覃 杰，吳紅光

（1.五凌電力托口電廠，湖南 懷化418000；2.五凌電力掛治電廠，貴州 錦屏556700）

水輪機(jī)調(diào)速器是水電廠重要的輔助控制設(shè)備，其主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)組的調(diào)節(jié)與控制，調(diào)速器調(diào)節(jié)品質(zhì)的好壞直接影響著機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。為了保證調(diào)速器的動(dòng)作可靠，其液壓隨動(dòng)系統(tǒng)會(huì)設(shè)置一系列液壓元器件，在實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)與控制功能的同時(shí)，更保證系統(tǒng)響應(yīng)的速度、精度和穩(wěn)定性達(dá)到要求。數(shù)字式水輪機(jī)調(diào)速器是基于現(xiàn)代液壓數(shù)字邏輯插裝技術(shù)而開發(fā)的一類新型調(diào)速器，它突破了傳統(tǒng)調(diào)速器的經(jīng)典形式，以邏輯插裝閥組取代主配壓閥實(shí)現(xiàn)對(duì)主油路的切換[2]，插裝閥組的調(diào)節(jié)無需由中間位置與機(jī)械反饋來保證，同時(shí)兼?zhèn)淞阏诔烫匦院涂垢蓴_能力強(qiáng)、靜態(tài)油耗低的優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)單閥芯主配壓閥相比，邏輯插裝閥組在工作中必須多閥聯(lián)動(dòng)，顯然，保證各插裝閥動(dòng)作速度與幅度的協(xié)調(diào)相當(dāng)重要，否則將很大程度地影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

1 問題的提出

某電廠水輪機(jī)為軸流轉(zhuǎn)槳式，調(diào)節(jié)系統(tǒng)采用數(shù)字式調(diào)速器，在調(diào)速器液壓系統(tǒng)中，槳葉操作回路采用浮動(dòng)瓦受油器供油方式。在某次機(jī)組運(yùn)行中，出現(xiàn)受油器大量冒油的情況，停機(jī)解體檢查受油器，發(fā)現(xiàn)其浮動(dòng)瓦密封圈存在機(jī)械性破損痕跡。更換密封圈，機(jī)組恢復(fù)運(yùn)行后，對(duì)受油器運(yùn)行情況進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)機(jī)組減負(fù)荷時(shí)，受油器供回油管振動(dòng)較大，而機(jī)組增負(fù)荷時(shí)則相對(duì)平穩(wěn)。

查閱槳葉開度波形曲線，發(fā)現(xiàn)機(jī)組減負(fù)荷時(shí)，槳葉開度出現(xiàn)超調(diào)情況，即槳葉開度減小到某一值后，立即反調(diào)并經(jīng)過一個(gè)明顯增大的過程后才達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，而機(jī)組增負(fù)荷時(shí)，未出現(xiàn)反調(diào)情況，且導(dǎo)葉開度波形曲線也無類似現(xiàn)象。

2 數(shù)字式水輪機(jī)調(diào)速器的液壓原理

該廠數(shù)字式水輪機(jī)調(diào)速器液壓隨動(dòng)系統(tǒng)原理如圖1：插裝閥是隨動(dòng)系統(tǒng)的主級(jí)，開度增減回路是控制插裝閥的先導(dǎo)級(jí)，先導(dǎo)回路由多種液壓元件組成，以實(shí)現(xiàn)方向、壓力、流量控制功能[3]；接力器在固定開度下，壓力油與插裝閥A/B/C/D的控制腔相通，插裝閥全部關(guān)閉；當(dāng)開度減回路動(dòng)作時(shí)，插裝閥B/C的控制腔接回油，該兩閥同時(shí)打開，接力器開腔接回油、關(guān)腔接壓力油，使接力器往關(guān)方向動(dòng)作；同理，開度增回路動(dòng)作時(shí)，插裝閥A/D同時(shí)打開，接力器往開方向動(dòng)作。

與一般電磁閥不同，開度增減回路的動(dòng)作并不等同于將插裝閥的控制腔完全接通回油，其原理如圖2，回路動(dòng)作時(shí)，壓力油依然與插裝閥控制腔相通，且同時(shí)與回油相通，其設(shè)計(jì)理念是通過調(diào)節(jié)壓力油口和回油口的大小來改變流速v，從而調(diào)節(jié)插裝閥控制腔的壓力P1，實(shí)現(xiàn)的機(jī)理是流體力學(xué)能量方程，假定在理想狀態(tài)下：

在調(diào)速器液壓系統(tǒng)中，常數(shù)const可以壓力油罐為參考（P0，v0≈0），高程變化h的影響可以忽略不計(jì)，則：

在油源壓力P0基本不變的情況下，插裝閥控制腔壓力P1與v成線性關(guān)系，結(jié)合圖1的液壓隨動(dòng)系統(tǒng)原理可以看出，P1越小，其控制的插裝閥開度越大，接力器動(dòng)作的速度越快。

圖1 液壓隨動(dòng)系統(tǒng)原理

圖2 插裝閥控制腔壓力調(diào)節(jié)原理

3 問題原因分析

一般來說，按同樣標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)設(shè)計(jì)的插裝閥，其開度與控制腔的壓力具有特定的關(guān)系，類似如圖3-（a）所示。無論接力器往開還是往關(guān)方向動(dòng)作，由于聯(lián)動(dòng)的兩個(gè)相同的插裝閥是受同一個(gè)控制油口控制的，所以兩個(gè)插裝閥的開度應(yīng)該一致，但在實(shí)際運(yùn)行中，還應(yīng)當(dāng)考慮插裝閥是否受機(jī)械限位的影響。插裝閥機(jī)械限位的設(shè)置是為了保證在異常情況下，接力器操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)快速動(dòng)作的速度滿足機(jī)組調(diào)保計(jì)算的要求。

對(duì)于邏輯插裝式液壓系統(tǒng)，只要調(diào)節(jié)兩個(gè)聯(lián)動(dòng)插裝閥中任意一個(gè)的機(jī)械限位，就能控制接力器操縱執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間，但如果只調(diào)節(jié)一個(gè)插裝閥的機(jī)械限位，可能會(huì)影響調(diào)速器運(yùn)行的穩(wěn)定性。結(jié)合圖1的液壓隨動(dòng)系統(tǒng)原理，以關(guān)接力器為例，若只調(diào)了插裝閥B的機(jī)械限位，由于插裝閥C行程大，在同一個(gè)控制腔壓力的作用下，可能出現(xiàn)兩個(gè)聯(lián)動(dòng)的插裝閥開度不一致。考慮兩個(gè)插裝閥的機(jī)械限位不同，定性繪制其開度與控制腔壓力關(guān)系如圖3-（b），當(dāng)控制腔壓力大于P2、接力器調(diào)節(jié)速度慢時(shí)，插裝閥B/C開度一致，供回油相對(duì)平衡，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性較好；而當(dāng)控制腔壓力小于P2、接力器快速動(dòng)作時(shí)，插裝閥B的實(shí)際開度小于插裝閥C，則出現(xiàn)供油液阻大而回油液阻小的情況，這會(huì)導(dǎo)致接力器開腔回油過快而關(guān)腔供油不足，沒有回油側(cè)節(jié)流作用，系統(tǒng)阻尼低，抗干擾能力將會(huì)削弱，油流的流量脈動(dòng)增加，造成管路振動(dòng)加劇[4]。當(dāng)插裝閥B/C關(guān)閉的瞬間，由于阻尼較低，接力器還會(huì)繼續(xù)前沖，然后才回調(diào)。

圖3 插裝閥開度——控制腔壓力關(guān)系

該廠調(diào)速器運(yùn)行情況是，機(jī)組大幅度減負(fù)荷、槳葉開度快速減小時(shí)，系統(tǒng)沖擊及開度超調(diào)的現(xiàn)象明顯，而其他運(yùn)行情況下則較為平穩(wěn)。由此可以推斷，該問題正是由于槳葉接力器快速關(guān)閉時(shí)，導(dǎo)通其開腔接回油的插裝閥沒有起到節(jié)流的作用。

4 雙向?qū)Φ裙?jié)流作用的實(shí)現(xiàn)

在液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，可以通過設(shè)置節(jié)流裝置增大液阻來減小系統(tǒng)的波動(dòng)，供油側(cè)節(jié)流可以減小壓力源波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，回油側(cè)節(jié)流則能削弱負(fù)載波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的沖擊，在不影響調(diào)節(jié)速度和精度的情況下，雙向?qū)Φ裙?jié)流能夠最大程度地提高調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5]。

圖4 主配壓閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

傳統(tǒng)單閥芯主配壓閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化如圖4，閥芯在任意位置時(shí)，接回油和接壓力油的兩個(gè)開口是否一致，主要靠閥芯和襯套的加工精度來保證，與安裝調(diào)整無關(guān)，而一般主配壓閥的閥芯、襯套都有較高的加工精度[6]，所以其供油、回油雙向節(jié)流的作用效果基本一致，也就不存在單方向動(dòng)作時(shí)系統(tǒng)振動(dòng)沖擊大和開度超調(diào)的問題。

而對(duì)于數(shù)字式水輪機(jī)調(diào)速器的插裝閥組，其液壓系統(tǒng)供油、回油的節(jié)流是否對(duì)等很大程度與插裝閥的安裝調(diào)整有關(guān)，故而提高其安裝質(zhì)量水平相當(dāng)重要，現(xiàn)提出以下兩種方法。

4.1 方法一

由于水輪機(jī)調(diào)速器的液壓系統(tǒng)屬于負(fù)載波動(dòng)型系統(tǒng)，相對(duì)于供油側(cè)節(jié)流，其回油側(cè)節(jié)流是否可靠尤為重要，在調(diào)整插裝閥的機(jī)械限位時(shí)，可以優(yōu)先調(diào)節(jié)回油側(cè)插裝閥。

如圖5（a），以調(diào)節(jié)接力器快關(guān)的時(shí)間為例，完全放開供油側(cè)插裝閥B的機(jī)械限位，先調(diào)節(jié)回油側(cè)插裝閥C，具體方法為：調(diào)節(jié)插裝閥C的機(jī)械限位到某一位置，測(cè)試接力器快關(guān)時(shí)間，若小于調(diào)保計(jì)算要求的T1，將其限位適度放開，若大于T1，則進(jìn)一步縮小限位，最終調(diào)出插裝閥C理想的機(jī)械限位，使接力器快關(guān)時(shí)間為T1，并將其鎖緊螺母鎖死并做好位置記號(hào)。

調(diào)節(jié)插裝閥B的限位時(shí)，可以參照?qǐng)D5（b）曲線，由于插裝閥C已對(duì)液壓回路起節(jié)流作用，在插裝閥B較大的一段行程調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，接力器快關(guān)時(shí)間不受其限位的影響，在該調(diào)節(jié)范圍的下限繼續(xù)往下調(diào)，接力器快關(guān)時(shí)間將會(huì)延長(zhǎng)，可以通過多次調(diào)節(jié)測(cè)試，找出該臨界點(diǎn)即插裝閥B的理想限位，調(diào)好后，將其鎖緊螺母鎖死并做好位置記號(hào)。

4.2 方法二

同樣以調(diào)節(jié)接力器快關(guān)的時(shí)間為例，參照方法一的步驟，在調(diào)好插裝閥C的機(jī)械限位后，可以做好標(biāo)記并先放開其限位，再調(diào)插裝閥B的限位，插裝閥B的限位調(diào)好后，將插裝閥C的限位按原標(biāo)記位置恢復(fù)，其后將鎖緊螺母鎖死，做好最終位置記號(hào)。

圖5 插裝閥機(jī)械限位調(diào)節(jié)示例

4.3 比較分析

通過比較分析，可以理解前面兩種方法都有缺點(diǎn)，方法一的難度在于，插裝閥B的臨界位置比較難以調(diào)出，在實(shí)踐中需要做大量的測(cè)試，且即便是準(zhǔn)確調(diào)出了接力器動(dòng)作時(shí)間發(fā)生變化的臨界點(diǎn)，由于該狀態(tài)下回油側(cè)插裝閥C的節(jié)流作用相對(duì)明顯，插裝閥B的實(shí)際行程可能稍大，使接力器供油側(cè)節(jié)流的作用稍差。但應(yīng)當(dāng)理解，由于考驗(yàn)調(diào)速器液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素是負(fù)載的波動(dòng)，故而在一定程度上，這種不對(duì)等節(jié)流是可以接受的。

方法二則較為簡(jiǎn)單易行，且在理論上能夠?qū)崿F(xiàn)供油、回油雙向?qū)Φ裙?jié)流，但有兩方面問題需要注意：插裝閥C的限位經(jīng)過調(diào)好—放開—恢復(fù)這一過程難免有誤差，由于回油側(cè)節(jié)流相對(duì)重要，可以對(duì)供油側(cè)插裝閥B的限位進(jìn)行調(diào)好—放開（調(diào)回油側(cè)插裝閥C）—恢復(fù)這一過程；雖然節(jié)流效果一樣，但考慮到系統(tǒng)的液阻增大，兩個(gè)插裝閥共同節(jié)流的作用，可能會(huì)使接力器動(dòng)作的時(shí)間較前測(cè)值略微延長(zhǎng)，應(yīng)進(jìn)行最終測(cè)試驗(yàn)證，若有必要，可將插裝閥B/C的機(jī)械限位略微對(duì)等放開。

4.4 實(shí)踐應(yīng)用及效果

針對(duì)機(jī)組減負(fù)荷中槳葉控制油路沖擊大及開度超調(diào)的問題，該廠參照上述方法二，對(duì)相應(yīng)插裝閥組的機(jī)械限位進(jìn)行了調(diào)整，實(shí)踐證明該方法簡(jiǎn)單可行。調(diào)整后，機(jī)組大幅減負(fù)荷中，管路不再有明顯的沖擊，且槳葉開度超調(diào)的現(xiàn)象也消失了，調(diào)速器系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)有了明顯提高。

5 結(jié)語(yǔ)

不同于傳統(tǒng)單閥芯主配壓閥，供回油雙向不對(duì)等節(jié)流造成液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，是邏輯插裝閥組所特有的現(xiàn)象，但這并不說明后者實(shí)用性差。其一相比于主配壓閥的單獨(dú)設(shè)計(jì)、小量生產(chǎn)，插裝閥能夠適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)、批量生產(chǎn)，其應(yīng)用推廣具有先天優(yōu)勢(shì)；其二在實(shí)現(xiàn)邏輯控制、隨動(dòng)控制、數(shù)字控制、比例控制等方面，邏輯插裝技術(shù)能有力促進(jìn)現(xiàn)代電子技術(shù)和液壓技術(shù)的對(duì)接及進(jìn)一步發(fā)展，具有其獨(dú)特的統(tǒng)合優(yōu)勢(shì)[7]。

邏輯插裝式液壓系統(tǒng)供回油不對(duì)等節(jié)流，根源于插裝閥組的安裝調(diào)整不規(guī)范，本文結(jié)合實(shí)際案例，探討了插裝閥組的聯(lián)動(dòng)特性，從插裝閥組的安裝工藝方面，提出消除供回油不對(duì)等節(jié)流的方法，對(duì)提升數(shù)字式水輪機(jī)調(diào)速器的技術(shù)管理水平，具有一定的參考意義，對(duì)相關(guān)問題的探討，也有助于該類產(chǎn)品的應(yīng)用推廣。