活塞式減壓閥在紫坪鋪水電站應用

                             上海申弘閥門有限公司

之前介紹SAF2507雙相不銹鋼高壓自力式調節閥，現在介紹活塞式減壓閥在紫坪鋪水電站應用紫坪鋪水電站位于四川省都江堰市,系岷江上游干流第五級電站,距都江堰9KM,距成都市64KM，電站設計裝機規模為760MW,安裝4臺單機容量190MW水輪發電機組，水頭變幅為68.4m~132.76m電站在系統中的主要作用是調峰、調頻、承擔系統事故備用，是一項以供水和發電為主的綜合利用工程。

1、活塞式減壓閥在紫坪鋪水電站應用機組技術供水系統運行方式介紹

機組技術供水系統的主用水源為自流減壓：由每臺機組蝸殼取水通過X201D電動閥單獨供給本臺機組；機組技術供水的備用水源為水泵：兩臺水泵從尾水取水供至備用技術供水總管，同時備用技術供水總管通過四個聯絡閥1231D~4231D與每臺機組連接。而四臺機組主變冷卻水由備用技術供水總管供給。

由于備用技術供水系統設備布置高程在尾水位以下10m左右，一旦該套設備運行中出現7201、7204閥門及閥門前密封墊損壞或管路損壞，將造成水淹廠房的嚴重后果。同時如果將備用取水方式投入運行，水泵將按0.3～0.5MPa水壓控制自動起泵、打壓、停泵操作，這樣將導致設備損壞率升高，增加檢修成本和工作量。機組技術供水冷卻水壓需要在0.3～0.5MPa壓力范圍中調整一個穩定的值來供給，而備用技術供水水壓在0.3～0.5MPa范圍內始終是一個不穩定的變量。鑒于上述原因，紫坪鋪電廠備用水源水泵尾水取水系統沒有投入運行。

ZJY46H組合式減壓閥是為水電站技術供水系統量身設計的產品，為水電站常見的如開停機，甩負荷工況；庫容水位變化大；過流介質泥沙含量大；沖擊式機組進口水頭高等問題提供了優良的解決方案。

減壓閥工作原理：當進口壓力及流量變化時，通過控制閥調整主閥壓力調節腔的壓力，從而控制節流錐的開度，改變介質的過流面積，從而達到減壓穩壓的目的。

上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、ZJY46H減壓閥由安全鎖定系統，壓力反饋系統，和主閥閥體組成。了使它們的壓力在正常范圍內，這些設備不被高壓所破壞，在每臺機組的鋼管引水總濾過器出水閥后裝有一臺減壓閥裝置。而原減壓閥采用的是200X型老式組合式減壓閥，由于該閥減壓效果不好造成出口壓力大于機組運行的允許值。現改為ZJY46H—25Q（Ⅳ）DN400型減壓閥裝置。該減壓閥具有高減壓比、大流量、進口壓力適應能力強、低噪聲、使用壽命長等優點。 
    1 改造前減壓閥裝置存在的一些問題
    a.減壓閥經過近十年運行，故障率明顯升高，同時備品備件采購日益困難，嚴重威脅著機組安全運行。b.由于減壓閥采用的時膜片式結構，壓力比為2∶1，出口壓力隨著進口壓力的變化、流量的變化而變化；尤其當壓力波動較大時，會對閥組造成一定的沖擊、對機組造成很大的損傷，膜片容易被惡劣的工況擊穿，不利于安全運行。
    c.反饋系統中的管道與射流泵、控制閥的連結大小不一，需用過渡連結，系統的維護與拆卸不方便。
    d.雙反饋系統的切換較為復雜，要通過四個球閥的切換。
    e.反沖排污的操作也顯得較為復雜，要通過三個球閥的切換。
    f.反饋系統控制閥的結構復雜，相對滑動零部件的摩擦系數大，影響控制閥的靈敏度。
    g.主閥的過流面部分出現氣蝕。
    基于減壓裝置存在的以上多種缺陷，電廠技術人員經過討論研究決定利用每臺機組大修的機會，對該裝置進行升級改造。
    2 改造后的減壓裝置的技術特點
    a.減壓比大：原減壓閥的減壓比為3∶1，本閥可達到8∶1。
    b.全活塞式結構，安全可靠性高：主閥和控制閥均為金屬活塞式結構，防止了橡膠膜片因老化而可能出現的安全故障。
    c.調壓范圍大：本減壓閥出口壓力可在0.15～1.2MPa范圍內任意調節，而珊溪電廠的只需在0.3～0.8MPa。
    d.過流量大：過流設計具有*的結構形式，過流面積比同口徑的管道大，過流能力*可以適應設計中已選管道的需要。
    e.出口壓力穩定：由于采用大剛度彈簧加載和射流泵技術，從而保證了不管進口壓力和出口流量如何變化，減壓閥始終能夠保證出口壓力的穩定。     
    f.對水質的適應能力強：過流面采用特殊材料和結構，在控制閥上裝有排污裝置，故減壓閥可以適用于任何的水質，不會產生氣蝕、磨蝕和堵塞現象。
    g.可靠性高：由于裝有雙反饋系統和出口壓力自鎖定裝置，可以保證減壓閥在工作狀態下相互切換反饋系統，并保證出口壓力不超限，以保護閥后設備的安全。
    h.運行中，減壓閥無噪音、無振動、無壓力漂移、無卡阻現象。
    i.使用壽命長：由于主要部件均采用不銹鋼材料，主彈簧不與水接觸，且無橡膠受力件，使用壽命遠遠長于前減壓閥。
    j.安裝、調試、運行、維護方便。
    3 減壓閥裝置的構成及原理
    3.1 減壓閥的型號
    珊溪減壓裝置采用的是ZJY46H—25Q（Ⅳ）DN400型減壓閥裝置。其中：
    ZJ—公司代號
    Y—減壓閥
    4—法蘭連結
    6—組合式
    H—閥座材料為不銹鋼
    25—公稱壓力（MPa）
    Q—球墨鑄鐵
    Ⅳ—雙反饋、可反沖排污、內鎖定保護型
    3.2 減壓閥的結構
    減壓閥的結構如圖1所示。該裝置為ZJY46H－250Q（Ⅳ）雙反饋減壓閥，主要由主閥、主用反饋系統和備用反饋系統組成。兩個反饋系統呈并聯式組合。在減壓閥的正常工況下，兩套反饋系統可互為切換，互為備用。而備用的反饋系統，可進行拆卸檢修。兩套反饋系統功能均一樣，無主次之分。在工作狀態中的反饋系統如發生堵塞，（出口壓力下降）可在減壓閥的工作狀態中進行反饋系統的反向沖洗排污，將污垢排出系統外，使減壓閥恢復正常工況。

    3.3減壓閥的工作原理及主要輔助功能介紹
    3.3.1減壓閥的工作原理
    如圖2所示，P1為減壓閥的進口壓力；P2為減壓閥的出口壓力；Pt為減壓閥主閥的彈簧壓力；Pk為減壓閥主閥的壓力調節腔壓力；P't為反饋系統控制閥彈簧壓力；Pk'為反饋系統控制閥壓力調節腔壓力；H為減壓閥閥座和節流錐的開啟高度（相當于主閥的過流面積）。減壓閥正常工況時，Pt=Pk，控制閥Pt'=Pk'，此時主閥和控制閥的閥座與節流錐開啟高度H和L都是一個定值（即：過流面積一定、過流量一定）。因此，減壓閥出口壓力相對是一個低壓值P2。

    在進口壓力P1變化時，出口壓力P2是不變的，工作原理如下：
    當P1上升時，減壓閥的P2+ΔP2首先表現為上升，其值通過反饋系統出口管傳到控制閥，使Pt'+ΔPt'，ΔPt'與Pk'的力達到新的平衡，控制閥L減小；相應ΔPk'壓力增大，經壓力導管，使主閥的Pk+ΔPk，Pt=Pk+ΔPk壓力達到新的平衡，主閥H減小、ΔP2值恢復為原P2值。當進口壓力P1下降時，主閥與控制閥的工況則與上述的工況相反。
    當出口流量Q增大時，減壓閥的工況相當于P1下降時的工況。當出口流量Q減小時，減壓閥的工況相當于P1上升時的工況。
    3.3.2 ZJY46H型減壓閥的主要輔助功能介紹
    ZJY46H型減壓閥不同于原減壓閥之處在于：反饋系統的抗泥沙、反沖排污、反饋系統的切換及出口壓力安全鎖定功能。
    3.3.2.1 反饋系統的反沖排污工作原理
    當控制閥的濾網堵塞超過一定程度時，控制閥進口的壓力L升高，導致主閥的PK值升高，導致主閥過流面減小，出口壓力P2值減小。此時只要進行反沖排污操作，系統就可恢復正常。如圖3所示：首先關閉Fa（由于主活塞下方壓力腔被封閉和水的不可壓縮性，主閥的過流面積不變，減壓閥的P2值仍是一個低壓）；其次將控制閥下的三通閥旋轉90°，將反饋系統的順向水流關閉，同時排污口打開；在減壓閥出口壓力的作用下，水流反向，控制閥出口變成進口，水流從濾網內向外，經三通閥排出系統外，同時帶走附著在濾網外的雜質；后按關閉三通閥、打開Fa的順序操作，反饋系統恢復正常。
 
特點：

1、互為備用的雙反饋系統可供不停機檢修；
2、反沖排污系統可適用更多不佳水質。
3、出口壓力鎖定系統可以鎖定減壓閥出口壓力上限，不再害怕高壓水損壞機組。主閥與控制導閥均采用全活塞式結構。
4、使用壽命極大地延長，一次采購十年安全。
5、減壓比大可達12:1，一級減壓高水頭已達370米。
6、流量大可過5000m³/h，大應用單機（如向家壩電站）已達800MW。

目前，紫坪鋪電廠四臺機組技術供水方式采用機組蝸殼取水做主用供水，而備用水源是將四臺機組聯絡閥打開，將四臺機組技術供水聯絡運行，用四臺機組主用水源供給備用技術供水總管，從而保證四臺主變的冷卻供水。

2、紫坪鋪電廠技術供水系統減壓閥存在問題

紫坪鋪電廠四臺機組技術供水系統減壓閥選用的是以色列DOROT減壓閥膜片差壓式減壓閥，閥門公稱直徑為DN350。3#、4#機組減壓閥于2005年10月份投入運行，2#機組減壓閥于2006年3月份投入運行，1#機組減壓閥于2006年5月底投入運行。

2006年10月5日，發現3#機組技術供水減壓閥動作異常，全開后無法關閉。廠家人員于2006年11月份對3#機組技術供水減壓閥進行了拆卸檢修，發現減壓閥閥桿斷裂、中心導向爪損壞、閥座脫落，經更換損壞部件回裝后工作正常。

2007年11月6日，發現4#機組技術供水減壓閥無法正常工作。經檢查，發現減壓閥閥桿已斷裂、橡膠隔膜已損壞、導向爪已損壞、閥座已脫落。將檢修泵技術改造更換下來的水力控制閥部件拆下，對減壓閥損壞部件進行更換后，減壓閥工作正常。

2007年11月14日，發現2#機組減壓閥強烈振動、工作異常，經檢查，發現2#機組技術供水減壓閥出現類似3#、4#機組損壞情況。

在機組投運后不到兩年時間，先后有3臺機組減壓閥出現基本情況相同的損壞。減壓閥損壞后，造成技術供水管路水壓失控，水壓異常升高，對空冷器，上導、推力、水導油槽冷卻器構成極大危害，造成冷卻器銅管爆裂。斷裂的導向爪和螺栓被沖入機組技術供水管路中，至今無法尋找，在技術供水管路中產生磨損和碰撞，引起管路內噪音和破裂噴水的嚴重后患。

更換新的備件投運時間不久又損壞，這樣將導致技術供水管路內的損壞件堆積，引起管路堵塞，機組各部冷卻水壓降低或消失，引起機組軸承溫度升高，后造成機組被迫停機的事故發生。國外這種膜片差壓式減壓閥工況的極不穩定性，導致了電廠停機經常發生的后果。

3、紫坪鋪電廠技術供水系統減壓閥損壞的原因分析

由于這種DOROT減壓閥膜片差壓式減壓閥在運行中經常損壞，給電廠機組技術供水系統造成極大影響。因此，我們對兩年來該減壓閥的運行和檢修情況進行了總結和分析，得出了該減壓閥容易損壞的以下三個方面的原因。

3.1、減壓閥設計選型方面的原因

紫坪鋪電廠機組水頭在68.4m~132.76m變化，水頭變幅之大在全國也很少見。初設計考慮采用兩級減壓方式實現，即*級減壓至0.80 MPa，第二級減壓至0.30~0.40 MPa。但由于現場管路布置條件限制，只能安裝一臺減壓閥，因此設計終定為一級減壓，在某國技術代表的承諾下，選用了該國的膜片差壓式減壓閥。該減壓閥的大大減壓比為1：3，當水頭達到大水頭132.76m時，該減壓閥出口低能調至0.46 MPa，否則為惡劣工況區。由于電廠水源為雪山融化水，水溫較低，常年保持在18℃以下，水冷卻效果很好。電廠機組技術供水經現場運行檢驗，水壓在0.25 MPa～0.40 MPa為合適。因此該減壓閥在技術供水系統中，經常工作于正常工作調節壓力范圍之外，工作在惡劣工況區，導致減壓閥使用壽命短，容易損壞。

3.2、減壓閥結構方面的原因

通過損壞減壓閥的分析，在結構上存在容易損壞的缺陷，并且損壞是一個逐漸加劇的過程：*步損壞是由于導向爪與底座密封圈之間存在無法消除的間隙，且閥桿和閥在高速水流的沖擊下無法保持*垂直運動，在機組運行時水力波動使導向爪與密封圈發生碰撞，在機組工作壓力范圍內，6個導向爪上均勻地磨出了一圈磨損痕跡。第二步損壞是在*步損壞的基礎上，機組經常進行開、停機操作，在導向爪上、下移動過程中，因磨損痕跡的出現和閥桿無法保持垂直運動的影響，使導向爪對底座密封圈產生了一定的拉伸破壞力，從而使導向爪斷裂、底座密封圈脫落。第三步損壞是由于導向爪斷裂后，操作桿和閥盤擺動幅度增大，出現偏斜、卡澀現象，后出現操作桿疲勞性斷裂，橡膠隔膜損壞，導致減壓閥無法正常工作。

3.3、機組技術供水運行方式方面的原因

受紫坪鋪電廠技術供水系統運行方式影響，機組技術供水備用水源尾水取水方式不可用。主變冷卻用水又取自備用技術供水總管。因此機組備用技術供水總管不允許斷流。為保證機組備用技術供水水源，機組技術供水備用水源由四臺機組主用水源通過聯絡閥1231D～4231D聯絡運行，由于每臺機組減壓閥后壓力不可能調整到*相同，造成減壓閥為了消除壓力差參與調節，影響了使用壽命。同時由于機組開、停機時的瞬間流量變化非常大，對聯絡運行的機組減壓閥產生的瞬間調整沖擊也非常大。

4、紫坪鋪電廠技術供水系統減壓閥更換選型

為解決紫坪鋪電廠機組技術供水系統減壓閥容易損壞的問題，決定對紫坪鋪電廠機組技術供水系統減壓閥進行重新選型，選型后的減壓閥能從根本上解決現有減壓閥所有存在的問題。選型標準如下：

A、整體結構合理且剛性好，以防止零部件斷裂現象；

B、活塞式結構，以防止橡膠膜片老化、強度不夠、斷裂現象；

C、流量與壓力的調節能力強、穩定，以滿足三臺運行一臺備用的工況；

D、滿足機組開、停機，甩負荷工況時穩定運行的要求。

經過對各種減壓閥資料收集和到相關電廠進行考察，決定采用北京時代中基科技發展有限公司生產的ZJY46H型活塞式減壓閥，替代紫坪鋪電廠目前用的國外進口的差壓膜片式減壓閥。

4.1、ZJY46H型活塞式減壓閥的特點

如圖四所示：P1為進口壓力；P2為出口壓力。由主閥和反饋控制系統組成。

4.1.1、合理的結構：由P1流向P2水流為從上至下在節流錐上形成流暢的態式，紊流現象減少；由內鎖定螺母和安全拉桿組成的出口壓力內鎖定裝置可有效保護因產品故障出口壓力升高現象；雙外置反饋控制系統通過切換閥作互為備用的切換，以保證反饋控制系統*地對主閥控制。反沖排污系統可保證反饋系統無堵塞地運行。由于主閥和控制閥均采用活塞式結構在整體剛性方面各承壓部位有足夠的強度。我們在寶珠寺電站（高水頭104m） 和天生橋發電總廠（高水頭214m）調查，該產品從未發生過部件斷裂現象。

 4.1.2、壓力和流量特性

如圖四所示、Pt為減壓閥主閥彈簧壓力；Pk為減壓閥主閥壓力調節腔壓力；Pt′為反饋系統控制閥彈簧壓力；Pk′為反饋系統控制閥壓力調節腔壓力；h為閥座和節流錐的開啟高度（相當于過流面積）。

減壓閥正常工況時， Pt=Pk ，在控制閥Pt′=Pk′。此時，主閥和控制閥

在進口壓力P1變化時， P2是不變的，工作原理如下：當P1上升時，減壓閥的首先表現為P2+ΔP2，其值經出口管至控制閥，使Pt′+ΔPt′，ΔPt′+ΔPt′=Pk′（新平衡），L減小，Pk′壓力增大，經導管，使主閥的Pk+ΔPk，Pt=Pk+ΔPk（新平衡），主閥H減小、ΔP2值恢復為原P2值。當P1下降時，主閥與控制閥的工況則與上述的工況相反。的閥座與節流錐開啟高度是一個定值。因此，P2是一個低壓值。

當出口流量Q增大時，工況為P1下降時的工況。當出口流量Q減小時，工況為P1上升時的工況。過流面積是隨著用水量的變化而變化的。

4.1.3、減壓比

因不受P1ZJY46H-16型活塞式減壓閥電站運行參數： 的影響，只要Pk有足夠的壓力與Pt和Pk形成平衡，形成合適的主閥過流面積，減壓比相應會較大。以下是我們調查

4.1.4、流量分析

   紫坪鋪電站機組單機額定流量為1100m3/h，主變為480m3/h，要求單閥供水大于1580m3/h。本次選用ZJY46H-16C DN350減壓閥，廠方提供相關參數為：過流直徑325mm；大行程H（見圖四）為52mm。因此，大過流面積為：53093 mm2。大水頭170m（加水錘壓力）。

    我們要求ZJY46H-16C DN350減壓閥在低水頭時滿足流量為1580m3/h的要求。廠家提供的相關電廠運行實測相關參數如下：

根據ZJY46H-16C DN350減壓閥的相關技術參數，我們推算出來的數據如下：當閥前壓力為0.10 MPa、流速為18m/s、流量為1100 m3/h時，所需過流面積為：16975mm2，（大過流面積為：53093 mm2）只占大過流面積32%。

當閥前壓力上升時，根據根據減壓閥的工作原理，主閥過流面積只會減小，所以ZJY46H-16C DN350減壓閥的過流量應該能夠滿足機組運行要求。

5、ZJY46H-16C DN350減壓閥的電廠試運行

2008年4月26日晚8時，*臺ZJY46H-16C DN350減壓閥在紫坪鋪電站的3#機組技術供水系統投入試運行。即時工況為：P1為1.00 MPa；P2為0.35MPa。機組后各用水點壓力表指示平穩，減壓閥只聽到水流聲，無異常噪音。運行一小時后，我們和廠家對減壓閥進行了相關測試，結果如下：

1、反饋系統切換：切換時P2無壓力波動;

2、調節反饋系統控制閥，P2調節范圍在0.25~0.55MPa，調節反應靈敏；

3、關閉減壓閥后的閥門，P2升高至0.40MPa停止，打開減壓閥后的閥門，P2回復至0.35MPa；

4、流量與減壓閥過流面積：電磁流量計顯示為1100m3/h，此時主閥過流面積為17357mm2（大過流面積53092mm2），只占大過流面積的32%，還有充分的的過流量。計算出過流孔流速為17.6m/s。與我們的分析數據相關不大。

至2008年10月止，紫坪鋪電站全部機組的技術供水系統全部改造完畢。

6、結論

紫坪鋪電站通過對機組技術供水系統減壓閥進行改造后，達到了以下幾方面效果：

1、消除了紫坪鋪電廠在設計選型方面的問題， ZJY46H-16型活塞式減壓閥的減壓比能達到10：1，所以能滿足我廠68.4m~132.76m 水頭下，減壓閥后壓力為0.25MPa～0.40 MPa的變幅范圍，同時一級減壓即可。

2、消除了紫坪鋪電廠原有國外減壓閥在結構上容易損壞的問題。ZJY46H-16型活塞式減壓閥從結構上看，活塞桿受活塞和支撐筋兩點定位，能保證活塞桿和閥盤位置在工作中保持垂直上下移動，閥盤不會與其它部件發生碰撞，而且沒有橡膠隔膜等容易損壞的部件，并且該減壓閥各零部件結構堅固耐用，具有使用壽命長的優點，從而減少了大量的維護工作量。

3、ZJY46H-16型活塞式減壓閥從今年四月運行至今，未出現任何故障，為電廠安全運行提供了保障。

6、問題

    目前的問題是由于機組技術供水系統設計方式已無法進行更改，因此四臺機組主用供水和備用技術供水總管屬聯絡運行方式，而水源由四臺機組蝸殼取水供給。技術供水聯絡運行方式對減壓閥產生的參與調節的影響仍然存在，可能會縮短減壓閥的使用壽命，由于更換后的減壓閥結構堅固，這方面的影響將不會太大。與本論文相關的論文有：先導式減壓閥安裝及選型