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）

水輪機調速器是水電廠重要的輔助控制設備，其主要功能是實現(xiàn)對機組的調節(jié)與控制，調速器調節(jié)品質的好壞直接影響著機組的安全穩(wěn)定運行[1]。為了保證調速器的動作可靠，其液壓隨動系統(tǒng)會設置一系列液壓元器件，在實現(xiàn)調節(jié)與控制功能的同時，更保證系統(tǒng)響應的速度、精度和穩(wěn)定性達到要求。數(shù)字式水輪機調速器是基于現(xiàn)代液壓數(shù)字邏輯插裝技術而開發(fā)的一類新型調速器，它突破了傳統(tǒng)調速器的經(jīng)典形式，以邏輯插裝閥組取代主配壓閥實現(xiàn)對主油路的切換[2]，插裝閥組的調節(jié)無需由中間位置與機械反饋來保證，同時兼?zhèn)淞阏诔烫匦院涂垢蓴_能力強、靜態(tài)油耗低的優(yōu)點。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，顯然，保證各插裝閥動作速度與幅度的協(xié)調相當重要，否則將很大程度地影響系統(tǒng)的調節(jié)品質。

1 問題的提出

某電廠水輪機為軸流轉槳式，調節(jié)系統(tǒng)采用數(shù)字式調速器，在調速器液壓系統(tǒng)中，槳葉操作回路采用浮動瓦受油器供油方式。在某次機組運行中，出現(xiàn)受油器大量冒油的情況，停機解體檢查受油器，發(fā)現(xiàn)其浮動瓦密封圈存在機械性破損痕跡。更換密封圈，機組恢復運行后，對受油器運行情況進行重點監(jiān)視，發(fā)現(xiàn)機組減負荷時，受油器供回油管振動較大，而機組增負荷時則相對平穩(wěn)。

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

2 數(shù)字式水輪機調速器的液壓原理

該廠數(shù)字式水輪機調速器液壓隨動系統(tǒng)原理如圖1：插裝閥是隨動系統(tǒng)的主級，開度增減回路是控制插裝閥的先導級，先導回路由多種液壓元件組成，以實現(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，插裝閥全部關閉；當開度減回路動作時，插裝閥B/C的控制腔接回油，該兩閥同時打開，接力器開腔接回油、關腔接壓力油，使接力器往關方向動作；同理，開度增回路動作時，插裝閥A/D同時打開，接力器往開方向動作。

與一般電磁閥不同，開度增減回路的動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，回路動作時，壓力油依然與插裝閥控制腔相通，且同時與回油相通，其設計理念是通過調節(jié)壓力油口和回油口的大小來改變流速v，從而調節(jié)插裝閥控制腔的壓力P1，實現(xiàn)的機理是流體力學能量方程，假定在理想狀態(tài)下：

在調速器液壓系統(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，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成線性關系，結合圖1的液壓隨動系統(tǒng)原理可以看出，P1越小，其控制的插裝閥開度越大，接力器動作的速度越快。

圖1 液壓隨動系統(tǒng)原理

圖2 插裝閥控制腔壓力調節(jié)原理

3 問題原因分析

一般來說，按同樣標準參數(shù)設計的插裝閥，其開度與控制腔的壓力具有特定的關系，類似如圖3-（a）所示。無論接力器往開還是往關方向動作，由于聯(lián)動的兩個相同的插裝閥是受同一個控制油口控制的，所以兩個插裝閥的開度應該一致，但在實際運行中，還應當考慮插裝閥是否受機械限位的影響。插裝閥機械限位的設置是為了保證在異常情況下，接力器操縱執(zhí)行機構快速動作的速度滿足機組調保計算的要求。

對于邏輯插裝式液壓系統(tǒng)，只要調節(jié)兩個聯(lián)動插裝閥中任意一個的機械限位，就能控制接力器操縱執(zhí)行機構的響應時間，但如果只調節(jié)一個插裝閥的機械限位，可能會影響調速器運行的穩(wěn)定性。結合圖1的液壓隨動系統(tǒng)原理，以關接力器為例，若只調了插裝閥B的機械限位，由于插裝閥C行程大，在同一個控制腔壓力的作用下，可能出現(xiàn)兩個聯(lián)動的插裝閥開度不一致?？紤]兩個插裝閥的機械限位不同，定性繪制其開度與控制腔壓力關系如圖3-（b），當控制腔壓力大于P2、接力器調節(jié)速度慢時，插裝閥B/C開度一致，供回油相對平衡，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性較好；而當控制腔壓力小于P2、接力器快速動作時，插裝閥B的實際開度小于插裝閥C，則出現(xiàn)供油液阻大而回油液阻小的情況，這會導致接力器開腔回油過快而關腔供油不足，沒有回油側節(jié)流作用，系統(tǒng)阻尼低，抗干擾能力將會削弱，油流的流量脈動增加，造成管路振動加劇[4]。當插裝閥B/C關閉的瞬間，由于阻尼較低，接力器還會繼續(xù)前沖，然后才回調。

圖3 插裝閥開度——控制腔壓力關系

該廠調速器運行情況是，機組大幅度減負荷、槳葉開度快速減小時，系統(tǒng)沖擊及開度超調的現(xiàn)象明顯，而其他運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閉時，導通其開腔接回油的插裝閥沒有起到節(jié)流的作用。

4 雙向對等節(jié)流作用的實現(xiàn)

在液壓系統(tǒng)的設計中，可以通過設置節(jié)流裝置增大液阻來減小系統(tǒng)的波動，供油側節(jié)流可以減小壓力源波動對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，回油側節(jié)流則能削弱負載波動對系統(tǒng)的沖擊，在不影響調節(jié)速度和精度的情況下，雙向對等節(jié)流能夠最大程度地提高調節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5]。

圖4 主配壓閥結構簡圖

傳統(tǒng)單閥芯主配壓閥結構簡化如圖4，閥芯在任意位置時，接回油和接壓力油的兩個開口是否一致，主要靠閥芯和襯套的加工精度來保證，與安裝調整無關，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作時系統(tǒng)振動沖擊大和開度超調的問題。

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

4.1 方法一

由于水輪機調速器的液壓系統(tǒng)屬于負載波動型系統(tǒng)，相對于供油側節(jié)流，其回油側節(jié)流是否可靠尤為重要，在調整插裝閥的機械限位時，可以優(yōu)先調節(jié)回油側插裝閥。

如圖5（a），以調節(jié)接力器快關的時間為例，完全放開供油側插裝閥B的機械限位，先調節(jié)回油側插裝閥C，具體方法為：調節(jié)插裝閥C的機械限位到某一位置，測試接力器快關時間，若小于調保計算要求的T1，將其限位適度放開，若大于T1，則進一步縮小限位，最終調出插裝閥C理想的機械限位，使接力器快關時間為T1，并將其鎖緊螺母鎖死并做好位置記號。

調節(jié)插裝閥B的限位時，可以參照圖5（b）曲線，由于插裝閥C已對液壓回路起節(jié)流作用，在插裝閥B較大的一段行程調節(jié)范圍內，接力器快關時間不受其限位的影響，在該調節(jié)范圍的下限繼續(xù)往下調，接力器快關時間將會延長，可以通過多次調節(jié)測試，找出該臨界點即插裝閥B的理想限位，調好后，將其鎖緊螺母鎖死并做好位置記號。

4.2 方法二

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

圖5 插裝閥機械限位調節(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，方法一的難度在于，插裝閥B的臨界位置比較難以調出，在實踐中需要做大量的測試，且即便是準確調出了接力器動作時間發(fā)生變化的臨界點，由于該狀態(tài)下回油側插裝閥C的節(jié)流作用相對明顯，插裝閥B的實際行程可能稍大，使接力器供油側節(jié)流的作用稍差。但應當理解，由于考驗調速器液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性的主要因素是負載的波動，故而在一定程度上，這種不對等節(jié)流是可以接受的。

方法二則較為簡單易行，且在理論上能夠實現(xiàn)供油、回油雙向對等節(jié)流，但有兩方面問題需要注意：插裝閥C的限位經(jīng)過調好—放開—恢復這一過程難免有誤差，由于回油側節(jié)流相對重要，可以對供油側插裝閥B的限位進行調好—放開（調回油側插裝閥C）—恢復這一過程；雖然節(jié)流效果一樣，但考慮到系統(tǒng)的液阻增大，兩個插裝閥共同節(jié)流的作用，可能會使接力器動作的時間較前測值略微延長，應進行最終測試驗證，若有必要，可將插裝閥B/C的機械限位略微對等放開。

4.4 實踐應用及效果

針對機組減負荷中槳葉控制油路沖擊大及開度超調的問題，該廠參照上述方法二，對相應插裝閥組的機械限位進行了調整，實踐證明該方法簡單可行。調整后，機組大幅減負荷中，管路不再有明顯的沖擊，且槳葉開度超調的現(xiàn)象也消失了，調速器系統(tǒng)的調節(jié)品質有了明顯提高。

5 結語

不同于傳統(tǒng)單閥芯主配壓閥，供回油雙向不對等節(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用性差。其一相比于主配壓閥的單獨設計、小量生產(chǎn)，插裝閥能夠適應標準設計、批量生產(chǎn)，其應用推廣具有先天優(yōu)勢；其二在實現(xiàn)邏輯控制、隨動控制、數(shù)字控制、比例控制等方面，邏輯插裝技術能有力促進現(xiàn)代電子技術和液壓技術的對接及進一步發(fā)展，具有其獨特的統(tǒng)合優(yōu)勢[7]。

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