锦屏一级水电站圆筒阀的应用
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【摘 要】 本文结合锦屏一级水电站的实际情况，简要介绍了圆筒阀在国内外应用情况，重点介绍了锦屏一级水电站圆筒阀较其他控制方式圆筒阀的优点和结构特点，并结合该控制方式圆筒阀在滩坑水电站#3机组的实际运行情况，得出了在锦屏一级水电站采用第三代全数字集成式电液控制系统的圆筒阀不仅技术上是可行的，而且是安全可靠的结论。
【关键词】 锦屏一级水电站 圆筒阀 结构 控制方式
1 概述
锦屏水电站是雅砻江流域中下游开发的龙头电站，包括锦屏一级和锦屏二级水电站，总装机8400MW。锦屏一级水电站共装机6台，每台机设置一套圆筒阀，总容量3600MW，保证出力1080MW，多年平均发电量166.2亿KW.h。
锦屏水电站正常发电后，每年向川渝电网和华东电网输送清洁优质电能，每年可减少燃煤消耗2230万吨，减少排放二氧化硫35万吨和二氧化碳4700万吨。锦屏水电站水库建成后，可减轻长江中下游防洪压力，减少长江三峡水库的泥沙淤积，对长江上游生态屏障建设具有重要作用。
2 圆筒阀在国内外水电站的应用
2.1 圆筒阀在国外水电站的应用
水轮机圆筒阀由法国Neyrpic公司在1942年取得专利权。20世纪60年代后期，加拿大GE公司为Out-ardesⅢ电站提供了4套机组圆筒阀，用以代替常用的水轮机进水阀。70年代初期，该公司又有6套圆筒阀安装于ManicⅢ水电站。1979年，加拿大玛林工业公司（MIL）先后为当时最大的拉格朗德（La Grand）二级水电站设计制造8套自关闭筒阀，为La GrandⅣ电站设计制造9套圆筒阀。该圆筒阀布置在水轮机固定导叶和活动导叶之间。该阀的应用开始引起各国注意，许多优点得到公认，并被更多的水电站采用。
2.2 圆筒阀在国内水电站的应用
1987年，国内水轮机生产厂家与加拿大多米宁公司签订圆筒阀生产协议书，购买圆筒阀的专利技术，自行设计漫湾水电站250MW机组用的大型筒阀。由于漫湾电站是国内首次使用圆筒阀，对该技术尚存疑虑，因此还保留快速工作门。漫湾电站5台机组从1995年开始陆续投产以来，至今未出现过一次事故。漫湾电站的运行实践证明：圆筒阀技术引进是成功的，大型水电站使用圆筒阀是安全可靠的。
漫湾电站圆筒阀应用取得成功后，大朝山电站不仅使用圆筒阀，还取消快速工作闸门。大朝山电站于2001年12月14日首台机并网发电，2003年10月16日6台机全部投产，至今所有机组运行状况良好，并未因取消快速闸门而出现事故。大朝山电站这一举措为我国多泥沙江河大型水电站设计的开展开创了先河。
1993年漫湾电站首次应用圆筒阀取得成功后，国内小湾、小浪底、大朝山等电站相继使用圆筒阀并已投入运行。说明圆筒阀已被越来越多水电业界所认可，并在我国水电行业得到应用。
3 圆筒阀的优缺点
圆筒阀可以替代蝴蝶阀和球阀兼做机组的事故保护阀，与其它型式的进水阀相比，圆筒阀具有以下优点：
（1）降低电站建设的总投资。降低圆筒阀本身的成本，此外，圆筒阀不仅自身成本低，更重要的是降低电站工程投资。对于地下电站，采用圆筒阀可大大减少开挖量，这一点尤为重要。
（2）圆筒阀操作灵活、方便。圆筒阀启闭时间短，对水轮机发电机组起到了更有效的事故保护作用。圆筒阀操作机构简单可靠，往复运动所需的力较小，并且有足够的强度来承受紧急关闭过程中产生的巨大的水作用力。
（3）圆筒阀具有良好的密封性能，运行可靠，水力损失小，效率高。保护水轮机流道，减轻流道空化、泥沙磨损效果好。圆筒阀是一种自承式结构，不像蝴蝶阀或球形阀那样需要复杂的衬套和轴颈载荷集中在壳体上。
（4）圆筒阀在断电情况下能正常动作，操作油可在有压状态下存储。目前圆筒阀也存在不足之处，主要表现在：圆筒阀总体结构较复杂，有些零部件的加工精度要求高，难度大，某些零部件目前国内还不能生产，如机械同步的丝杆副等。电液同步的伺服阀、位移变送器等自动化元件需进口。
4 圆筒阀在锦屏一级电站的应用
4.1 锦屏一级水电站圆筒阀的应用
目前圆筒阀同步机构广泛采用的同步方式有两种：机械同步和电液同步。电液同步又分为：同轴油马达式、伺服比例阀式、全数字集成式。
锦屏一级水电站采用的是全数字集成式电液同步控制方式圆筒阀。相对于采用其他同步机构的圆筒阀，具有以下优点：
（1）整体结构简化，不仅取消了十分繁杂的机械同步机构装置，同时也使操作接力器的结构简化。
（2）机坑内布置占据空间小、简洁、美观，为水轮机的机坑内布置让出空间。
（3）拆装方便，基本免维护。安装调试周期短，相对其他同步系统调试时间缩短1/3以上。
（4）同步控制精度高，每一个控制脉冲对应接力器活塞移动10μm，便于调整控制。
（5）启、闭时噪声小，保护了电厂运行环境。
4.2 锦屏一级水电站圆筒阀的主要设计参数（见表1）
4.3 锦屏一级水电站圆筒阀的结构
锦屏一级圆筒阀及其附属设备主要由筒体、导向机构、密封、接力器、同步控制装置、油压装置、监测系统仪表、自动化元件、盘柜及控制装置、阀门、管道、导线、电缆等组成，其布置情况详见图1。
圆筒阀装设于固定导叶与活动导叶之间，筒体分两瓣运输至现场，分半面用35CrMo高强度螺栓把合，分半面上把合螺栓的通孔用圆板封焊上。筒体上、下密封区均堆焊不锈钢层，在座环固定导叶的内侧焊有铜导向板，使安装后的导向板与筒体的间隙符合设计要求。筒体与圆筒阀活塞杆采用埋入式螺栓连接，连接螺母采用M100×4的超级螺母，置于筒体上开设的窗口内，外侧用20mm不锈钢板封堵。圆筒阀的下密封，采用压板橡皮条结构装于底环上，上密封采用带凸缘的橡皮板及压环结构装于顶盖上。圆筒阀密封所有的压板、压环及内六角螺钉均为不锈钢材质。
圆筒阀接力器采用直缸接力器。在提升杆与筒体接触之间增设了一个垫环，便于调整筒体与提升杆的垂直度和降低挤压应力。提升杆的直径为180mm，采用高强度不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb制造，提升杆内装有测量接力器直线运动的精密位移变送器，变送器测量出各个接力器的位移量，通过控制系统的比较，控制接力器下腔排油，以达到6个接力器的同步。圆筒阀油压装置提供操作接力器的压力油，其额定工作压力为6.3MPa，事故最低操作油压4.4MPa。
4.4 锦屏一级水电站圆筒阀的控制方式
锦屏一级水轮机圆筒阀同步控制系统采用全数字集成式电液控制系统，该系统采用机械位置传感器自调节、接力器位移变送器电气调节双反馈系统调整圆筒阀同步运行。该控制系统由高精度数字液压阀、高精度数字电机、特殊高精度内置式机械位置传感器、液压锁、接力器位移测量装置等组成。通过电气控制系统根据目标值，给出一定量的控制脉冲，液压系统就自动按照数字量化值叠加动作，直至目标值。在液压油源操作下，控制脉冲量与圆筒阀接力器活塞移动位移量具有严格的对应关系，每一个控制脉冲实际对应接力器活塞移动10μm，1000个控制脉冲对应接力器活塞移动10mm。
圆筒阀电气控制装置由电液同步控制盘和电液同步功率盘组成，2个盘在工厂内组装为一体。其中圆筒阀电液同步控制盘由PLC、触摸屏、空气开关、继电器、信号灯、控制模式选择开关、控制按钮、接线座等组成；圆筒阀电液同步功率盘由电源转换装置、24VDC电源选择装置、UPS电源、步进电机功率驱动模块、空气开关、继电器、信号灯、接线座等组成。
5 结语
（1）圆筒阀在国外使用已有40多年历史，国内从1988年引进开始也已有20多年，在有了漫湾、小浪底、大朝山等国内电站的实践经验之后，国内各主要水轮机制造厂完全具备了圆筒阀研制生产能力，国内圆筒阀制造技术已经成熟。
（2）圆筒阀具有良好的密封性能、在动水状态下有极强的自关闭能力和离水轮机转轮最近的结构特点，同时还具有关闭速度快和造价低的明显优点，因此是机组防飞逸的有效设施。锦屏一级水电站由于水头高、单机容量大，为适应机组在系统中调峰、调频的要求，使机组稳定运行，设置圆筒阀是必要的。
（3）锦屏一级水轮机圆筒阀为第三代的全数字集成式电液控制系统。与其他控制系统相比具有结构简化、占据空间小、拆装方便，基本免维护、安装调试周期短、同步控制精度高、运行噪声小等优点。
（4）滩坑水电站#3机组作为锦屏一级圆筒阀的试验项目，从08年投运至今运行效果良好。因此锦屏一级水轮机圆筒阀采用第三代全数字集成式电液控制系统不仅技术上是可行的，而且是安全可靠的。
参考文献：
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