李建華 朱軍 許棟 何林波 胡偉

（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院，南京 210009）

1 引言

水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是水輪發(fā)電機(jī)組中最重要的核心控制系統(tǒng)之一，它擔(dān)負(fù)著控制水輪發(fā)電機(jī)組的開機(jī)、停機(jī)和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等許多重任。主配壓閥及其先導(dǎo)控制部件則是水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵設(shè)備，該設(shè)備將接收到的電氣控制信號(hào)實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)換為液壓信號(hào)輸出，并經(jīng)過(guò)功率放大后操作接力器，進(jìn)而推動(dòng)水輪機(jī)進(jìn)水口導(dǎo)葉，實(shí)施對(duì)進(jìn)水流量的調(diào)節(jié)[1]。從而達(dá)到控制水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。對(duì)水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)講，仔細(xì)分析主配壓閥的各項(xiàng)性能指標(biāo)，比如輸入與輸出之間的線性度、回滯、響應(yīng)頻率等，可以發(fā)現(xiàn)，主配壓閥實(shí)際就是一個(gè)超大號(hào)的伺服閥本體。因此，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于主配壓閥的流道結(jié)構(gòu)，閥盤結(jié)構(gòu)、泄漏量，死區(qū)，配合間隙，元件表面硬度，閥心自重等都要進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算和仿真，每一個(gè)拐角都要再三推敲。

2 同類進(jìn)口主配壓閥介紹

在國(guó)內(nèi)已投入發(fā)電的特大型水輪發(fā)電機(jī)組，如三峽電站、龍灘電站和小灣電站30多臺(tái)單機(jī)600MW以上的機(jī)組，全部使用的是DN250進(jìn)口主配壓閥，這些主配壓閥，主要集中在GE和ALSTOM兩個(gè)品牌。以三峽為例，左岸采用了ALSTOM產(chǎn)品，右岸用的是GE產(chǎn)品。這兩種主配的結(jié)構(gòu)形式見圖1所示。

圖1中可以看出兩種結(jié)構(gòu)的不同之處，ALSTOM采用的是立式三閥盤結(jié)構(gòu)，GE采用的是臥式兩閥盤結(jié)構(gòu)，它們都采用在主配壓閥的一端通恒壓力油，另一端通控制油的設(shè)計(jì)方式，而且，兩家都選用了在主閥體內(nèi)部嵌有主配壓閥套的結(jié)構(gòu)形式，自投入運(yùn)行以來(lái)，實(shí)際運(yùn)行情況良好。

圖1

3 方案的分析

3.1 結(jié)構(gòu)型式選擇

通過(guò)對(duì)進(jìn)口同類產(chǎn)品的比較，結(jié)合國(guó)內(nèi)多年來(lái)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、調(diào)試及現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行主配壓閥的經(jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)為在確定方案的結(jié)構(gòu)型式時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注下述幾個(gè)方面。

（1）主配壓閥體內(nèi)是否采用閥套，有閥套的主配壓閥結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，成本較高，同時(shí)由于增加了一層閥套過(guò)流孔，在主配壓閥活塞行程相同的條件下，閥的過(guò)流能力會(huì)減小。

（2）對(duì)于采用內(nèi)嵌閥套的方案，閥套與閥體之間的密封方式是采用間隙密封，還是采用密封件密封，如采用間隙密封，由于閥套與閥體之間的間隙較小，同無(wú)閥套的結(jié)構(gòu)一樣，在使用過(guò)程中，若加工制造或安裝外接油管過(guò)程控制不當(dāng)，會(huì)造成主配壓閥本體的微量變形，易引起閥心卡阻。

（3）閥心是采用兩閥盤結(jié)構(gòu)，還是采用三閥盤結(jié)構(gòu)，兩閥盤結(jié)構(gòu)閥心的重量較輕，慣性小，對(duì)提高響應(yīng)速度有好處，但是其導(dǎo)向性稍弱。反之，三閥盤結(jié)構(gòu)閥心的重量較大，慣性也較大，但是其導(dǎo)向性明顯優(yōu)于兩閥盤，尤其對(duì)于短閥心的情況效果明顯。

（4）閥心及其控制端是采用整體結(jié)構(gòu)形式還是分幾段。若采用整體結(jié)構(gòu)，則對(duì)加工件的形位公差要求高，裝配困難，但閥體總長(zhǎng)度可縮短。若采用分段結(jié)構(gòu)，則裝配、檢修相對(duì)容易，總長(zhǎng)度增加。

（5）主配壓閥的總體安裝方式采用立式還是臥式。對(duì)臥式結(jié)構(gòu)，在主配檢修時(shí)，可以在不拆卸管路的情況下，輕易的對(duì)主配壓閥進(jìn)行解體、清洗［2］。對(duì)立式結(jié)構(gòu)，因閥心垂直放置，所以控制性能在一定程度上會(huì)受到閥心自重影響。但是該結(jié)構(gòu)可以在失壓的情況下靠閥心自重保持偏關(guān)，同時(shí)橫向占用廠房空間小，布置方便。

（6）閥套的開口型式是采用圓孔，方孔或是全周環(huán)形槽。圓孔總過(guò)流面積偏小，孔周邊應(yīng)力相對(duì)分散。方孔的總過(guò)流面積比圓孔略大，拐角處易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。全周環(huán)形槽軸向尺寸控制困難，經(jīng)熱處理過(guò)程后元件容易變形。

（7）閥體的形式是采用鑄件還是鍛件，鑄件易做出好的流道，孔徑大且流暢，但單位面積承載壓力稍低，生產(chǎn)過(guò)程中的報(bào)廢率高。鍛件強(qiáng)度高，流道復(fù)雜，過(guò)流面積相對(duì)較小。

3.2 受力分析

（1）閥心受力分析

圖2所示為三閥盤閥心和兩閥盤閥心在偏離中心位置的情況下，所受的油壓力示意圖。圖中三閥盤閥心的兩個(gè)外端部，即圖2中的M端和N端受到的都是接力器排出油形成的壓力，兩邊受力大小基本一致，而兩閥盤閥心中的Y端受到的是接力器排出油形成的壓力，而X端不受力，因此閥心兩端所受到的擾動(dòng)力不一致。

圖2

（2）閥套受力分析

圖3所示乃主閥心為兩閥盤結(jié)構(gòu)的主閥套一端受力示意圖，當(dāng)閥心向左側(cè)運(yùn)動(dòng)一定位移，P腔壓力油進(jìn)入A腔，對(duì)A腔閥套的外圓形成周向壓力，此時(shí)，閥套左側(cè)內(nèi)室T腔壓力很小，易引起閥套左端向內(nèi)凹陷變形。相比而言，主配壓閥心采用三閥盤結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)應(yīng)的主閥套在各種工況下，內(nèi)、外受力相對(duì)均衡。

圖3

3.3 流態(tài)分析與仿真

主操作油的流態(tài)會(huì)直接影響到主配壓閥心的穩(wěn)定，過(guò)于紊亂的流態(tài)會(huì)導(dǎo)致主操作油管路本體，以及串接在管路中的液壓設(shè)備，如事故配壓閥、分段關(guān)閉裝置等產(chǎn)生震動(dòng)，危及發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行［3］。輸入主配壓閥的壓力油首先經(jīng)過(guò)主配壓閥的P-A閥口，送往接力器，然后再經(jīng)過(guò)主配B-T閥口流回油箱，在這整個(gè)循環(huán)過(guò)程中，油流還經(jīng)過(guò)了主配閥體的三個(gè)腔室和主配壓閥套的多個(gè)孔口，由于大多數(shù)電廠，通過(guò)調(diào)節(jié)保證計(jì)算后，在主操作油回路中串接了事故配壓閥，分段關(guān)閉裝置等，壓力油流經(jīng)過(guò)的管路長(zhǎng)，環(huán)節(jié)多，流態(tài)紊亂。南瑞在進(jìn)行主配壓閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，針對(duì)實(shí)際結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真。圖4及圖5所示，為雙閥盤結(jié)構(gòu)的主配壓閥，內(nèi)部流體的流態(tài)仿真示意圖。其中，圖4為流態(tài)跡線分步圖，圖5為流態(tài)跡線整體圖，這兩幅圖表示了當(dāng)主配閥心移動(dòng)10mm時(shí)，此時(shí)壓力油從P口流入主配壓閥，通過(guò)主配壓閥的A口流出到接力器進(jìn)油腔，再?gòu)慕恿ζ鞒鲇颓环祷刂林髋鋲洪y的B口流入閥體，通過(guò)主配壓閥的T口流回油箱，整個(gè)油流的瞬間流態(tài)和穩(wěn)定流態(tài)。

3.4 遮程、間隙與泄漏

圖4 流態(tài)跡線分步圖

圖5 流態(tài)跡線整體圖

遮程指當(dāng)主配壓閥處于中位狀態(tài)時(shí)，閥心控制邊與閥套控制口之間的搭疊量，間隙則是指主配壓閥心的閥盤與閥套內(nèi)孔之間的徑向縫隙。若設(shè)計(jì)時(shí)要求主配壓閥產(chǎn)品的遮程大、間隙小，則產(chǎn)品的油流泄漏量會(huì)相對(duì)較少，但動(dòng)作死區(qū)會(huì)增大，動(dòng)態(tài)性能降低，同時(shí)，加工難度提高，成本顯著增加；反之，若設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定了主配壓閥的遮程小、間隙大，則產(chǎn)品的油流泄漏量會(huì)相對(duì)較大，但動(dòng)作死區(qū)會(huì)減小，動(dòng)態(tài)性能會(huì)提高，加工相對(duì)容易，成本降低。而且，隨著主配壓閥心直徑的增加，DN250的主配若要與小規(guī)格的主配保持相同的泄漏量及速動(dòng)性，加工的難度會(huì)成倍增加。因此，針對(duì)不同規(guī)格的主配壓閥，選取一個(gè)合理的間隙與配合是設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一。

3.5 熱處理工藝

主配壓閥閥體、閥心、閥套的熱處理工藝與各部件所選用的材料，以及最終的精度要求密切相關(guān)，由于主配壓閥閥心與閥套之間的配合精度高，要求尺寸穩(wěn)定性好，表面硬度高，耐腐蝕，因此，在制造過(guò)程中需要進(jìn)行多次人工時(shí)效去應(yīng)力處理，以保證主配壓閥能真正實(shí)現(xiàn)一個(gè)大型伺服閥體的功能。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)特大型主配壓閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的分析，以及樣機(jī)的仿真，可以發(fā)現(xiàn)，DN250主配壓閥國(guó)產(chǎn)化既有實(shí)現(xiàn)的要求，又有實(shí)現(xiàn)的條件，以共同推動(dòng)國(guó)內(nèi)水輪機(jī)調(diào)速事業(yè)的發(fā)展

[1]李建華.大型貫流式機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的研究[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè),2009,33(4).

[2]邵宜祥.非線性魯棒控制調(diào)速器的混合仿真實(shí)驗(yàn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2008(18).

[3]吳應(yīng)文等.我國(guó)大型水輪機(jī)調(diào)速器主配壓閥綜述.2009中國(guó)水電控制設(shè)備論文集,2009.

[4]成大先主編.液壓傳動(dòng)[M].北京.化學(xué)工業(yè)出版社,2004.