水電站導(dǎo)葉分段關(guān)閉裝置

史 千，毛羽波，凌偉華，趙志文

(1. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040；2. 三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443133；3. 浙江仙居抽水蓄能有限責(zé)任公司，浙江 仙居 317300)

前言

在水電站的工程實(shí)踐中，由于受水工結(jié)構(gòu)、引水管道、機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣性等因素的影響，經(jīng)過調(diào)節(jié)保證計(jì)算，要求導(dǎo)葉在關(guān)閉過程中接力器以不同的速率關(guān)閉。其關(guān)閉特性是，按拐點(diǎn)分成關(guān)閉速度不同的兩段（或多段），導(dǎo)葉分段關(guān)閉裝置就是用來實(shí)現(xiàn)這種特性的[1]。

水輪機(jī)水力調(diào)節(jié)保證計(jì)算的基本任務(wù)就是確定機(jī)組及電站在大波動(dòng)時(shí)的極值：最大轉(zhuǎn)速上升βmax和最大壓力上升ξmax。為了限制最大轉(zhuǎn)速上升和最大壓力上升或協(xié)調(diào)二者之間的矛盾，主要有兩種方法：

（1）選擇合適的關(guān)閉、開啟時(shí)間及 GD2，這是最主要的方法。

（2）其次就是研究最優(yōu)調(diào)節(jié)規(guī)律，尤其是關(guān)閉規(guī)律[2]。

由此可以看出分段關(guān)閉裝置在水電站有著廣泛的應(yīng)用。

實(shí)現(xiàn)兩段或三段關(guān)閉規(guī)律的手段可由調(diào)速器通過微機(jī)控制完成，也可由調(diào)速器之外的機(jī)械液壓元件完成。當(dāng)機(jī)組配置了事故配壓閥等調(diào)速器之外的關(guān)閉設(shè)施時(shí)，僅能通過調(diào)速器外部零部件實(shí)現(xiàn)分段關(guān)閉。隨著目前微機(jī)控制系統(tǒng)的可靠性不斷提高，通過調(diào)速器軟件可很容易實(shí)現(xiàn)各種不同的機(jī)組關(guān)閉規(guī)律。目前可靠的分段關(guān)閉裝置仍然是由機(jī)械液壓元件組成，本文主要講述由機(jī)械液壓元件組成的分段關(guān)閉裝置。

1 主要結(jié)構(gòu)形式及工作原理

1.1 組成

分段關(guān)閉裝置一般由引導(dǎo)閥、執(zhí)行元件組成。引導(dǎo)閥可采用行程換向閥或電磁換向閥。執(zhí)行元件一般為液控單向節(jié)流閥或液控節(jié)流閥。其組合形式見表1。

表1 分段關(guān)閉裝置組成

引導(dǎo)閥采用行程換向閥時(shí)，應(yīng)有觸動(dòng)行程換向閥的操作機(jī)構(gòu)，操作機(jī)構(gòu)與水輪機(jī)的接力器動(dòng)作相關(guān)聯(lián)。一般采用凸輪結(jié)構(gòu)或?qū)虬褰Y(jié)構(gòu)，使行程換向閥在設(shè)定范圍內(nèi)動(dòng)作，進(jìn)行液壓回路的切換。當(dāng)引導(dǎo)閥采用電磁換向閥時(shí)，由接力器的位置信號(hào)來控制電磁換向閥的動(dòng)作。

導(dǎo)葉接力器采用分段關(guān)閉時(shí)，應(yīng)不影響開啟的速率，因此采用行程換向閥時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用液控節(jié)流閥是不合適的。

1.2 工作原理

水電站實(shí)現(xiàn)不同關(guān)閉規(guī)律是通過接力器回油節(jié)流，控制接力器的回油流量來完成的。分段關(guān)閉裝置的執(zhí)行元件一端連接接力器的開啟腔，另一端連接調(diào)速器的開啟腔。液壓分段關(guān)閉裝置可以呈現(xiàn)為系統(tǒng)A和系統(tǒng)B兩種形式。

1.2.1 行程換向閥+液控單向節(jié)流閥

液壓分段關(guān)閉裝置系統(tǒng)A如圖1所示。分段關(guān)閉裝置由行程操作結(jié)構(gòu)、行程換向閥、液控單向節(jié)流閥組成。

圖1 液壓分段關(guān)閉裝置系統(tǒng)A

圖1所示為接力器處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)的位置。在接力器關(guān)閉過程中，與行程操作機(jī)構(gòu)聯(lián)動(dòng)。當(dāng)達(dá)到形成控制結(jié)構(gòu)的設(shè)定點(diǎn)時(shí)，觸動(dòng)行程換向閥進(jìn)行換向來切換油路。液控單向節(jié)流閥的單向閥處于單向工作狀態(tài)，回油只能通過節(jié)流閥、主配壓閥回到回油箱，從而實(shí)現(xiàn)不同速率的關(guān)閉。當(dāng)機(jī)組需要開機(jī)時(shí)，通過調(diào)速器主配壓閥換向，壓力油通過液控單向節(jié)流閥時(shí)，不限制液壓油的流速，不影響開機(jī)過程。

此種結(jié)構(gòu)的分段關(guān)閉裝置由于使用了機(jī)械液壓換向操作結(jié)構(gòu)，使得部分電站在布置上存在一定的困難。

采用液控單向節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)也可以使用電磁換向閥來代替行程換向閥，使控制更加方便，但是受控制電源的約束，如果出現(xiàn)控制電源消失或電氣控制故障時(shí)，會(huì)導(dǎo)致分段關(guān)閉裝置無法投入正常工作。

1.2.2 電磁換向閥+液控節(jié)流閥

如圖2所示，分段關(guān)閉裝置系統(tǒng)B是由電磁換向閥、液控節(jié)流閥組成。圖示為分段關(guān)閉裝置未投入的狀態(tài)。此種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于安裝十分方便，但是必須由開機(jī)或停機(jī)狀態(tài)信號(hào)和可靠的電源和控制回路來保證其工作的穩(wěn)定性。

當(dāng)機(jī)組停機(jī)時(shí)，由停機(jī)信號(hào)、導(dǎo)葉位置控制信號(hào)來控制電磁閥b端勵(lì)磁線圈。

圖2 液壓分段關(guān)閉裝置系統(tǒng)B

2 問題提出及分析

分段關(guān)閉裝置節(jié)流閥的節(jié)流位置即拐點(diǎn)位置以及導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間直接影響著機(jī)組的關(guān)閉規(guī)律，關(guān)閉規(guī)律的好壞直接關(guān)系到機(jī)組在甩負(fù)荷過程中能否滿足調(diào)節(jié)保證計(jì)算。而上述兩種主要的結(jié)構(gòu)形式在實(shí)際機(jī)組運(yùn)行過程中，均存在延時(shí)投入的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致實(shí)際關(guān)閉的拐點(diǎn)數(shù)值與整定值不符，不能滿足設(shè)計(jì)要求。機(jī)組在第一段關(guān)閉時(shí)，關(guān)閉速率較快，且機(jī)組在不同負(fù)荷下導(dǎo)葉的開度不一致，一般延時(shí)大于1s時(shí)，無法用設(shè)定點(diǎn)提前的方法來完成投入整定值的修訂。

2.1 液控單向節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)

水電站分段關(guān)閉裝置常用的液控單向節(jié)流閥結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。主要由調(diào)節(jié)螺栓、閥體、控制活塞、節(jié)流活塞、彈簧等元件組成。

圖3 液控單向節(jié)流閥結(jié)構(gòu)

當(dāng)由A腔通入壓力油時(shí)，處于不節(jié)流狀態(tài)。當(dāng)由B腔通入壓力油，A腔通排油時(shí)，沿圖示的液流方向處于節(jié)流狀態(tài)，如果液流方向相反，處于不節(jié)流狀態(tài)。

2.2 液控節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)

如圖4所示，液控節(jié)流閥由閥體、節(jié)流活塞、端蓋等零件組成。當(dāng)A腔通壓力油，B腔通排油時(shí)，節(jié)流活塞退出，M和N之間通過C和D形成通路。相反，當(dāng)D口被節(jié)流活塞封堵后，油路僅能從C口通過，在C口設(shè)置節(jié)流裝置，即形成液控節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)。

圖4 液控節(jié)流閥結(jié)構(gòu)

2.3 數(shù)學(xué)模型

無論是液控單向節(jié)流閥還是液控節(jié)流閥，對(duì)節(jié)流起關(guān)鍵作用的均為節(jié)流活塞。節(jié)流活塞的投入速度直接影響到兩段關(guān)閉裝置的工作質(zhì)量，如果設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)有缺陷，設(shè)置不能達(dá)到正常工作的狀態(tài)。針對(duì)以上結(jié)構(gòu)，對(duì)液體流動(dòng)和節(jié)流活塞受力分析簡(jiǎn)化如圖5所示。

圖5 節(jié)流活塞液動(dòng)力

如圖5所示，取陰影部分的液體為控制體。假設(shè)節(jié)流活塞作用于控制體的力為F，沿液流方向?qū)刂企w列出動(dòng)量方程（1）。

式中：P為流體壓力/MPa；d1為活塞桿直徑/mm；d2為截面直徑/mm；ρ為流體密度/（kg/m3）；Q為流量/(m3/s)；β2、β1為動(dòng)量修正系數(shù)；V1V2為流體流速/（m/s）取β2=β1=1，θ2=φ，θ1=900，由于V2遠(yuǎn)大于V1，可忽略V1，于是上式可簡(jiǎn)化為V2cosφ，當(dāng)F＞0時(shí)，也就是受力沿圖示方向，若彈簧力或控制塞B腔液壓力不能克服力F，則液控單向節(jié)流閥無法正常工作。由此可知在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，為了消除液壓延時(shí)的影響，除了考慮活塞移動(dòng)時(shí)間的影響外，液動(dòng)力也是不可忽略的因素。

3 建議

為了使兩段關(guān)閉裝置正常工作，其拐點(diǎn)位置的穩(wěn)定性尤為關(guān)鍵，由以上分析可以得出設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

3.1 適當(dāng)增加V2

在保證沒有產(chǎn)生節(jié)流的情況下，適當(dāng)增加V2，可以增加使兩段關(guān)閉裝置投入的液動(dòng)力，減小液壓延時(shí)的影響。

3.2 適當(dāng)增加d1

在保證流量的前提下，適當(dāng)增加d1，同樣可以增加使兩段關(guān)閉裝置投入的液動(dòng)力，減小液壓延時(shí)的影響。

在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，應(yīng)根據(jù)具體結(jié)構(gòu)，在注意以上兩點(diǎn)的情況下進(jìn)行計(jì)算分析。在引導(dǎo)閥流量一定的情況下，控制活塞的操作腔面積和容積也會(huì)對(duì)兩段關(guān)閉裝置的投入產(chǎn)生影響，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)引起注意。

4 結(jié)論

目前水電站應(yīng)用的兩段關(guān)閉裝置仍然有部分產(chǎn)品受拐點(diǎn)位置不穩(wěn)定或液壓延時(shí)過大的困擾，通過增加節(jié)流活塞位置調(diào)節(jié)的零件，能夠解決問題。

[1]魏守平．現(xiàn)代水輪機(jī)調(diào)節(jié)技術(shù)[M]. 華中科技大學(xué)出版社, 2005, 5(6): 185．

[2]葉魯卿. 水力發(fā)電過程控制[M]．華中科技大學(xué)出版社, 2002, 4(3): 336．