浅析抽水蓄能电站水压变化对...检修密封机械锁锭装置的影响_罗国虎.pdf

99罗国虎：浅析抽水蓄能电站水压变化对球阀检修密封机械锁锭装置的影响0引言抽水蓄能电站主进水阀是设置在蜗壳与压力钢管之间的阀门，也称为主阀，主要用于停机时减少机组的漏水量、充作压力钢管堵头、岔管引水电站的机组检修以及机组事故时防止飞逸事故扩大等。由于抽水蓄能电站一般水头比较高（大部分在 200m 以上），所以大多选用球阀作为其主进水阀。球阀通常设有两道密封装置，上游密封为检修密封，当机组或者工作密封检修时投入，作为设备隔离的必要安全措施，平时机组运行时保持在退出的位置。下游密封是工作密封，随着球阀的启闭而退出投入。检修密封一般由水压操作，但为了确保检修密封可靠投入，球阀检修密封设计中通常会考虑配备密封机械锁锭装置。当检修密封投入后，手动投入锁锭螺杆作为备用安全措施，以防止检修密封意外退出。当压力钢管排空、下游管路充水或阀体充水等水压变化时，机械锁锭装置不能投入，防止因压力变化引起螺杆受力过大而造成变形损坏1。一管多机电站，当一台机组检修，其他机组发生事故工况时，若检修机组球阀机械锁锭装置投入有可能会因压力变化过大而引起损坏，针对这一问题，本文以金寨抽水蓄能电站球阀为分析对象进行校核分析。1基本情况金寨抽水蓄能电站球阀机械锁锭装置由锁定螺母、锁锭斜楔、锁锭销等组成，共 16 个，均匀分布在上游密封支撑环上。顺时针旋转锁锭螺栓（最大力矩 90Nm）推动锁锭斜楔下移，下移的锁锭斜楔推动机械锁锭销移动顶住检修密封环，起到防止检修密封环退出的作用2。2 锁锭螺栓受力分析机械锁锭装置投入的情况下，活门因受水压变化而引起的回弹变形力作用沿着检修密封环、锁锭销、锁锭斜楔传递（见图 1）。锁锭销斜楔图 1机械锁锭装置作用力传递示意图Figure 1Schematic diagram of force transmission of mechanical locking device此时如果左侧的水压升高，活门向右侧的变形会增大，浅析抽水蓄能电站水压变化对球阀检修密封机械锁锭装置的影响罗国虎（安徽金寨抽水蓄能有限公司，安徽省六安市237300）摘要：针对由于压力突变引起活门变形回弹给球阀机械锁锭销及斜楔造成损伤的问题，通过理论计算的方法比较在水力过渡过程事故工况下活门在受水压变形后引起的锁锭销及斜楔的受力与锁锭销及斜楔强度值的大小，通过比值在一定程度上反映锁锭销及斜楔遇到极端受力时是否仍然符合材料力学性能要求，从而判断设备是否会引起损坏，给抽水蓄能电站球阀检修密封机械锁锭装置设计及现场运维工作提供一点借鉴意义。关键词：抽水蓄能机组；球阀；检修密封；机械锁锭装置；锁锭斜楔；锁锭销中图分类号：TM612文献标识码：A学科代码：570.30DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2023.02.016100水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,2023机械锁锭装置的锁锭销、锁锭斜楔不会承受更多的作用力，因此不会损伤。如果水压降低，则活门会因左侧压力降低导致活门弹性变形会减少，形成往左侧的回弹力，机械锁锭装置的锁锭销、锁锭斜楔将承受由于活门变形回弹力，若这个回弹力大于锁锭销承受的最大力，会造成锁锭销和斜楔不确定性的损坏，从而造成机械锁锭装置故障。针对由于压力突变3引起活门变形回弹给锁锭销及斜楔造成损伤的问题，可以通过理论计算活门在受水压变形后引起的锁锭销及斜楔的受力与锁锭销及斜楔强度值进行比较，通过比值可以在一定程度上反映锁锭销及斜楔遇到极端受力时是否仍然符合材料本身力学性能要求，从而判断设备是否会引起故障损坏，同时也为抽水蓄能电站球阀检修密封机械锁锭装置设计及现场运维检修工作提供一点借鉴意义。2.1锁锭销的受力分析在过渡过程中选取水压降低最大的工况进行校核，即过渡过程计算报告中的工况 JHP3（上库死水位，下库正常蓄水位，一台机尾水闸门关闭，另一台抽水断电，导叶拒动），根据水力过渡过程计算得出此工况下进水阀上游侧的水压压降约为 125m4。对水压下降前后锁锭销进行受力分析，水压下降前活门的受力（Fp0）为水压下降后活门的受力（Fp1）、锁锭销对活门的作用力（Ffing）、活门变形后的形变力（KpX）之和，即：Fp0=Fp1+Ffing+KpX（1）Fp1=Fp0-p(S1+S2)（2）Ffing=E(X-gw)/Lf Sf （3）将式（2）、式（3）代入式（1）可以得出：wfffpfEgSpSLXESKL+=+（4）式中：Fp0下降前水压 P0作用在活门上的力，kN；Fp1水压下降后 P1作用在活门上的力，kN；P0水压下降前的压力，MPa；P1水压下降后的压力，MPa；E弹性模量，MPa；X活门向上游恢复变形量，mm；p水压下降后的压差值，MPa；gw斜楔与导向块之间的间隙，mm；Kp活门刚度，12312kN/mm；Lf锁锭销的长度，104mm；Sf锁锭销的截面积，mm2；S1移动环与支撑环接触截面积，mm2；S2活门密封面截面积，mm2。通过以上公式可以得出锁锭销所承受的力：fing=Ffing/S=wf()EgL （5）活门变形后锁锭销受力计算结果如表 1 所示。表 1锁锭销受力计算结果Table1CalculationresultofLockPinForce名称Ffing/kNfing/MPa材质数值2586198X20Cr132.2锁锭销强度计算由于锁锭销的材料为 X20Cr13，查材料力学性能5得该材料的屈服强度 Ys为 600MPa，由此可得：（6）式中：锁锭销的柔度；E弹性模量；锁锭销的长度系数；i锁锭销截面积的最小惯性半径。计算可得 锁锭销=546MPa，并可以看出 锁锭销 fing，锁锭销稳定性余量 K1=锁锭销/fing=546MPa/198MPa=2.76，说明在该工况下锁锭销的强度满足要求。2.3锁定斜楔的校核锁定斜楔可以简化成悬臂梁的结构6，其中由于结构的原因，此悬臂梁的变形为 0.2mm。根据悬臂梁公式：3bending3FLUEI=，bendingFLVI=（7）式中：F作用到悬臂梁上的力，kN；L悬臂长度，250mm；E杨氏模量，200000MPa；I最小惯性矩，最小界面直径 27mm；V半径，27/2mm。可以推导出：bendingbending33UEVL=（8）保守考虑，假设变形量为 0.5mm（设计变形量为 0.2mm），计算得到斜楔的应力 bending=64.8MPa。（下转 120 页）120水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,20232019.8 马洪琪，周宇，和孙文.地下工程施工（下册）M.北京：中国水利水电出版社，2011.9 中华人民共和国水利部.SL 3032017 水利水电工程施工组织设计规范 S.北京：中国水利水电出版社，2018.10 国网新源控股有限公司.抽水蓄能电站通用造价机电设备安装分册 M.北京：中国电力出版社，2020.收稿日期：2022-09-02 修回日期：2022-10-15吴立兴（1968），男，副高级工程师，主要研究方向：水利工程设计与施工，招投标，水电（抽水蓄能）工程造价与合同管理。E-mail：戴昕（1971），女，经济师，主要研究方向：新能源项目的规划、计划，招投标，经济评价和综合统计分析。E-mail：Research and Analysis on the Influence of Engineering Quantities Changes of Pumped Storage Project on Engineering InvestmentWULixing1，DAIXin2（1RiverRunzeEngineeringManagementConsultingCo.Ltd.，Beijing100070，China；2StateGridXinyuanMaterialsCo.Ltd.，Beijing100053，China）Abstract：Inrecentyears，duetotheinfluenceofconstructionconditions，constructiondifficulties，nationalpolicies，risingresourcepricesandotherfactors，theprojectinvestmentindexhasbeenrising.Fromtheperspectiveoftheincreaseofengineeringinvestment，thispaperaimstocompareandanalyzethefactorsofinvestmentincreasebyselectingconventionalpowerstationswithbasicallysimilarconstructionscaleandlayoutpatternandacertaingapinpricelevelyear，andanalyzeandstudytheinfluencerangeofthechangeofengineeringquantitiesonhydropowerengineeringinvestment.Keywords：quantities；projectinvestment斜楔的材质为：X20Cr13，Ys=600MPa，目前应力只有64.8MPa，满足设计要求。综上所述，在机组水力过渡过程计算工况内发生的活门变形回弹力，不会造成对机械锁锭装置的损伤。3结语通过对水力过渡过程相关工况的计算，分析金寨抽水蓄能电站球阀检修密封机械锁锭螺栓受力情况符合材料力学性能要求。球阀检修密封机械锁锭装置作为机组球阀检修密封安全隔离措施，使用过程中尤其需要关注活门受力变形回弹的作用力，当压力钢管排空、下游管路充水或阀体充水等水压变化时，球阀检修密封机械机械锁锭螺栓装置不能投入；压力钢管充水时，球阀检修密封机械锁锭螺栓需要在充水前投入。后续电站建设管理中，建议要求制造厂家提交球阀检修密封锁锭装置的受力及强度校核说明书。参考文献1 李浩良，孙华平抽水蓄能运行与管理 M杭州：浙江大学出版社，2016：100-101.2 郭旭东，王晓明，朱海峰，等抽水蓄能机组大型球阀分类及密封机构分析 J2017 年抽水蓄能学术交流会论文集，2017：197-201.3 楼勇，曹起章，雷欣，何中伟基于 CFD 的抽水蓄能电站球阀漏水引起的自激振动的研究 J水电与抽水蓄能，2020（4）：80.4 安徽金寨抽水蓄能电站水力过渡过程计算报告 R.2019：26.5 机械设计手册编委会机械设备手册 M北京：机械工业出版社，2004.6 李世荣材料力学 M北京：科学出版社，2010.7 端润生我国抽水蓄能电站建设和机组国产化进程 J水利水电技术，2007，38（1）.8 陈春华蒲石河抽水蓄能电站进水球阀典型问题分析及处理J城市建设理论研究，2014（13）：5200-5204.收稿日期：2022-09-18 修回日期：2023-01-16罗国虎（1989），男，工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站机电设备管理。E-mail：guohu-Analysis on the Influence of Water Pressure Change of Pumped Storage Hydroelectricity on Mechanical Locking Device of Ball ValveLUOGuohu（AnhuiJinzhaiPumpedStorageCo.Ltd.，Luan237300，China）Abstract：InviewofthedamageofmechanicallockingpinandWedgeofbal