对小湾电站设置筒阀的看法

　　事故闸门、检修门快速闸门、检修门事故闸门、检修门无防飞逸装置1986年原水利电力部批准的部颁标准《水力发电厂机电设计技术规范》（试行）SDJ173?85（适用于机组容量10~300MW）中规定：用水时，每台水轮机前应装设进水阀。

　　中水头单元压力输水管，在水轮机前不宜装设进水阀，但应在压力输水管进口装设快速闸门。

　　该条文的编制说明为“输水管道进水口设快速闸门或事故闸门，是防止有关设备（如机组飞逸事故关机时，部分导叶剪断销破断或压力钢管破裂等）事故扩大的有效保护措施。水电厂设计运行经验表明，这样做一般是经济合理的。中、高水头水电厂输水道进水口宜设快速闸门，低水头水电厂可设事故闸门以节省投资。

　　输水管为明管时，进水口必须设置快速闸门，以防止明管破裂时事故扩大。“快速闸门。检修门虽然条文中只明确中水头单元压力输水管，但编制说明中是包括了高水头的，小湾电站应该包括在内。

　　1995年颁布的行业标准《水利水电工程钢闸门4.1当机组或钢管要求闸门作事故保护时，坝后式电站的进水口应设置快速闸门和检修闸门；引水式电站，除在压力管道进口处设快速闸门外，宜在长引水道进口处设置事故闸门。

　　综上规范可认为进水口闸门的设置是为了保护机组和钢管，同时也便于机组和钢管的检修。为防止机组飞逸事故的扩大，若无进水阀，进水口必须设快速闸门。对于低水头河床式电站，当机组有可靠的防飞逸装置时，进水口可用事故闸门保护压力水管以节省投资，对于中、高水头电站进水口一律设快速闸门，既保护了机组又保护了钢管，因此单元压力1典者简介：吴次光（1iW男，浙'江杭州人，教授级高工，主要从事水电站水力机械设计工作。eserved.http://www.cnki.net设进水阀快速闸门（明管、浅埋管）检修门、事故闸门（地下埋管）、检修门进水阀和进水口快速闸门作技术经济比较高水头及引水式电站中水头及坝后式或混合式电站低水头及河床式电站对小湾电站设置筒阀的看法吴次光（中国水电咨询昆明公司，云南昆明6551）证小湾水轮机设置筒阀不仅技术上可行，而且经济上合理，可供业主及有关部门决策。

　　水轮机前是否设置进水阀，在原水利电力部负于10MW）中有明确规定。

　　责主编经国家计委批准的国家标准〈〈小型水力发电根据规范的要求可列表如表1.站设计规范》（试行）GBJ71表1单元压力水管进水口闸门和水轮机前进水阀的设置（小型水电站）表大水头或电站形式水轮机前进水口或压力水管进口阀阀装水水逸进进飞云南水力发电2⑴1年增刊输水管的水轮机前不宜为保护机组再装进水阀，以免造成浪费，所以小湾电站初步设计在水轮机前未设进水阀，而在进水口设快速闸门，已建成发电的二滩电站亦同。

　　然而进水口快速闸门和水轮机前进水阀的作用、性质和操作方式是不同的。前者称之为水工建筑闸门，它的作用是防止闸门后的压力钢管和机组设备事故的扩大（对于浅埋式钢管和明露式钢管还包括对厂房的保护）并便于检修压力钢管和机组设备，它的启闭操作是根据上述需要确定的，和机组运行状况无关；后者称之为水轮机辅助设备，它的作用只保护机组、防止机组事故扩大和检修机组，它的启闭除了保护、检修机组之外，更多的是随机组的启停而开闭，它的操作是机组操作程序中的一部分，它的作用在低水头和中水头电站可由进水口快速闸门部分的替代（但快速闸门的操作仍是独立的，不在机组操作程序中）在较高的中水头和高水头电站中进水阀的作用是进水口快速闸门难以完全替代的，因此在小型水电站中规定了大水头大于150m时，进水口设了快速闸门后，还要在水轮机前装设进水阀，其实不仅是小型水电站，大型水电站也应如此，由于各种原因导叶的间隙漏水空蚀现象依然存在，特别是高水头或多泥沙水电站。

　　进水阀和进水口快速闸门的作用是有差别的，表现在：（1）防止机组飞逸事故扩大的效果有差别。当机组甩负荷同时调速系统故障，机组过速到150，过速保护动作，进水阀开始关闭，一般60s关完，但大概只要20s左右机组就会从150n升到当时水头下的飞逸转速，持续20s或更长一些时间（不会超过40s）转速随即下降。对于水头大于150m或200m的单兀压力水管，一般管道都较长，存水量大，而进水口快速闸门的关闭时间为120s，机组过速150n，闸门开始关闭，不到20s就达到当时水头下的飞逸转速，持续60 ~100s后虽然闸门己全关，但因管中存水多，飞逸转速持续时间很可能会超过常规允许值120s，因此在中、高水头电站进水口快速闸门和进水阀在防飞逸和保护机组的效果上是有差别的。

　　（2）在保护水轮机防止导叶、上下抗磨板及转轮叶片进口边的蚀磨破坏的作用上有差别。由于进水阀是随机组停机而关闭，因此停机后导叶前后只有尾水压力，没有压力差，没有蚀磨破坏。如果没有进快速闸门的，导叶前后承受电站静水头的差压，在导叶的上下端面和立面间隙中不可避免的存在高速射流和间隙蚀磨损坏，使导叶端面、立面、轴颈、上下抗磨板甚至转轮叶片进口边的上下端都受到不同程度的破坏，随着现代制造技术的发展，导叶端面和立面间隙可以做得很小，密封得很好，但是不能完全消除。在高水头大型水轮机上，即使新导叶安装时做到完全密合（实际上是做不到的，国标《水轮发电机组安装技术规范》GB8564~88中3.5.l、3.5.2规定了允许值）但在水压作用下导叶和顶盖的变形相对较大，变形就带来间隙，如果设计中考虑了变形的补偿，使新导叶在水压下完全密合，但要不漏水，全部密合面间的接触压力必须数倍乃至十数倍于水压力才有可能，这就更难做到，所以当蜗壳充水导叶受压之后，所有水轮机都毫无例外的发出导叶间隙漏水的巨大噪声，高水头机组尤为严重，有时导叶漏水就能冲动高压油顶起推力头后的机组转动部分。我们可以在水轮机机坑中对比进水阀关闭前后导叶的漏水声，便能获得进水阀对导叶保护作用的深刻印象。

　　这种间隙损坏是随水头和含沙量的增加而加剧，据了解刘家峡电站机组的大修期就是受导叶和上下抗磨板的损坏情况控制的，虽然漫湾的水头不高，但含有一定泥沙，为避免导叶的快速损坏和引进筒阀技术在漫湾电站机组上加设了筒阀，现在看来是达到了预期效果的。其它进水阀如蝶阀、球阀也同样能保护导叶，而进水口快速闸门由于不随机组停机而关闭，不能保护导叶在停机时不损坏。在中、低水头和清水电站问题不大，而在高水头和含沙水流中问题就十分严重。

　　（3）停机效果和时间不同。有了进水阀，导叶和上下抗磨板得到保护，导叶全关后漏水少，加之进水阀的关闭，导叶就没有什么漏水了，机组能很快降到制动转速制动停机。没有进水阀，单靠导叶关闭，开始时漏水少，效果尚可，几年后导叶逐渐损坏，漏水逐渐增加，机组转速降到制动转速的时间越来越长，后甚至降不到制动转速，不得不在高速下加闸制动，不仅停机过程长而且使发电机受到粉尘污染，闸板严重磨损，这种现象在停机次数多的调峰机组上尤为突出。据了解刘家峡水轮机3 ~4年导叶漏水就从1.5m3/s增加到7m3/s，转速难以降到35n，不得不进行大修；乌江渡也有类似情况（当然水清些，发展不会那么快）后来加装了电气制动，但电气制动又会带来其它问题。

　　水阀1般停机尤其是事故备用停机是不关进水口水阀和快速闸门开启的能力和需要的时吴次光对小湾电站设置筒阀的看法间是不同的，这直接影响机组启动时间。快速闸门是不随机组正常停机而关闭的，机组再启动时只要开启导叶就可以了，其启动速度是很快的。只要快速闸门不关闭，不会对机组启动时间有任何影响。但在事故、检修或长期停机而关闭了快速闸门后要再开启时，首先要充满闸门后压力水管中的水，开始充水时管中水位上升较快，但随着水位的上升，导叶漏水量增加，旁通管的充水量要减去导叶漏水量才是钢管的充水量，大型中高水头电站不仅水管长，要充的水体大，而且导叶漏水量也因水头高而较大，尤其是导叶受到磨蚀损坏之后使充水很费时间，规范要求水轮机压力输水管充水时间不超过30min实际上有时几个小时也充不上去，而快速闸门又必须静水启门，大只允许闸门前后水压差仅为1刘家峡电站为了开启快速闸门，不得不在导叶上塞棉絮充水。1994年上半年漫湾电站6号机筒阀尚未投入运行，开启快速闸门前用旁通阀向压力钢管充7水就因导叶漏水，几个小时也充不满水，增加一根Y300mm水管充水也只能提高管中水位，闸门前后水位差仍有16m，无法实现闸门开启前要求的水压差。所以快速闸门开启不仅时间长，而且有时还很困难，根本不能满足在系统中调峰和事故备用的要求，只能停机不关快速闸门，或将快速闸门改为工作闸门，动水开启，这不仅大大增加启闭机的容量和造价，而且也不安全。进水阀由于紧靠水轮机，开阀前旁通管要充水的体积很小，对于吸出高度为负值的水轮机实际上不需要充水，开阀前蜗壳己充满了下游的水，旁通阀开启后蜗壳压力立即升高，升高值取决于旁通流量和导叶漏水量之比（当导叶漏水量很大时，也会发生阀前后达不到设计要求的水压差而使蝶阀或球阀无法开启）。根据国标《大中型水轮机进水阀基本技术条件〉）GB/TI4478?93的规定，允许在阀门两侧压力差不大于30大静水压时，能正常开启，对于250m静水压的进水阀，允许在75m水压差下开启，这比快速闸门的开启能力大得多，整个开启时间也短得多。对于在圆周上水力平衡的筒阀，根本不需要旁通管充水平压，可以在大静水压下动水开启，所以筒阀特别适用于在系统中承担调峰和事故备用的机组。

　　（5）只设进水口快速闸门和加设进水阀后，水轮机在停机时的漏水量是不同的，前者实际上是导叶的漏水量，根据国标《水轮机基本技术条件》GB/T15468? 1995中规定：在额定水头下，新导叶漏水到，如刘家峡大修后为5. 8）。后者是进水阀的漏水量，根据国标《大中型水轮机进水阀基本技术条/14478?93的规定蝶阀和球阀的漏水量不大于：K为系数，空气围带密封的双平板蝶阀为0.402实心密封的双平板蝶阀为0.223，球阀为0.103.以小湾为例，某些电站的实际情况进行估算：有进水口快速闸门没有进水阀时新投运导叶的漏水量为机组额定流量的3约1m3/s.假定10年后出现关闭导叶后转速降不到制动转速而必须大修的状况（刘家峡水中含泥沙多，但水头较低，约3 ~4年后发生类似情况，其漏水量约7m3/s为额定流量的27）此时导叶漏水量为8m3/s（为额定流量的2.2）设每年大修一台机，6年为一个大修周期，则每个大修周期内的年平均漏水量为3.当有进水阀时，按规范计算新球阀的漏水量约）筒阀规范上没有规定，按漫湾的实测值约为导叶漏水量的3，新筒阀为0.03m3 //是进水阀中大的，在大修周期内年平均漏水量为0. /为只设进水口快速闸门时导叶漏水量的3.（6）对压力钢管的影响有所不同。只设进水口快速闸门时，快速闸门在压力水管事故、检修、机组事故、维修及需长期停机时关闭，其机率比设了进水阔后只在压力水管事故、维修及进水阀事故、维修时关闭要多得多，充放水次数多对压力水管不利。

　　毫无疑问加设进水阀要增加投资。以小湾为例，若采用蝶阀，直径约为8.5m，重量达900t以上，而且要承压约3⑴m这样高的水头采用这么大直径的蝶阀，在国内外尚无先例，不仅价贵，而且技术上难度很大，钢管直径也要随之增大，厂房要加宽，很不合理。若采用球阀，直径约6.5m重量达1250t以上，几乎和水轮机重量相同，国内外也无先例，价格更贵，技术上的难度甚至超过水轮机，厂房要加得更宽，是不现实的。若采用筒阀，其筒阀外径约9.0m，厚度约0.3m高度约1.35m，筒体重约88t（国外己有比这更大的筒阀投入运行，我国小浪底电站的筒阀筒体外径8.39m厚0.145m，高1.715m，筒体是不应大于水轮机额定流量的3，（实际常常达不重约加，加上接力器及因设筒阀而使顶盖等增加云南水力发电2001年增刊的重量，总重约150t，仅为蝶阀重的17球阀重的12设筒阀后水轮机重量将从1260t增至1410t，价格也将增加12约600万元（一台机）整个电站约3600万元，但钢管直径不会增加，厂房尺寸不会增加，又有漫湾、小浪底、大朝山等电站的经验，据了解漫湾筒阀至今己开关操作8800多次，平均每个筒阀操作近1 800次，并做过动水关闭试验，其可靠度是可信的，因此小湾电站采用筒阀不仅技术上是可能的，经济上也是可接受的。

　　从上面的初步分析可知，即使不计厂房和钢管尺寸变化引起投资的增加值，在大型中、高水头水轮机前加设蝶阀或球阀及其操作系统的投资，将比进水口的快速闸门和油压启闭机贵几倍，因此在大型中、高水头水轮机前不宜装设蝶阀或球阀，而应依靠进水口装设的快速闸门保护机组。然而在大型水轮机上加设筒阀及其操作系统的价格和进水口快速闸门及其油压启闭机的价格是不相上下的，管理维护也较方便，因此在大型和巨型电站中，为保护机组及运行的可靠灵活，加设筒阀是必要和合理的。

　　小湾机组在系统中承担调频、调峰和事故备用的重任，电站月平均出力如所示。

　　小湾电站平水年月平均出力过程线图除8、9月负荷较高，7、10月中等，其余八个月负荷率不到一半，为了机组稳定运行的需要，负荷应尽量集中，避免在50额定出力以下的负荷运行，因此全年平均有不少于两台机组（共约18于停机状态，扣除每年一台机大修期二个月，每年停机漏水时间约16500h（由于小湾为不完全多年调节水库，不是每年泄洪，而且泄洪只在满负荷运行的8月份，6台机都在运行，故不扣除泄洪的影响），由于设了筒阀，每台机年平均减少漏水量3m3 /s，整个电站因此多发电0.98X108kW°h，如按0.17元/kWli计，每年可增收1666万元，即使不考虑延长大修周期减少检修工作量的效益，仅仅减少漏水量获得的效益，2 ~3年就可将筒阀及其油压装置的投资收回，因此在经济上也是完全合算的，没有必要因增设筒阀就要设法减少进水口闸门来抵偿。

　　进水口设快速闸门目的之一是保护压力水管，但是否所有的压力水管一律要求用快速闸门保护呢，在现行的部颁标准《水电站压力钢管设计规范》SDI44?85中规定：设进水阀的地下埋管，在管道首端须设快速闸门和必要的检修设施。

　　地下埋管，若自取水口至钢管道前的引水道较长，或钢管内压较大，而埋深不大，应在首端设事故闸门。

　　因此当水轮机前增设筒阔之后，小湾水电站的地下埋管的保护是可以在进水口设事故闸门和检修闸门的，如大朝山水电站那样，当然设快速闸门和检修闸门应该是更为安全可靠了，这由水工设计确定。

　　总之，小湾水电站的初步设计是符合现行规范的，但在小湾这样高水头的机组前加设进水阀是有好处的。蝶阀、球阀技术上难度很大，经济上太贵，不宜采用。虽然目前的筒阀还属于水轮机的一部分，要随水轮机一起拆卸，不能满足水轮机检修的需要，检修时必须关闭进水口闸门，但这在单管单机的小湾电站是完全可以接受的。现在有了漫湾、小浪底、大朝山等电站实践经验之后，在水轮机上增设筒阀不仅更为安全可靠，能更好的保护水轮机和延长大修周期，而且技术上是可行的，在经济上是合理的，如果以后蜗壳要做水压试验，筒体还可作为蜗壳的闷头之一使用。因此建议小湾水轮机上设置筒阀，以满足调频、调峰和事故备用的要求。