張治宇，李 娜

（中國水利水電科學(xué)研究院，北京 100038）

當(dāng)水力發(fā)電機(jī)組帶基本負(fù)荷從電網(wǎng)脫離后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速會升高，導(dǎo)葉接力器（油缸）快速關(guān)閉進(jìn)水導(dǎo)葉環(huán)，降低轉(zhuǎn)速，但引起蝸殼水壓和引水管道水壓升高，水壓過高會產(chǎn)生管道振動破裂等安全事故，因此水輪機(jī)調(diào)節(jié)保證采用導(dǎo)葉接力器的兩段關(guān)閉規(guī)律即導(dǎo)葉接力器從全開快速關(guān)到某個位置，然后再降速到全關(guān)，分段關(guān)閉閥是實(shí)現(xiàn)這種特性的裝置，是調(diào)速系統(tǒng)重要元件，在水力發(fā)電廠安裝的分段關(guān)閉閥有多種類型，性能各有不同。隨著現(xiàn)代液壓技術(shù)尤其是插裝技術(shù)在水電廠的應(yīng)用，我們研發(fā)了插裝閥式分段關(guān)閉閥，對分段關(guān)閉閥的性能有了很大提高，在多個水電廠得到成功的應(yīng)用。

1 采用二通插裝閥的分段關(guān)閉閥

1.1 分段關(guān)閉閥滿足導(dǎo)葉快速關(guān)閉的通流量

由于水力發(fā)電廠功率和水頭不同，工作壓力較低一般2.5 MPa到6.3 MPa, 對應(yīng)的每臺機(jī)組接力器的容積不同，有的接力器的容積超大，導(dǎo)葉接力器關(guān)閉快，關(guān)閉時間秒級，快速關(guān)閉時的流量范圍大，100～15 000 L/min，相應(yīng)通徑從20 mm到300 mm，同時要求壓力損失小。

對分段關(guān)閉閥要求從快速到慢速動作轉(zhuǎn)換響應(yīng)快，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定分段關(guān)閉閥控制精度滯后不超過±3%的接力器行程，換成時間如關(guān)閉時間S，分段關(guān)閉閥響應(yīng)時間±3% s，如關(guān)閉時間8 s，分段關(guān)閉閥響應(yīng)時間不得滯后0.48 s。分段關(guān)閉閥要求分段關(guān)閉動作拐點(diǎn)位置幾乎一樣,在1%允許誤差范圍內(nèi),要有很高的重復(fù)精度。

1.2 用于分段關(guān)閉閥的常開型二通插裝閥

采用液壓二通插裝閥構(gòu)成的分段關(guān)閉閥，二通插裝閥是符合ISO 7368/GB/T 2877/DIN 24342的標(biāo)準(zhǔn)元件，插裝閥的閥芯和閥套之間靠錐面密封，動作快速，通流能力強(qiáng)，如DN160插裝閥最大通流量可以達(dá)20 000 L/min，滿足水電廠快速關(guān)機(jī)時大流量要求。插裝閥的閥芯和閥套帶有1個到4個節(jié)流窗口，對分段關(guān)閉閥關(guān)閉時的慢速要求的節(jié)流精度更加精細(xì)。對系統(tǒng)的壓力緩沖也起到一定作用。對插裝閥的控制腔油流的控制，實(shí)現(xiàn)閥芯關(guān)閉的多樣性，如用行程換向閥或電磁閥對插裝閥的控制腔的有壓和無壓控制，插裝閥能快速開啟和關(guān)閉，如果對插裝閥的控制腔的油流變流量控制，可以對插裝閥的閥芯變速變化，實(shí)現(xiàn)插裝閥閥芯快關(guān)和慢關(guān)變化，降低了系統(tǒng)的壓力沖擊，插裝閥有常開型和常閉型，對于水電廠工作壓力低的特點(diǎn)，我們已研發(fā)了常開型插裝閥的分段關(guān)閉閥，常開型插裝閥液流流經(jīng)插裝閥不用克服彈簧力，降低系統(tǒng)壓力損失。在大多數(shù)水電廠，將分段關(guān)閉閥布置于接力器附近，裝在管道上。插裝閥能方便地集成在調(diào)速系統(tǒng)和事故關(guān)閉閥中，減少安裝管道，互換性好，便于維修。

1.3 用行程換向閥控制的分段關(guān)閉閥

行程閥安裝在接力器附近，通過控制管道和分段關(guān)閉閥本體相連，碰塊裝置裝在導(dǎo)葉接力器上，當(dāng)行程閥和碰塊接觸后行程閥換向，控制分段關(guān)閉閥關(guān)閉，行程換向閥的分段關(guān)閉閥組的原理圖見圖1。

圖1 行程換向閥控制的分段關(guān)閉閥原理圖

用行程換向閥控制的分段關(guān)閉閥,采用了二通插裝閥、行程換向閥、單向節(jié)流閥等標(biāo)準(zhǔn)液壓件，由閥體、插裝閥、活塞、插裝閥蓋板組成。結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 插裝閥型的分段關(guān)閉閥結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)行程閥A腔接回油時，彈簧提動活塞和插裝閥的閥芯，插裝閥達(dá)到最大開度，當(dāng)行程閥換向腔A接壓力油，插裝閥閥芯關(guān)閉，由調(diào)節(jié)螺母調(diào)節(jié)閥芯的開度，通過插裝閥的流量變小，接力器的慢速關(guān)回。

用行程換向閥控制的分段關(guān)閉閥缺點(diǎn)是連接行程閥A腔或B腔操作油管過長，油路信號的傳遞過程中將產(chǎn)生極其明顯的管道滯后效應(yīng)，導(dǎo)致分段關(guān)閉過程的動態(tài)響應(yīng)嚴(yán)重滯后，影響其動作精度。

1.4 電磁閥控制的分段關(guān)閉閥

電磁閥直接裝在分段關(guān)閉閥本體上，拐點(diǎn)接點(diǎn)裝在導(dǎo)葉接力器上，由拐點(diǎn)接點(diǎn)來控制電磁閥的動作，液壓原理圖和電氣驅(qū)動原理圖如圖3，電磁閥控制的分段關(guān)閉閥,采用了常開型二通插裝閥、電磁閥等標(biāo)準(zhǔn)液壓元件。由閥體、插裝閥、活塞、插裝閥蓋板、電磁閥組成，結(jié)構(gòu)見圖4。

圖3 電磁閥控制的分段關(guān)閉閥液壓原理圖、電氣驅(qū)動原理圖

圖4 電磁閥控制分段關(guān)閉閥的結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)接力器向關(guān)側(cè)運(yùn)動，油液流過分段關(guān)閉閥的接力器開側(cè)法蘭和插裝閥，同時和電磁閥的進(jìn)油腔相通。由于活塞的上腔和回油相通，活塞由彈簧提動插裝閥的閥芯到最大開口，油液自由的流到調(diào)速器的開側(cè)法蘭回油箱。

當(dāng)接力器向關(guān)側(cè)運(yùn)動到拐點(diǎn)時，拐點(diǎn)接點(diǎn)閉合使分段電磁閥通電，電磁閥換向。活塞的上腔和接力器開側(cè)相通關(guān)閉插裝閥閥芯，由調(diào)節(jié)螺母調(diào)節(jié)閥芯的開度，通過插裝閥的流量變小，接力器的慢速關(guān)回。當(dāng)導(dǎo)葉到達(dá)全關(guān)位置以后，行程開關(guān)發(fā)出接點(diǎn)信號，使分段關(guān)閉閥復(fù)位，分段關(guān)閉裝置自行退出。

當(dāng)接力器向開側(cè)運(yùn)動時，分段關(guān)閉閥開側(cè)通壓力油無論電磁閥是否動作，都能開啟分段關(guān)閉閥。

電磁閥控制的分段關(guān)閉閥的控制油壓取自接力器的開關(guān)側(cè)，沒有了行程換向閥的控制管道，提高了分段關(guān)閉閥的響應(yīng)速度，分段關(guān)閉裝置設(shè)置在接力器關(guān)側(cè)油路，插裝閥動作迅速，滯后不超過±3%的接力器行程。

貫流水輪機(jī)組由于接力器上帶有用于自關(guān)回接力器的重載，分段關(guān)閉閥裝在開側(cè)。

分段關(guān)閉閥的控制電磁閥可以用帶緩沖的電磁在保證快速動作的同時減少壓力沖擊。

相比較行程閥控制分段關(guān)閉閥遠(yuǎn)方控制，電磁閥控制分段關(guān)閉閥具有現(xiàn)地控制毋需通過監(jiān)控系統(tǒng)配合操作、響應(yīng)快優(yōu)點(diǎn)。

1.5 行程閥和電磁閥都能控制的分段關(guān)閉閥

水電廠的安全運(yùn)行要求當(dāng)電源消失，也能保證分段關(guān)閉閥正常工作，這樣要求當(dāng)行程閥和電磁閥均能控制的分段關(guān)閉閥，實(shí)現(xiàn)純機(jī)械和電氣控制的冗余，提高了分段關(guān)閉閥動作的可靠性。液壓原理圖見圖5、結(jié)構(gòu)圖見圖6。

圖5 行程閥和電磁閥控制分段關(guān)閉閥的原理圖

圖6 行程閥和電磁閥控制分段關(guān)閉閥的結(jié)構(gòu)圖

接力器關(guān)時在拐點(diǎn)以前，行程閥A通T，液動閥的P通B，A通T,活塞由彈簧提動插裝閥的閥芯到最大開口度；接力器關(guān)時到拐點(diǎn)時，行程閥動作的P通A，液動閥換向的P通A，閥芯4關(guān)閉，由調(diào)節(jié)螺母調(diào)節(jié)閥芯的開度，通過插裝閥的流量變小，接力器的慢速關(guān)回，電磁閥由分段拐點(diǎn)的接點(diǎn)信號控制，可以選擇電磁鐵通電分段關(guān)閉閥投入和電磁鐵斷電分段關(guān)閉閥退出。

1.6 分段關(guān)閉閥的壓力損失和壓力沖擊

油液在流經(jīng)分段關(guān)閉裝置集成塊的過流道及閥口后要產(chǎn)生一定的壓力損失，在接力器向關(guān)閉方向運(yùn)動時分段關(guān)閉投入前后的壓力損失，在接力器向開啟方向運(yùn)動時的壓力損失有所不同。相對于常閉插裝閥要克服彈簧力0.5 MPa壓力損失，常開型的提動彈簧壓力值為0.05 MPa這個值已經(jīng)變得很小了，相應(yīng)減少了操作壓力和壓力損失。

分段關(guān)閉裝置動作時，由于流量的瞬間急劇減小，因接力器活塞及操作油路液流慣性的共同作用，將導(dǎo)致壓力上升，必將引起操作油管的振動，如三峽水電廠左岸機(jī)組在接力器關(guān)閉過程，接力器關(guān)閉腔壓力6 MPa，在甩負(fù)荷瞬間，接力器開啟腔的最高壓力達(dá)7.68 MPa，即在甩負(fù)荷瞬間，導(dǎo)葉作用在接力器活塞上的水作用力及摩擦阻力代數(shù)和的等效壓力數(shù)值等于1.68 MPa ，呈關(guān)閉方向；分段關(guān)閉閥動作后，接力器開啟腔壓力降至6 MPa，導(dǎo)葉作用在接力器活塞上的水作用力及摩擦阻力代數(shù)和的等效壓力數(shù)值為零；隨關(guān)閉過程，由于接力器開啟腔壓力下降，其值均小于6 MPa，即導(dǎo)葉作用在接力器活塞上的水作用力及摩擦阻力的合力作用改向，呈開啟方向，為負(fù)值，我們采用柔性換向電磁閥控制插裝閥和電磁閥的兩端速度關(guān)閉插裝閥閥芯可以改善壓力沖擊，插裝閥的尾部節(jié)流方便的解決了速動性和由此帶來的壓力沖擊問題，又能提高位置精度。

2 常開插裝閥式分段關(guān)閉閥應(yīng)用實(shí)例

插裝閥型分段關(guān)閉閥在多個水電廠得到成功應(yīng)用，如在葛洲壩水電廠一臺129 MW機(jī)組Φ600直缸搖擺式接力器共4個，接力器全行程990 mm（對應(yīng)導(dǎo)葉開度100%），正常操作油壓3.65～4.0 MPa。

按調(diào)節(jié)保證要求導(dǎo)葉全速關(guān)閉時間16.7 s。 導(dǎo)葉為二段關(guān)閉，二段關(guān)閉投入點(diǎn)為：24%～26%，第二段關(guān)閉時間15 s～23 s，分段關(guān)閉閥通過最大流量為5 165 L/min，第二段關(guān)閉時分段關(guān)閉閥通過流量為1 119.1 L/min。

在葛洲壩水電廠使用電磁閥控制的插裝閥式分段關(guān)閉閥，在現(xiàn)場做了行程檢查試驗(yàn)和動作時間試驗(yàn)，①行程檢查試驗(yàn)：通過調(diào)整節(jié)流螺桿、行程開關(guān)位置，用自動記錄儀記錄接力器關(guān)閉規(guī)律及關(guān)閉時間；重復(fù)試驗(yàn)3次，測定分段拐點(diǎn)的位置誤差（或重復(fù)精度）；3次試驗(yàn)的分段拐點(diǎn)的位置分別為25.67%、25.88%、25.76%，設(shè)計(jì)拐點(diǎn)位置25%。分段關(guān)閉拐點(diǎn)誤差最大為0.77%，分段關(guān)閉拐點(diǎn)重復(fù)精度符合要求，未超過2%的設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。②動作時間試驗(yàn)：當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉從25%～0%時測量時間為23 s，要求值為20～30 s，現(xiàn)場試驗(yàn)動作規(guī)律及時間符合調(diào)保計(jì)算時間要求。

試驗(yàn)結(jié)果說明電磁閥控制插裝式分段關(guān)閉閥滿足了葛洲壩水電廠要求。

3 結(jié)論

插裝閥技術(shù)已發(fā)展多年了，近十多年我們對水電廠具有插裝閥技術(shù)分段關(guān)閉閥的研發(fā)，常開式插裝閥、插裝閥尾部節(jié)流和對插裝閥多樣性方式控制的應(yīng)用對分段關(guān)閉閥的技術(shù)和質(zhì)量有了很大提高，同時和電子技術(shù)控制的緊密結(jié)合，使分段關(guān)閉閥在調(diào)速系統(tǒng)自適應(yīng)和實(shí)現(xiàn)水電廠智能化有了很大用武之地。