江 濤，劉 鈺

（武漢安施通電氣有限公司，湖北 武漢430072）

1 概述

水輪機調(diào)壓閥是為了在長引水管系統(tǒng)中為取代調(diào)壓井而設(shè)置的安全泄壓閥組，當(dāng)機組甩負荷調(diào)速器快速關(guān)閉的同時，調(diào)壓閥迅速開啟，調(diào)壓閥作為機組的旁通回路將壓力鋼管中的部分流量不通過機組直接排向下游，在抑制壓力管道壓力上升的同時，也保證了機組轉(zhuǎn)速上升在允許范圍之內(nèi)。其特殊的保護要求是：當(dāng)調(diào)壓閥系統(tǒng)出現(xiàn)故障，不能正常開啟時，如果機組導(dǎo)葉機構(gòu)按正常情況快速關(guān)閉，會引起引水管中壓力快速上升，有可能引起災(zāi)難性后果。本文闡述和對比了傳統(tǒng)特殊主配控制和導(dǎo)葉調(diào)壓閥獨立控制的特點，得出了特殊主配在帶調(diào)壓閥控制的調(diào)速器中無法被獨立控制方式所替代的結(jié)論。

2 特殊主配的應(yīng)用

1974年原水電部在湖南龍源電站啟動了以閥代井的試驗研究并取得成功，其控制模式包括水輪機調(diào)壓閥不采用普通調(diào)速器和獨立的調(diào)壓閥控制系統(tǒng)分別控制，而是采用專用的調(diào)速器，專用調(diào)速器用同一個液壓功率元件將調(diào)壓閥接力器油缸和導(dǎo)葉接力器油缸的液壓串聯(lián)起來驅(qū)動控制，當(dāng)調(diào)壓閥拒動時由于油路是串聯(lián)的，油路自然的被阻塞了，導(dǎo)葉接力器無法通過正常油路關(guān)閉只能通過旁路慢速關(guān)閉，具備上述功能的液壓功率驅(qū)動元件被業(yè)界簡稱為“特殊主配”。特殊主配控制方式也成為了全液壓式水輪機調(diào)壓閥最通常的控制形式。

特殊主配同時控制著水輪機導(dǎo)葉接力器和水輪機調(diào)壓閥接力器油缸的開關(guān)，由圖1所示，特殊主配開（主配活塞向上運動）、小波動關(guān)閉、大波動關(guān)閉，由于不同遮程的油路開口形成不同的油路。特殊主配小波動關(guān)閉運動時，導(dǎo)葉接力器油缸控制和水輪機調(diào)壓閥油缸控制無關(guān)，通過油路節(jié)流閥C實現(xiàn)慢速關(guān)機。

圖1

特殊主配大波動關(guān)機時（活塞大幅度向下運動），導(dǎo)葉接力器油缸關(guān)腔和水輪機調(diào)壓閥油缸關(guān)腔通過特殊主配被串聯(lián)起來，實現(xiàn)導(dǎo)葉接力器快關(guān)且同時調(diào)壓閥接力器快開，當(dāng)調(diào)壓閥拒動時，其驅(qū)動油缸無法動作，導(dǎo)葉接力器油缸由于和調(diào)壓閥接力器油缸串聯(lián)，無法實現(xiàn)常規(guī)的快速關(guān)閉聯(lián)動，導(dǎo)葉接力器只能通過液壓回路節(jié)流閥C實現(xiàn)慢速關(guān)機。

液壓回路主配的導(dǎo)葉開腔、調(diào)壓閥開腔和旁通供油腔上分別設(shè)置了不同的節(jié)流閥b、a和c，通過設(shè)置節(jié)流閥a流量小于節(jié)流閥c，這樣就可以實現(xiàn)調(diào)壓閥拒動時導(dǎo)葉關(guān)閉時間大于正常關(guān)閉時間，也就是調(diào)壓閥拒動時導(dǎo)葉只能慢速關(guān)閉，不能快速關(guān)閉。這一控制模式在之后的40多年內(nèi)，一直被業(yè)界所廣泛認同和小心翼翼的遵從。

3 導(dǎo)葉和調(diào)壓閥接力器獨立控制的替代模式

近年來，調(diào)壓閥替代調(diào)壓井越來越多被用戶采用，同時擁有較低成本的高油壓調(diào)速器亦成為了中小型水電站的首選方案，如何在高油壓下實現(xiàn)帶有調(diào)壓閥控制日益受到調(diào)速器制造廠家的重視。

常規(guī)油壓下普遍使用的滑閥式主配壓閥實現(xiàn)高油壓下的應(yīng)用遇到的最大難題就是：由于配合間隙加工困難出現(xiàn)泄漏量大，導(dǎo)致接力器飄移而無法使用。而特殊主配的串聯(lián)式控制中四閥盤滑閥式結(jié)構(gòu)又無法用標準閥組所實現(xiàn)。

一些廠家提出了替代特殊主配的控制模式，以2套標準工業(yè)閥組來分別控制調(diào)壓閥和導(dǎo)葉的接力器。這種方案實際上是在常規(guī)高油壓調(diào)速器液壓基礎(chǔ)上，增設(shè)了一套獨立的調(diào)壓閥液壓驅(qū)動系統(tǒng)，采用純電氣聯(lián)鎖保護方式或者以電氣保護和機械液壓這套系統(tǒng)方式檢測調(diào)壓閥接力器的位置來避免出現(xiàn)調(diào)壓閥卡阻時導(dǎo)葉接力器的快速關(guān)閉可能。與特殊主配對調(diào)壓閥和導(dǎo)葉接力器所采用的串聯(lián)控制方式不同，這些控制方式均采用了調(diào)壓閥和導(dǎo)葉接力器并聯(lián)控制的形式。

3.1 純電氣聯(lián)鎖保護

2套液壓回路之間的保護控制功能由電氣控制實現(xiàn)，模擬特殊主配的保護功能。調(diào)壓閥拒動的判斷由設(shè)置在調(diào)壓閥接力器上的位移傳感器實現(xiàn)，當(dāng)調(diào)壓閥關(guān)閉信號發(fā)出后一段時間，調(diào)壓閥接力器位移反饋值未發(fā)生變化，即判斷為調(diào)壓閥卡阻拒動，這時候電氣控制導(dǎo)葉接力器慢速關(guān)閉。

其控制系統(tǒng)如圖2。以閥b1控制導(dǎo)葉接力器，b2控制調(diào)壓閥接力器。b1和b2采用2套不同的電液轉(zhuǎn)換元件或者電液控制元件，以微機可編程控制器驅(qū)動，具體實現(xiàn)上又分為純電氣聯(lián)鎖控制和電氣加液壓聯(lián)鎖保護控制2大類別。

這一保護措施存在諸多缺陷：首先是當(dāng)調(diào)速器可編程電氣系統(tǒng)故障或者事故停機狀態(tài)，緊急停機電磁閥動作直接控制液壓系統(tǒng)而不通過調(diào)速器微機控制的情況下，這一功能便無法實現(xiàn)。而這種情況在電站實際運行中并不鮮見。另外，調(diào)壓閥拒動判斷時間長且位移傳感器故障等情況均可造成誤判。這也是以閥代井研究之初不采取獨立控制方式的最重要因素。

圖2

3.2 電氣與液壓聯(lián)鎖保護

這一保護是在純電氣聯(lián)鎖保護基礎(chǔ)上，在調(diào)壓閥接力器全關(guān)位置處再增設(shè)一個液壓行程閥，當(dāng)調(diào)壓閥未開啟時，該行程閥控制下，導(dǎo)葉關(guān)閉油路為慢速關(guān)閉通路，導(dǎo)葉只能以設(shè)定的時間慢速關(guān)閉。見圖3。

圖3

這一聯(lián)鎖保護模式較純電氣聯(lián)鎖方式的可靠性有了一定的提高，在一定程度上避免了電氣故障情況下出現(xiàn)調(diào)壓閥卡阻時快速關(guān)閉導(dǎo)葉機構(gòu)可能造成的危險。

這一控制方式的不足在于其可靠性的關(guān)鍵完全依靠這只行程閥對于調(diào)壓閥接力器是否通過行程閥設(shè)置的特定區(qū)域的檢測，而調(diào)壓閥的拒動并不僅僅是依靠判斷接力器通過設(shè)定的某一點區(qū)域來識別的，工程實踐中不乏調(diào)壓閥開啟不全導(dǎo)致泄流量不足、行程閥安裝缺陷出現(xiàn)檢測死區(qū)、以及行程閥檢測所必然帶來的判斷滯后等導(dǎo)致的問題，如果在這種情況下出現(xiàn)調(diào)速器電氣系統(tǒng)失效故障，同樣可能導(dǎo)致嚴重后果。盡管這種故障可能性很低，但對于調(diào)壓閥這樣一個故障可能導(dǎo)致嚴重后果的設(shè)備控制來說，是不應(yīng)該忽略出現(xiàn)這種事故發(fā)生概率的。

4 結(jié)論

特殊主配控制方式所采用的串聯(lián)控制方式在調(diào)壓閥卡阻拒動時，原有液壓回路自然阻塞，正常的導(dǎo)葉快速關(guān)閉油路隨之失效。而2套控制元件分別控制導(dǎo)葉和調(diào)壓閥的并聯(lián)方式，無論如何都沒有解決在沒有外來判斷下實現(xiàn)其中一套元件失效，另一套元件亦自動失效的機制，而“自動失效”機制就是特殊主配可靠性的關(guān)鍵點所在。因為外來第三方判斷的故障有可能會導(dǎo)致聯(lián)鎖保護的失敗。

調(diào)壓閥是在極端情況下引水系統(tǒng)的唯一和最后一道安全保護措施，這道安全保護一旦失效造成機毀人亡的嚴重事故的幾率極大，因此其可靠性應(yīng)該被上升到最高安全標準，是絕不能以任何降低安全系數(shù)的手段來實現(xiàn)。

其他替代方案可靠性對比特殊主配控制方式均降低了保護的可靠性標準，采用替代方案存在諸多隱患，高油壓調(diào)速器實現(xiàn)對水輪機調(diào)壓閥的控制應(yīng)該在堅持特殊主配串聯(lián)式控制的基本原則下，通過提高加工工藝等手段加以實現(xiàn)。