上海申弘阀门有限公司
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之前介绍自力式压力调节阀在化工行业应用，现在介绍抽水蓄能电站水轮球阀设计规范为了降低抽水蓄能机组水轮机工况甩负荷时蜗壳压力上升值和压力脉动值，应用了球阀协同导叶关闭的流量控制方式。于2012年在蒲石河大型抽水蓄能电站，进行了水轮机工况甩负荷过渡过程球阀参与导叶控制方式的现场试验。针对这量控制方式，利用内特性法预测了在甩负荷过渡过程中各动态参数的瞬变规律，预测的机组转速上升大值与试验值的相对误差为2.11%，预测的蜗壳压力上升大值与试验值的相对误差为0.74%，从而验证了内特性方法的合理性;同时证明，只要合理地选择导叶与球阀的控制规律，即可显著改善水泵水轮机装置水轮机工况甩负荷过渡过程的动态品质，降低抽水蓄能电站引水系统的水压上升值。液控球阀广泛应用于高水头的水电站中。工作时，阀门与水轮机配合，按照水力过渡过程原理，通过预设的启闭程序，有效消除管路水锤，实现管路可靠截止，起到保护管路系统安全的作用。 安装在水轮机蜗壳的进水口处，为机组停机检修时提供可靠的安全的工作条件；在机组长时间停机时减少机组漏水量，开机时快速充水，使机组快速进入工作状态；还可以防止机组飞逸事件。
1、抽水蓄能电站水轮球阀设计规范研究背景
近年来，高水头大功率抽水蓄能电站得到了蓬勃发展。但由于机组安装高程低、引排水道一般也较长，同时机组运行工况转换频繁、流量特性曲线在水轮机制动区及反水泵工况区存在着不稳定倒“S”区域，因此抽水蓄能电站的水力过渡过程十分复杂。
为了降低抽水蓄能电站水泵水轮机组甩负荷时机组转速与蜗壳水压力上升值，国内外广泛采用改变导叶关闭规律的方式，使其维持在调保规范之内。有的电站采用延时直线关闭导叶的方式，对传统关闭规律存在的缺陷有所改善，取得了较好的优化效果;有的电站采用快慢快的关闭规律，通过引入延时段，针对抽水蓄能机组过流特性，综合两段折线规律中快关与慢关的各自优点，但由于液压系统存在巨大的油流惯性，*准确延时实际上很难做到;有的电站采用引入转速信号反馈导叶的关闭规律，避免了常规折线关闭规律中计算拐点位置与实际拐点位置偏差带来的运行风险，只要转速阈值设定合理，可有效减少水压力上升值，但该方法的可靠性还有待提高。针对以上这些问题需要探讨其它的控制方式，处理高水头水泵水轮机装置甩负荷过渡过程中转速上升值与压力上升值的矛盾。
2、球阀参与甩负荷过渡过程流量的控制方式
上海申弘阀门有限公司主营阀门有：截止阀,电动截止阀技术规范要求，大中型高水头水泵水轮机的进水阀门在任何工况下应能动水关闭，因此球阀参与流量调节成为可能。一般水电站球阀的静态流量特性如图1中曲线1所示，即在大开度下的流量变化比导叶缓和，在小开度下则相对剧烈。而水轮机导叶的静态流量特性如图1中曲线2所示，即流量在大开度时变化慢，中间快，小开度下又变化慢的特性，因此大压力上升值出现在中间某一导叶开度的位置。可以结合进水球阀与导叶的流量特性，在甩负荷后采取导叶延时关闭的同时，让球阀开始关闭，以此控制方式参与流量调节，如图2所示。只要导叶滞后时间与关闭时间设计合理，将不会产生过大的水压上升。我国的西龙池、惠州、蒲石河等抽水蓄能电站机组均采用此种关闭控制方式。
抽水蓄能电站水轮球阀设计规范 性能特点
本系列阀门，智能化程度高、功能齐全、性能稳定可靠，且流阻系数极小，全开时的流阻系数与管道相等。我公司并可根据用户的特殊要求单独进行设计，多方位满足用户对该类产品的需要。
1、电气控制系统采用PLC智能控制，使电气线路大大简化，具有较强的故障自我诊断功能。水电站进水球阀可本地，远程控制，受中控室及与水轮机联动控制，自动化程度高，安全可靠，实现电站“少人值班和无人职守”的管理理念；
2、液控系统采用重锤或蓄能器储能，当水电站停电无电源时，重锤或蓄能器释能，可实现紧急动水关闭球阀，为机组安全运行提供足够的安全保证；
3、适用水头范围广，高可达到1000米水头；
4、流体阻力小，球阀是所有阀类中流体阻力小的一种，即使是缩径球阀，其流体阻力也相当小。
5、开关迅速、方便，只要阀杆转动90°，球阀就完成了全开或全关动作，很容易实现快速启闭。
6、密封性能好。球阀采用双密封设计，即上游设置有“检修密封”，下游侧设 置有“工作密封”，易于保证密封，而且球阀的密封力随着介
质压力的增加而增大，漏水量很小。
7、阀杆密封可靠。球阀启闭时阀杆只作旋转运动，因此阀杆的填料密封不易被破坏，而且阀杆倒密封的密封力随着介质压力的增加而增大。
四、 抽水蓄能电站水轮球阀设计规范运行程序及工作原理
1、运行程序开阀：开启旁通阀→压差平衡→开启主阀→关闭旁通阀关阀：开启旁通阀→关闭主阀→关闭旁通阀
2、工作原理
（1）开阀时，油泵电机启动，油泵将压力油输入蓄能器至液压系统额定压力后停止。开启旁通阀，介质通过旁通管路流向水轮机蜗壳，排气阀排气，待阀门前后 压差达到设定值时，进水液控球阀的开阀油缸动作，开启进水液控球阀。进水液控球阀全开后，关闭旁通阀。
（2）关阀时，开启旁通阀，导通旁通管路。进水液控球阀的关阀油缸动作，关闭进水液控球阀。水电站进水球阀待液控球阀全关后，关闭旁通阀。
（3）在开关阀过程中，运行程序已由联动信号控制，进水液控球阀开关的程时间可调节液压回路上的调速阀实现。
（4）当液压系统在长时间的工作状态下，由于内部液压回路元件有微量泄漏使蓄能器内的油压降至额定下限值时，压力控制器动作启动油泵电机补足压力。
4.2、测点的布置
水轮机装置过渡过程现场试验需要量测的动态参数瞬变规律与试验的目的有关。针对2号机组的特点，在水轮机仪表盘处布置了压力钢管、转轮与底环间、蜗壳进口及出口、尾水管进口及出口各一个压力或压力脉动传感器，转轮与顶盖间、转轮与导叶间以及尾水管肘管处各两个压力或压力脉动传感器;除尾水管肘管处为AK-4型号外，其他均为IMF型号。在主接力器处布置了一个型号为PTIMA-20-FR-420E-M6的拉线式位移传感器用于测量导叶开度的变化规律;其它参数引自自动监控系统。图4标示出了测点位置。
4.3、试验结果
球阀与导叶的关闭规律如图2所示。甩负荷开始，球阀在60s内以一段直线规律关闭;而导叶一开始不动，11s之后，以一段直线规律在15s内关闭。图5中实线为该机组甩负荷时动态参数的现场示波图。由图5可知，压力上升的个高峰值，出现在甩负荷后8.9s，此时球阀已开始关闭，导叶未参与关闭。由于球阀在大开度时开度变化对流量的影响较小，当导叶开度不变时，流量的微小变化即可引起较大的转速上升值，转速的上升又会引起压力的上升。此时压力上升值主要是由转速上升引起的。在转速曲线上B点，机组所受的动态轴力矩为零，达暂态飞逸转速;此后机组进入制动区，虽然转速下降，由离心效应引起的流量下降作用减小，但由于球阀的调节作用加大，流量减少率增大，因此压力值仍增加;压力曲线C点处压力达到大，即流量的变化率大;D点导叶开始关闭，此时机组处于反水泵工况区，导叶开度变化对压力大值的上升并没有太大的影响，由于导叶开度的减小，反向流量减小，可以减小压力的第二个峰值，即E点处第二个压力峰值比个峰值要小得多。图5 动态参数瞬变曲线
5、甩负荷过渡过程计算
为了研究内特性法在球阀参与过渡过程时计算的准确性，应用编制的基于方程组式(1)—式(13)的内特性软件IFT2.0，对该机组现场试验同一工况，采用相同的球阀关闭规律及导叶关闭规律，进行了甩300MW负荷过渡过程计算。
图5中虚线为该机组甩全负荷时蜗壳进口压力及机组转速随时间的变化曲线。由图可知，与试验值相比，内特性法计算的压力大值与转速上升大值偏差很小。但在后面机组进入反水泵工况时，有一定的误差。但由于机组在甩负荷过渡过程中，关心的是压力上升极值及转速上升极值，因此内特性法*工程实际的要求。表2示出了2#机组甩全负荷时动态参数极值的试验值与内特性法计算值，可知采用球阀参与流量控制的方法能够满足过渡过程动态品质的要求。表2 机组甩300MW时动态参数的极值
6、结论
(1)分析了抽水蓄能电站水轮机工况甩负荷过渡过程中球阀参与流量控制的合理性，并由蒲石河抽水蓄能电站现场甩负荷试验所证实。
(2)在抽水蓄能电站甩负荷过渡过程中，采用球阀与导叶结合的控制方式，只要合理地选取导叶延时时间与关闭时间，就可以有效地降低压力上升值，因此当电站在电力系统中的作用，以及地形、地质、压力水道布置等因素满足的条件下，它可以用来取代调压井的作用，从而降低电站造价。
(3)基于内特性理论编制的抽水蓄能机组过渡过程数值计算软件IFT2.0经蒲石河电站甩负荷试验证明，计算准确性满足工程需要，它大的优点是无需已知水泵水轮机的全特性曲线，就可完成过渡过程的计算。与本文相关的论文：自力式煤气调压阀组
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