置条件

筒形阀虽然具有上述5大优点，但是由于设置筒形阀增大了整个机组的体积，对于卧式机组来说还处于研究阶段，只适用于立式机组。潘口水电站经过技术经济对比，并考虑实用性和快速截水、安全有保障的特点，采用了立式机组并设置筒形阀的机组结构。

四、对筒形阀的技术要求

筒形阀是机组和水电站的重要安全保护设备，因此，对筒形阀的结构和性能有较高的要求。其主要技术要求如下：

1.结构简单、 工作可靠、操作简便。

2.应有严密的止水装置，减小漏水。

3.筒形阀本身及其操作机构的结构和强度应能满足运行的要求。发生事故时，能在动水压力下迅速关闭。关闭时间，应满足机组调保计算的要求，潘口水电站中要求筒形阀的关闭时间为70秒左右。

4.筒形阀的操作系统能够满足机组运行保护的要求。尽管筒形阀的液压操作系统和调速系统共用一套油压系统，当系统油压丧失或调速系统失灵时，筒形阀的操作系统能够靠自储压力油打开相关阀门，形成自循环系统，然后靠阀体自重和水压力关闭阀门。

筒形阀通常只有全开和全关两种情况。未设计部分开启调节流量功能，以免造成过大的水力损失和影响水流稳定。筒形阀和其他的进水阀一样，也不宜在动水情况下开启，因为这样需要更大的操作力。

五、筒形阀的型式及其主要构件

筒形阀的结构型式为立式，主要由圆筒形的阀体、导向装置、密封装置、锁定装置及其操作机构等组成（见筒形阀装配图）。

筒形阀关闭时，圆筒形的阀体落于固定导叶和活动导叶之间的座环下环之上，封闭水流的通路；筒形阀开启时，阀体被提至顶盖和顶盖支持环之间，水流从阀体底部流过。

1．阀体

阀体是筒形阀的主要部件，它要封闭水流，承受水压力，承受操作力，因此要有足够的刚度和强度。

阀体采用钢板焊接结构型式。其顶部和底部与密封条接触的止水部位均焊有不锈钢抗磨板，其作用是抵抗气蚀，增加止水性能，另外还可增加刚性，防止变形。

由于阀体直径较大，整体运输受到限制，因此采用阀体分瓣形式，共分为四瓣。分瓣组合面布置在与控制机构和锁定装置相偏离的角度。

2．导向装置

导向装置分为固定和活动两部分：固定部分位于机组埋件之上,主要是装焊在座环固定导叶上的不锈钢抗磨扳和焊在顶盖支持环上的导向滑块，其中导向滑块与固定导叶上的不锈钢抗磨板一一相对应；活动部分位于筒形阀阀体之上，主要是阀体上的导向槽和用螺钉把合在其内的铜制导向扳。活动部分和固定部分是一一对应的。安装时应先对各部件进行标记明示，防止装错。

筒形阀导向装置中的导向间隙是衡量其安装质量好坏的一个重要指标。如果导向间隙过小，则容易造成阀体运动过程中的卡阻，如果导向间隙过大，则造成阀体运动的偏移，从而使筒形阀的操作力过大。它的好坏主要取决于导向装置的机加工条件和质量；由于导向装置的固定部分均为分瓣到货，因此，顶盖支持环上的固定滑块和座环固定导叶上的不锈钢抗磨扳，均要在这部分机组埋件安装完毕且混凝土回填完后进行统一的机加工，这样才能保证二者的同心度。

3．密封装置

筒形阀的密封装置主要包括两部分：

顶密封（见附图）。筒形阀的顶密封（均为不锈钢）主要包括：密封座（可分瓣到货后进行现场组焊）、上密封压扳（分瓣）和“”形密封条组成。其中，密封条是通过密封压扳用螺钉把合在组焊成整体的密封座之上，这部分组装成整体后，安装于顶盖底部的外缘；整体安装完毕后，密封条的凸出部分正好露于顶盖底部外缘的上侧。当筒形阀关闭时，焊在阀体顶部内缘的不锈钢凸台正好压在密封条上，将水流挡在筒形阀之外。

底密封（见附图）。底密封主要包括下密封内压板、下密封外压扳和“”形密封条；这部分安装于座环下环的密封槽内，密封条凸出于座环下环。筒形阀关闭后，焊在阀体底部的不锈钢抗磨板正好压在密封条上，将水流挡在筒形阀之外。

4．锁定装置

筒形阀的锁定装置包括机械锁定和液压锁定。机械锁定属于机组检修锁定，液压锁定属于机组工作锁定。筒形阀的机械锁定主要指锁定螺栓，筒形阀提至最高位置后，用锁定螺栓通过顶盖上的锁定孔将其锁定在最高位置。在机组检修时投入机械锁定，防止因液压系统误动作而造成事故。锁定螺栓的数量，根据阀体的重量和锁定螺栓本身的强度而定，共布置四个，均布于阀体顶部的圆周上。

六、筒形阀的特点

筒形阀的优点是：结构简单；关闭严密，止水性能好，漏水极少；筒形阀安装后留有导向间隙，操作时基本不受摩擦，不宜磨损；全开时水力情况良好，几乎没有水力损失；阀门操作力很小，有利于动水紧急事故关闭。缺点是：增大了座环的直径，加大了顶盖支持环及顶盖的高度，使投资增加。

七、筒形阀的操作系统

筒形阀作为一种新的水力机械，它的操作方式可分为机械操作和液压操作，相比较而言，液压操作系统具有操作简单、方便的优势，因此潘口水电站采用了先进的液压操作系统。

主要液压系统元件及其布置

（1）接力器。操纵筒形阀的接力器为活塞式液压缸，它的不同之处就在于接力器的顶端装有电气反馈装置——传感器。由于筒形阀的运动为圆筒形的阀体沿机组轴线方向做上下提升运动，故筒形阀接力器要均布安装在筒形阀阀体上部的圆周——也就是顶盖上。正是由于阀体为圆筒形，故接力器的数目不宜少于三个。

（2）配压阀（由电磁阀、节流阀、单向阀等组成的液压集成装置）。主要用于调节接力器的同步，每个接力器配一个，布置在接力器的旁边。

（3）其他的液压元件。主要是指液压马达和油源操纵电液伺服阀组，它们可根据实际情况进行布置。

筒形阀动作过程

潘口水电站筒形阀操作系统可分为手动控制和自动控制，当接受外界信号后，即按照一定的程序进行关闭和开启筒形阀的操作。操作原理见下图:

（1）关闭筒形阀

正常情况下关闭：正常情况下关闭筒形阀时，油路转换比例电磁阀SV1和先导比例电磁阀SV13同时动作，压力油从节点E进入节点F，再由节点F分两路：一路作为先导油经节点G和先导阀SV13将接力器下腔管路的单向阀X1、X2、X3、X4、X5、同时打开；另一路由比例阀SV1的A口入D口出，在节点Q又分两路，一路将滑阀推动，使滑阀接通回油路，另一路经节点I分流后分别进入接力器上腔。下腔油经打开的单向阀、节点M、液压马达W、节点N和SV1的C、B油口进入回油箱。当筒形阀落至全关时，下限位开关动作，将关闭继电器释放，电磁阀复位，单向阀X1-5和滑阀同时复位、锁定。

如果，某个接力器下落速度比其它的慢，那么五个电磁阀SV4、SV6、SV8、SV10、SV12中，下落慢的那一个由传感器给信号，对应的电磁阀将动作，使下腔回油加快，以加快下落。（SV4-12用于微调，SV3-11用于粗调）

非正常情况关闭：非正常情况关闭，主要是指油压系统丧失压力的情况。这时可将球阀NC1打开，同时将电磁阀SV13打开，储能压油罐的压力油作为先导油，将接力器下腔油路锁定打开，下腔油在筒形阀自重作用下，经回油路和球阀NC1进入节点H，同时接力器上腔通过真空吸力将下腔的回油和回油箱里的油经节点H吸入上腔。

（2）开启筒形阀

正常起升：开启信号发出后，电磁阀SV14动作，压力油经电磁阀SV14进入节点J分流，分别进入接力器下腔，上腔油在压力下，经节点I汇流，再经节点H、P回油。当筒阀提至最高时，上限位开关动作，将开启继电器释放，电磁阀复位，单向阀复位并锁定。

同样，如果某个接力器起升过快，那么相应的调节电磁阀动作，对应的接力器下腔回油，使速度下降。

非正常起升：非正常起升主要是指起升中的非正常停顿，比如由卡阻引起的停顿。这时，电磁阀SV2动作，压力油经液压马达加压后进入接力器下腔，克服停顿后再进入正常起升。

反馈装置

筒形阀操作系统的反馈装置有两部分，一部分为限位开关（前面已经介绍，这里不在重复），另一部分为传感器。这里对传感器进行一下详细介绍：

传感器固定于接力器的顶部，在筒形阀动作过程中，它通过检测与接力器活塞（活塞上装有磁性物质）之间由距离决定的的磁力线强弱，来不断的判断活塞位置，并反馈到自动控制中枢系统，这部分信号经分析后，一部分作用于筒形阀开度指示灯，另一部分经计算后作用于速度指示。如果出现非正常信号，比如接力器不同步、筒形阀卡阻，这部分信号也能反馈回去，中枢系统将发出相应的指令。

八、筒形阀的应用前景

潘口水电站机组采用了筒形阀结构，早已交由运行管理单位投入使用，在使用过程中安全、密封性好、水利损失小、运行可靠，深得运行管理单位的喜爱，因此，在条件成熟的前提下，立式机组可尽可能地采用筒形阀结构，卧式机组采用筒形阀正处于研发阶段，相信在不久的将来，筒形阀将大规模应用于各类机组结构中。