一、新型水電站球閥結構改進概述
耿達水電站位于四川省阿壩州汶川縣及臥龍特別行政區耿達鄉境內的岷江上游支流漁子溪河上，是該河流上第二座梯級電站。電站設計水頭283m，水頭302.2m，低水頭255.7m，設計大引用流量69.3m3/s，電站共裝有4臺單機容量為40MW的高水頭混流式水輪發電機組，每臺水輪機前端裝有一臺φ1.6m的球形閥。電站的引水流程為：大壩取水———壓力隧洞———調壓井———壓力鋼管———四臺機組———尾水———排入漁子溪河。在水輪發電機組中起著非常重要的作用：當機組停機時，關閉進水閥門用于減小水流損失；當機組發生故障而調速器失靈時，能在動水下緊急關閉，迅速切斷水流，避免事故的繼續擴大。球閥是進水閥的一種。近年來隨著我國大型沖擊式水輪發電機組的不斷發展，對制造和控制技術的要求也日益提高，對進水球閥的控制就顯得尤為重要。早期的球閥控制系統在電氣控制上采用常規的繼電器邏輯控制方式，由于組成的元器件均組裝在大小不同的盤柜中，轉接點多、配線復雜，從而導致控制裝置的故障易發，可靠性欠佳，且邏輯關系復雜，控制方式單一，信息量少，僅能滿足基本功能；在機械液壓控制上采用管路加閥門的方式，配管復雜，有可能產生大的泄漏，互換性、通用性差，使用壓力范圍窄。 
二、新型水電站球閥結構改進舊球形閥運行中存在的主要問題
2.1 活門軸端漏水
球形閥經過較長時間運行后，活門兩端轉軸與軸套間由于摩擦磨損會形成相對的橢圓，U型橡皮密封的性能隨之下降，水即會從軸端處漏出，沖刷損壞軸端密封圈，造成軸端漏水；而要處理漏水只有全站停機停水，放空壓力鋼管內的積水后方能進行。造成這種現象的主要原因是閥體組合縫正處在軸端的中央，閥體沿活門軸孔中心線分半，造成軸孔兩側螺栓孔跨距大、把合力不足引起的。這種設備固有的結構缺陷導致的合縫面漏水給檢修帶來了極大的麻煩，給電站的安全運行帶來了隱患，給電站的經濟效益帶來了巨大的損失。
2.2 移動密封環行程指示桿漏油
球形閥在運行過程中會經常動作移動密封環，特別是工作密封移動環，在每次球形閥開關過程中都會動作一次，從而帶動安裝在移動密封環上的行程指示桿就會動作一次。雖然行程指示桿使用了兩道O型橡膠密封，但由于是動密封，球形閥經較長時間運行后，行程指示桿密封就會因性能下降而漏油，進而造成壓油裝置油料損失，給電站經濟運行帶來影響。
2.3 密封環漏水大
由于電站水頭高且所處河段屬山區河流，河水中泥沙含量大，球形閥在運行過程中密封環止水面常會因關閉不嚴而漏水，引起密封環汽蝕磨損，從而加速密封環的損壞，造成密封環漏水過大，進而影響機組大修和正常的安全運行。
鑒于以上種種原因，結合“5.12”震后恢復生產，我廠決定對耿達水電站球形閥進行改造，重點對球形閥的結構進行了重新設計，使其滿足電站安全生產的需要。
三、新型水電站球閥結構改進新球形閥的工作原理
主要用于截斷或接通管路中的介質，亦可用于流體的調節與控制，其中硬密封V型球閥其V型球芯與堆焊硬質合金的金屬閥座之間具有很強的剪切力，特別適用于含纖維、微小固體顆料等介質。而多通球閥在管道上不僅可靈活控制介質的合流、分流、及流向的切換，同時也可關閉任一通道而使另外兩個通道相連。當球形閥要開啟時，首先解除檢修密封處的鎖錠，然后在檢修密封的開啟腔通入壓力油，使檢修密封處于開啟狀態，且上游檢修密封的行程開關的信號顯示開啟，在此狀況下，先后打開旁通管手動閥和液壓閥，向蝸殼內充水，一定延時后，在下游工作密封的開啟腔通入壓力油，使工作密封處于開啟狀態，且下游工作密封的行程開關的信號顯示開啟，當活門前后壓力趨于平衡，控制球形閥的壓力傳感器和壓力開關的顯示達到設定值時，接力器轉動活門由全關旋轉到全開，接著關閉旁通管液壓閥，球形閥開啟過程結束。
當球形閥要關閉時，首先打開旁通管液壓閥，接力器轉動活門由全開旋轉到全關，然后在下游工作密封的關閉腔通入壓力油，使工作密封處于關閉狀態，且下游工作密封的行程開關的信號顯示關閉，后關閉旁通管液壓閥，水流被全部截斷，球形閥關閉過程結束。
一般情況下，上游檢修密封始終處于開啟位置，只有當機組檢修或球形閥更換工作密封時才關閉球形閥檢修密封并投入檢修密封的機械鎖錠。正常停機或機組發生事故時，在關閉導水機構的同時，還需關閉球形閥工作密封。值得一提的是球形閥工作密封是要經常被操作、動作的，而檢修密封是很少動作的。另外，在引水鋼管充滿水的情況下，球形閥活門或處于關閉，或處于開啟，不允許停留在其它位置做調節流量用。
四新型水電站球閥結構改進、新球形閥的結構特點
本系列閥門設計結構合理、強度高，在高流速下無任何震動。能按程序開啟，在開啟時流道*暢通，在運行時水損小，斷電（或通電）時自動按預先設定的時間和角度，分快關、慢關兩階段關閉，適用于水、海水、油品、噴煤粉、焦爐煤氣、含塵氣體等介質，可在泵的出口或管路中起止回和截止功能用。它具有以下特點：
1． 可取代水泵出口截止閥和止回閥，并集機、電、液于一體，占地面積小；
2． 閥門開啟或關閉過程中，閥座和球冠沒有相互摩擦，閥門使用壽命長；
3． 閥門開啟關閉不受淤泥和雜物影響，適用與泥漿水工況；
4． 采用金屬和非金屬兩道密封，自密封性好，水壓越大，密封比壓也越大；
5． 自動化程度高，可就地、遠程及聯動控制；
6． 電氣系統可采用PLC智能控制系統，也可以采用普通型繼電器式系統；
7． 液壓系統電機功率小，工作效率高，保壓性能好，油泵啟動間隔時間長；
8． 有明顯的開度指示和機械限位調節機構，行程開關裝置防水防塵設計，不外露，性能穩定，使用壽命長；
9． 電氣操作界面人性化、多樣化，可設計普通按鈕式、文本式、觸摸屏式，也可根據客戶的需要，設計的人機操作界面。
新型水電站球閥結構改進
（1）球形閥本體由分半的前閥體、后閥體、活門、自潤滑軸承及檢修密封、工作密封等零部件組成，附屬設備有旁通閥、空氣閥、部分管路和部分自動化元件等。
（2）新球形閥為橫軸型，活門中間流道直徑與上、下游引水管直徑相同，具有全開時阻力損失小（可忽略不計）、全關時密封性能好的優點，是一種新型的雙密封環球形閥，能在機組事故且導水機構不能關閉時實現動水關閉球形閥。
（3）閥體采用偏離軸孔斜分半整鑄結構，分半面與水流方向成51°夾角，其優點是閥體分半面為整圓，便于密封，同時使分半面螺栓分布均勻，受力好，避免了沿閥體軸孔中心線垂直分半所造成軸孔兩側螺栓跨距大，把合力不足，合縫錯牙漏水現象。閥體兩側各有一個水平軸承座用于支撐閥軸和活門。閥體帶有連接上游側壓力鋼管和下游側可拆卸伸縮節的法蘭，閥體、軸承座、上游側法蘭能承受在球形閥截斷水流時水流作用在活門和閥體上的大水推力。閥體兩側均設有整體的支撐底座，按傳遞球形閥全部垂直荷載設計。設計允許球形閥沿壓力鋼管軸線方向相對于基礎板有微小位移，因此基礎板與球形閥支撐底座接觸面需加工光滑，且該位移不會損壞或擦傷地腳螺栓、螺母。閥體頂部設置一個排氣孔，用于充水時排除閥體頂部的空氣，底部設置排污閥，用于檢修時排掉積水和沉積的泥沙。
（4）活門采用鑄鋼整體制造，具有很好的剛強度。活門兩軸身覆蓋有不銹鋼襯套，以增加活門軸抗磨蝕能力，進而保護軸承及其密封。
（5）主密封為雙面金屬密封，分為上游側檢修密封與下游側工作密封，均為可拆卸式結構。主密封包括高強度不銹鋼移動密封環和不銹鋼固定密封座，移動密封環位于閥體與過渡法蘭間的密封腔內，可根據需要控制其前后移動；固定密封環用不銹鋼螺栓把合在活門上，當活門到達全關位置后，移動密封環滑動并壓緊固定密封座，起到密封作用；在活門開啟前移動密封環離開固定密封座，解除密封。閥體和過渡法蘭上的密封環導向面采用不銹鋼護襯。移動密封環上的密封采用進口的D型密封圈，密封圈密封面中含有潤滑材料，在保證密封的同時使密封圈有較長的壽命。移動密封環均由取自操作系統的壓力油進行操作，下游工作密封由球形閥控制系統自動控制操作上游檢修密封采用手動控制操作，并設有手動鎖錠桿，可以在工作密封檢修時將檢修密封鎖錠在全關位置。工作密封和檢修密封均設有移動密封環位置指示信號裝置，其信號通過電纜線接至球形閥的控制系統。
（6）密封環位置信號裝置電信號器采用進口產品接近開關傳感器。為了保證密封環動作的可靠性，在密封環圓周上均布了四個電信號器，只有當密封環在退出位置時四個點全部接通才發出電氣信號給控制系統。在信號未發出之前，活門禁止轉動。
（7）球形閥軸承采用德國進口的DEVA－BM自潤滑軸承，具有良好的承載性能。軸承瓦鑲嵌在軸承鋼套里，可隨鋼套一起在閥體不解體條件下從閥體內拆出來。鋼套外側與閥體接觸部位設有兩道O型靜密封，鋼套內側與閥軸接觸部位屬于旋轉運動密封，設兩道密封，一道接近閥體內圓，采用整圈O型橡膠密封圈，起封沙作用，盡可能防止泥沙進入軸瓦，密封槽設有旁通孔；另一道在閥體外側，采用進口格萊圈。 
在耿達水電站新球形閥應用中，通過采用偏離軸孔斜分半整鑄結構，提高了合縫密封的可靠性，避免了舊閥體沿軸孔中心線垂直分半所造成的軸孔兩側螺栓跨距大、把合力不足的缺陷。同時，在球形閥軸承的運用中，采用德國進口的DE-VA－BM自潤滑軸承，改善了軸承的承載性能，進一步提高了活門軸端密封的可靠性，解決了舊球形閥活門軸端的漏水現象。通過改變移動密封環位置狀態的顯示方式，變動密封為靜密封，有效解決了舊球形閥移動密封環行程指示桿漏油現象。同時，通過在移動密封環上采用雙套密封圈設置，并在密封圈之間加開溢流口，有效避免了油混水現象的發生；通過采用高強度不銹鋼主密封，提高了密封環的抗汽蝕磨損性能，延長了密封環的使用周期。應該說，新球形閥在耿達水電站的應用是成功的，解決了舊球形閥近30年來存在的諸多問題，提高了電站的經濟效益，促進了電站安全生產長治久安。
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