直径3m大口径放空阀在水电工程的应用

陈洪伟　杨燕

【摘要】本文主要介绍了直径3m大口径放空阀在水电工程的运行工况、结构形式、控制方式、检验和试验等，为水电工程的放空和保持生态流量提供参考。

【关键词】大口径；放空阀；水电工程

1、概述

放空阀是为满足水电工程挡水建筑物和泄水建筑物检修需要，需要放空水库时，针对放空洞放水专用的锥形消能放空阀，具有完整的调流和消能功能。

放空洞采用上游洞段设检修闸门和出口设放空阀的组合方案，放空阀安装于放空洞尾部，其前端通过伸缩节与放空洞压力钢管连接，其后端直接排向天然河道，并设有导流罩和补气管。

放空阀主要运行工况：

（1）当大坝需要进行泄放排空时，可将阀门调至全开位置，进行消能放水；当要求放空阀关闭时，放空阀可可靠严密关闭；当作为生态放水阀使用时，可将阀门调至部分开度位置，向下游泄放规定的生态流量。（2）放空阀无需平压即可稳定地开启和关闭，无有害的振动。（3）放空阀及其附件的工作压力（包括最大水锤压力在内的最大承压水头）不小于 1.60 MPa。（4）放空阀的额定过流量为152m3/s。放空阀可以在工作范围的任意水头作用下进行全开和全闭的操作。（5）放空阀应有足够的强度和刚度，上下游法兰应能传递出现的最大轴向力，阀壳配有坚固的底座能把全部垂直荷载包括延伸部件和水的重量、传动操作机构的推拉力等安全地传递到混凝土基础上。（6）放空阀底座应容许钢管的少量伸缩带来的位移，底座底面与底板接触面要加工光滑。（7）放空阀通过现地控制柜应能手動和自动操作，并可远方监控。远方控制由计算机监控系统通过通讯信号（通讯接口为RS485）到本地控制柜中的PLC的控制加以实现。（8）放空阀必须采用自锁性好的传动装置，使启闭件能停在所要求的准确位置，以保证阀门的调流精度。（9）放空阀应设置开度指示装置，并带4mA-20mA阀位模拟信号。该信号参数采用PLC进行处理，并上传至中控室。（10）放空阀应设置合理的导流装置，保证阀门运行时出流稳定和减小喷射扩散区域，以保护下游河道的设施和环境。（11）放空阀应能在不拆开阀壳的情况下更换放空阀的活门轴颈密封及周圈密封。（12）放空阀由导流锥和可移动的套筒组成，流量控制通过套筒匝的前后移动来实现。放空阀工作时，水流以宽广的放射状对空喷射扩散，通过水流和空气大面积的摩擦产生雾化，实现大气消能。出口加装导流罩，以达到控制水流排放区域的效果。当阀后出现负压时，补气装置在低压区会自动补气，从而避免因大的涡流引发的汽蚀、振动。（13）套筒和锥体之间设有两层密封：主密封采用橡胶软密封和金属硬密封复合密封方式。主密封为金属密封，次密封为橡胶密封，实现“零”泄漏。橡胶密封圈用调节压板和不锈钢螺钉固定在阀座上，阀门所需密封比压可通过螺钉调节，调整、检修、更换方便。金属硬密封采用不锈钢L形金属密封圈，启闭件投入后，在水压作用下L形密封圈自动膨胀，产生所需的密封比压，具有自密封性确保金属硬密封的可靠性。橡胶软密封和金属硬密封组合使用后，密封效果更好，可确保调流阀在全关时泄漏量为零。

2、放空阀的结构形式及性能参数

2.1 放空阀的结构形式

放空阀结构形式采用液压驱动锥形阀，设备全套包括：阀门本体、液压驱动装置及液控站（P=16MPa）、电气控制系统、导流罩及安装板、双法兰传力伸缩节、安装基础预埋件、法兰及连接件、法兰密封件等。

锥形阀主体采用两段式，分为锥阀进水接管及锥阀主体。锥阀进水接管及锥阀主体之间采用高强度螺栓法兰连接。进水接管设法兰式支撑底座，通过环形基础板安装在锥阀主体镇墩上，用于轴向水推力的辅助支撑。进水接管的另一端设法兰与阀前可拆式传力伸缩节连接。进水接管的下部设有支脚，支脚能承受阀门主体总重量及阀腔内介质的重量。

在锥体管与锥体的外部为圆筒形的套筒闸，套筒闸可以在锥体管上沿水流方向滑动，从而实现阀门的开启和关闭。套筒闸与锥体管设专用U形密封，水压自密封，能在不拆开阀壳的情况下极为方便的更换套筒闸密封。锥阀的密封为橡胶软密封和金属硬密封复合密封方式，主密封为橡胶密封，次密封为金属密封。

锥阀出口端设置有导流装置（导流罩），保证阀门运行时出流稳定，减小喷射水的流扩散区域，并进一步消除水流富余能量，以保护下游河道的设施和环境安全，导流装置固定在锥阀主体镇墩上。

锥阀采用双液压油缸驱动操作，油缸驱动装置布置在阀门的垂直方向，上下各一个。

锥阀设置有线性位移传感器，作为阀门的开度指示。该信号参数采用PLC进行处理，并可上传至中控室。在锥阀的全开全关设置有接近行程开关，作为阀门的开关位置指示。

2.2 放空阀的性能参数

3、放空阀的液控系统

阀门液控系统由液压泵站、油缸、电气控制部分及连接管路等组成。系统有足够的容量保证锥形阀正常运行。

3.1 液压泵站

液压泵站包括油泵、蓄能器、不锈钢回油箱以及全部操作和自动控制所必须的不锈钢阀门、不锈钢管路、回油箱油位变送器（输出DC4mA～20mA）、操作油压力变送器、继电器、指示表计、控制装置和电缆等。

两台相同的带电机的油泵，一台工作、一台备用。控制方式为工作和备用泵可以手动和自动交替切换。二台油泵能单独运行又能联合运行。在联合运行方式，每台油泵能自动交替地作为工作泵，同时能够手动选定工作泵。当操作油压低于工作泵工作压力时，备用油泵自动启动。

每台油泵配有组合阀组（包括减载阀、安全阀、截止阀及止回阀等）。当油压超过正常工作油压上限的2%时，安全阀开始排油；当油压超过正常工作油压上限16%时，安全阀排出油泵的全部供油量，压力罐的压力不再上升，当油压降至正常工作油压时，安全阀关闭。

3.2 蓄能器

蓄能器采用皮囊式蓄能器。额定工作油压为16MPa。

皮囊式蓄能罐的总容量按下述要求确定：在供油泵不启动的条件下放空阀接力器在正常下限工作油压下全过程（一个接力器全行程定义为：接力器活塞从0-100%的行程）动作后，油压仍高于允许的最小操作油压（即事故油压）。在运行的所有工况下油压降到事故油压时应保证放空阀能完成一次可靠的关闭操作。

3.3 回油箱

回油箱为不锈钢钢板焊接结构。其容积能容纳系统全部油量包括操作油缸、蓄能器容积、油压管路及阀门总容积的1.2倍。

4、放空阀的电气控制系统

放空阀电气控制系统采用可编程控制器控制系统。具有与电站计算机监控系统通信的接口，接口满足电站计算机监控系统的要求并保证对放空阀进行有效的监控。

控制系统可通过一个转换开关来选择自动控制或手动控制方式。

电气控制系统的控制要求：

（1）控制包括放空阀和液控站。控制系统以自动方式运行时，根据中央控制室的指令自动按操作程序控制放空阀开启和关闭。控制系统以手动方式运行时，通过安装在现地控制柜上的操作按钮控制放空阀开启和关闭。（2）放空阀控制系统使放空阀在开启和关闭的过程中随时可以停止并向相反方向运动。（3）当放空阀操作系统发生故障或因调试需要时，放空阀能通过手动操作开启或关闭。（4）在中控室能显示放空阀的开、关位置状态。（5）现地和计算机监控系统能显示：全开信号、全关信号、就地、远方状态、阀门故障、液压故障、主电源状态、阀位开度、油压等。

5、放空阀的检验

5.1 厂内检验和试验

放空阀组装完成后，应对各主要尺寸和装配尺寸进行检验。

放空阀及其附属设备承受水压的部分，均需在厂内进行耐压试验。当工作压力小于或等于2.5MPa时，试验压力为工作压力的1.5倍；当工作压力大于2.5MPa时，其超过的部分取1.25倍。承受水压部分的试验压力为2.4MPa；

放空阀主体在总装后进行漏水试验，试验压力为1.20MPa，持续时间30min。漏水试验时，套筒闸密封和阀门壳体不允许漏水。

5.2 放空阀的现场试验

放空阀现场试验包括：无水动作试验、止水密封性能试验、充水动作试驗、动水关阀试验。

放空阀放水状态

6、结语

直径3m大口径、高水头放空阀在水电工程的应用，也为水电工程的放空和保持生态流量提供了参考。

作者简介：陈洪伟（1971-）， 男，汉族，籍贯：吉林省德惠市，高级工程师，主要从事水利水电工程建设和运行管理。