集成式水輪機分段調(diào)速控制閥的設(shè)計

【摘要】隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步和人民生活水平的提高，人類社會在生產(chǎn)和生活中對電能的需求不斷提升。在這種時代背景下，為了滿足人類日益增長的用電需求，各種大型的水電站應(yīng)用而生。目前，水電站大都采用了集成式水輪機，為此我們有必要對集成式水輪機分段調(diào)速控制閥進行分析和探討，提出有關(guān)優(yōu)化設(shè)計思考，為同行工作提供參考。

【關(guān)鍵詞】水電站；水輪機；集成式水輪機；分段調(diào)速控制閥

伴隨電力供需矛盾日益激烈，給人類社會經(jīng)濟的發(fā)展帶來嚴(yán)重的影響。因此緩解電能供需矛盾，提高發(fā)電站發(fā)電能力和工作效率迫在眉睫，已成為電力部門工作人員研究的核心課題。集成式水輪機作為水電站工作中不可缺少的基礎(chǔ)設(shè)施，其在緩解電力供需矛盾方面有著重要作用。分段調(diào)速控制閥作為集成式水輪機中的重要設(shè)施，做好其相關(guān)設(shè)計工作極為關(guān)鍵。

一、集成式水輪機跟段調(diào)速控制概述

水電站在當(dāng)前社會發(fā)展中的作用越來越大，地位越來越突出。水電站水輪機在甩負(fù)荷的時候，因為轉(zhuǎn)速的上升而要求調(diào)速器緊急關(guān)機，使得轉(zhuǎn)速回復(fù)到原來的額定轉(zhuǎn)速要求。在這個調(diào)節(jié)工作中，調(diào)速不能過快也不能太慢；調(diào)節(jié)過慢的話容易引起轉(zhuǎn)速過高，從而造成不必要的影響，而轉(zhuǎn)速太快卻又容易導(dǎo)致水管遭受較大的水擊，甚至是產(chǎn)生水管破裂。因此，在目前的工作中為了降低導(dǎo)葉緊急關(guān)閉的時候產(chǎn)生的水管壓力上升以及機位抬高問題，大多數(shù)水電站水輪機都采用了接力器分段關(guān)閉措施。也就是在工作中首先以接力器快速關(guān)閉，等到水輪轉(zhuǎn)到適當(dāng)位置的時候再慢速關(guān)閉導(dǎo)水葉，這樣不僅有效的緩解了上述的問題，同時也滿足了不同水輪機的調(diào)節(jié)要求，保證了水輪機工作效率。在這種背景下，大多數(shù)的水輪機組都是以分離液壓元件作為工作原理來實現(xiàn)分離操作的，一方面液壓系統(tǒng)的體積龐大，另外由于運轉(zhuǎn)部件較為復(fù)雜，這也給系統(tǒng)故障的發(fā)生帶來了基礎(chǔ)。

1、集成式水輪機概念

所謂的集成式水輪機主要指的是由多個不同的子系統(tǒng)共同構(gòu)成的水輪機組，也是目前水電工程中最為常見的基礎(chǔ)設(shè)施。一般來說，目前的集成式水輪機主要包含有底環(huán)、頂蓋、控制環(huán)、活動導(dǎo)葉、PLC控制其以及導(dǎo)葉轉(zhuǎn)動組織等。由于集成式水輪機本身就是一個復(fù)雜、系統(tǒng)的工作體系，為此在工作中做好有關(guān)設(shè)計工作極為關(guān)鍵，也是十分必要的。

2、水輪機分段調(diào)速原理

集成式水輪機在開機的時候，主配壓閥工作在作為，壓力油通過單向閥推動接力器活塞向左運動，實現(xiàn)水輪機快速開機；關(guān)機時，主配壓閥工作在右位，壓力油直接推動接力器活塞右行，實現(xiàn)關(guān)機。其回油經(jīng)單向閥不通，只能通過液控?fù)Q向閥回油箱。在關(guān)機過程中，開始時先導(dǎo)行程閥工作在上位，液控?fù)Q向閥則相應(yīng)工作在右位，因而實現(xiàn)快速關(guān)機。在水輪機的快速關(guān)閉過程中，接力器活塞的移動帶動分段凸輪轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)到一特定位置時，分段凸輪將先導(dǎo)行程閥頂起，使得先導(dǎo)行程閥下位工作，同時液控?fù)Q向閥也相應(yīng)被切換到左位工作，實現(xiàn)對接力器的回油節(jié)流，從而得到慢速關(guān)機。

二、集成式水輪機分段控制閥結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)水輪機分段調(diào)速原理我們可以看出，集成式水輪機和大多數(shù)水電站中常用的水輪機結(jié)構(gòu)有著一定的相同之處，但是也存在著極為顯著的特殊性。為此，我們在設(shè)計工作中要想確保水輪機分段控制閥的科學(xué)、穩(wěn)定、安全運行，就需要對其進行系統(tǒng)、深入的總結(jié)，結(jié)合實際工作特點進行研究，從而提出科學(xué)的工作設(shè)計要求。

1、分段控制閥結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

由工作原理我們可以看出，水輪機分段調(diào)速控制的實現(xiàn)需要從開機閥門、關(guān)機閥門以及開關(guān)機速度三個方面入手去進行分析。顯然，在工作中采用分離液壓技術(shù)來實現(xiàn)上述功能雖然是可行的，但是其必然會產(chǎn)生龐大的體積、甚至是造成各種故障的多發(fā)問題，為此，我們在工作中有必要設(shè)計一個具備上述各方面要求的結(jié)構(gòu)體系，從而實現(xiàn)集成式水輪機的分段、科學(xué)、系統(tǒng)控制要求。

在設(shè)計工作中，我們要根據(jù)分段控制閥工作原理進行，當(dāng)液壓油從上部調(diào)節(jié)A口向B口流動時，單向閥閥芯完全開啟，實現(xiàn)水輪機的快速開機；當(dāng)液壓油從B口向A口方向流動時，如果控制C口有控制壓力，則單向閥閥芯在控制活塞的作用下處于開啟狀態(tài)，可以實現(xiàn)水輪機的快速關(guān)機；如果控制C口無控制壓力，則單向閥閥芯處于最低位，可以實現(xiàn)水輪機的慢速關(guān)機。通過調(diào)整上下調(diào)節(jié)螺釘，可以得到不同的單向閥閥芯的最大開口量和預(yù)開口量，從而得到不同的關(guān)機速度。

2、參數(shù)控制分析

經(jīng)過對集成式水輪機分段控制閥結(jié)構(gòu)設(shè)計要點我們可以看出，其在設(shè)計的過程中需要對機組甩負(fù)荷問題進行深入的總結(jié)和研究，針對工作中存在的問題進行系統(tǒng)的歸納。就某水電站水集成式水輪機參數(shù)規(guī)定為：液壓缸內(nèi)徑D=90cm；活塞直徑：d=22cm；活塞行程：H=64cm。有這幾個參數(shù)我們可以得出液壓缸大腔有效面積為A=πD2/4=6362cm2，針對這一公式，我們可以得出快速形成H的75%需要5.85秒，慢速形成H的25%需要時間為3.49秒。故此可以得出：快速關(guān)機速度U1=64×0.75/5.85=8.2cm/s；快速關(guān)機流量為：Q1=2Au1=6260L/min；而慢速關(guān)機速度U2=64×0.25/3.49=4.6cm/s；而慢速關(guān)機流量Q2=2Au2=3512L/min。根據(jù)這一數(shù)據(jù)我們可以得出，關(guān)機流量都是很大的，如果全部通過分段調(diào)速控制閥，那么勢必會造成控制閥體積的增大。因此，為了減小該閥體積，在實際應(yīng)用中，可以為該閥并聯(lián)一旁通節(jié)流閥。其公式為：

其中公式中Cd=流量系數(shù)，其中Cd=0.65；dv為分段調(diào)速閥閥芯直徑，dv=158mm，xv是分段調(diào)速閥閥芯位移，d0是旁通節(jié)流閥節(jié)流孔徑，d0=50mm；ρ油液密度，選取數(shù)據(jù)為900kg/m3。有公式可以得出，在快速關(guān)機的時候分段控制閥的閥芯位移為15.2mm，而在慢速關(guān)機的時候其閥芯位移為2mm。

三、結(jié)束語

總而言之，在為了緩解當(dāng)今社會中存在的電力供需矛盾，對于水電站集成式水輪機分段調(diào)速控制閥的設(shè)計極為迫切，對其進行改良任重而道遠，是實現(xiàn)水利工程快速發(fā)展的基石。本文介紹的集成式水輪機分段調(diào)速控制閥集快速開機、快速關(guān)機和慢速關(guān)機等功能于一體。集成化程度高，結(jié)構(gòu)簡單，液壓運動部件少，生產(chǎn)成本低；旁通節(jié)流閥的參數(shù)選擇必須與分段控制閥以及整個調(diào)速器的流量需求相匹配。在關(guān)機流量較小時，也可以不要旁通節(jié)流閥；根據(jù)不同的使用工況，應(yīng)用本文介紹的計算方法，可以大致確定該分段控制閥的最大開口量和預(yù)開口量。

參考文獻

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