常開(kāi)型插裝閥在水電廠分段關(guān)閉閥中的應(yīng)用

張治宇，李 娜

（中國(guó)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(huì)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(guò)高會(huì)產(chǎn)生管道振動(dòng)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(kāi)快速關(guān)到某個(gè)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(duì)分段關(guān)閉閥的性能有了很大提高，在多個(gè)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(duì)應(yīng)的每臺(tái)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(shí)間秒級(jí)，快速關(guān)閉時(shí)的流量范圍大，100～15 000 L/min，相應(yīng)通徑從20 mm到300 mm，同時(shí)要求壓力損失小。

對(duì)分段關(guān)閉閥要求從快速到慢速動(dòng)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(guò)±3%的接力器行程，換成時(shí)間如關(guān)閉時(shí)間S，分段關(guān)閉閥響應(yīng)時(shí)間±3% s，如關(guān)閉時(shí)間8 s，分段關(guān)閉閥響應(yīng)時(shí)間不得滯后0.48 s。分段關(guān)閉閥要求分段關(guān)閉動(dòng)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(kāi)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(dòng)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(shí)大流量要求。插裝閥的閥芯和閥套帶有1個(gè)到4個(gè)節(jié)流窗口，對(duì)分段關(guān)閉閥關(guān)閉時(shí)的慢速要求的節(jié)流精度更加精細(xì)。對(duì)系統(tǒng)的壓力緩沖也起到一定作用。對(duì)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(duì)插裝閥的控制腔的有壓和無(wú)壓控制，插裝閥能快速開(kāi)啟和關(guān)閉，如果對(duì)插裝閥的控制腔的油流變流量控制，可以對(duì)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(kāi)型和常閉型，對(duì)于水電廠工作壓力低的特點(diǎn)，我們已研發(fā)了常開(kāi)型插裝閥的分段關(guān)閉閥，常開(kāi)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(guò)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(jiàn)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(jiàn)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(shí)，彈簧提動(dòng)活塞和插裝閥的閥芯，插裝閥達(dá)到最大開(kāi)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(kāi)度，通過(guò)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(guò)長(zhǎng)，油路信號(hào)的傳遞過(guò)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(guò)程的動(dòng)態(tài)響應(yīng)嚴(yán)重滯后，影響其動(dòng)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(lái)控制電磁閥的動(dòng)作，液壓原理圖和電氣驅(qū)動(dòng)原理圖如圖3，電磁閥控制的分段關(guān)閉閥,采用了常開(kāi)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(jiàn)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(dòng)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(dòng)，油液流過(guò)分段關(guān)閉閥的接力器開(kāi)側(cè)法蘭和插裝閥，同時(shí)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(dòng)插裝閥的閥芯到最大開(kāi)口，油液自由的流到調(diào)速器的開(kāi)側(cè)法蘭回油箱。

當(dāng)接力器向關(guān)側(cè)運(yùn)動(dòng)到拐點(diǎn)時(shí)，拐點(diǎn)接點(diǎn)閉合使分段電磁閥通電，電磁閥換向?；钊纳锨缓徒恿ζ鏖_(kāi)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(kāi)度，通過(guò)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(kāi)關(guān)發(fā)出接點(diǎn)信號(hào)，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(kāi)側(cè)運(yùn)動(dòng)時(shí)，分段關(guān)閉閥開(kāi)側(cè)通壓力油無(wú)論電磁閥是否動(dòng)作，都能開(kāi)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(kāi)關(guān)側(cè)，沒(méi)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(dòng)作迅速，滯后不超過(guò)±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(kāi)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(dòng)作的同時(shí)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(guò)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(dòng)作的可靠性。液壓原理圖見(jiàn)圖5、結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)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(shí)在拐點(diǎn)以前，行程閥A通T，液動(dòng)閥的P通B，A通T,活塞由彈簧提動(dòng)插裝閥的閥芯到最大開(kāi)口度；接力器關(guān)時(shí)到拐點(diǎn)時(shí)，行程閥動(dòng)作的P通A，液動(dòng)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(kāi)度，通過(guò)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(hào)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(guò)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(dòng)時(shí)分段關(guān)閉投入前后的壓力損失，在接力器向開(kāi)啟方向運(yùn)動(dòng)時(shí)的壓力損失有所不同。相對(duì)于常閉插裝閥要克服彈簧力0.5 MPa壓力損失，常開(kāi)型的提動(dòng)彈簧壓力值為0.05 MPa這個(gè)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(dòng)作時(shí)，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(dòng)，如三峽水電廠左岸機(jī)組在接力器關(guān)閉過(guò)程，接力器關(guān)閉腔壓力6 MPa，在甩負(fù)荷瞬間，接力器開(kāi)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(dòng)作后，接力器開(kāi)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(guò)程，由于接力器開(kāi)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(kāi)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(dòng)性和由此帶來(lái)的壓力沖擊問(wèn)題，又能提高位置精度。

2 常開(kāi)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(gè)水電廠得到成功應(yīng)用，如在葛洲壩水電廠一臺(tái)129 MW機(jī)組Φ600直缸搖擺式接力器共4個(gè)，接力器全行程990 mm（對(duì)應(yīng)導(dǎo)葉開(kāi)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(shí)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(shí)間15 s～23 s，分段關(guān)閉閥通過(guò)最大流量為5 165 L/min，第二段關(guān)閉時(shí)分段關(guān)閉閥通過(guò)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(chǎng)做了行程檢查試驗(yàn)和動(dòng)作時(shí)間試驗(yàn)，①行程檢查試驗(yàn)：通過(guò)調(diào)整節(jié)流螺桿、行程開(kāi)關(guān)位置，用自動(dòng)記錄儀記錄接力器關(guān)閉規(guī)律及關(guān)閉時(shí)間；重復(fù)試驗(yàn)3次，測(cè)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(guò)2%的設(shè)計(jì)及規(guī)范要求。②動(dòng)作時(shí)間試驗(yàn)：當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉從25%～0%時(shí)測(cè)量時(shí)間為23 s，要求值為20～30 s，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)動(dòng)作規(guī)律及時(shí)間符合調(diào)保計(jì)算時(shí)間要求。

試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)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(duì)水電廠具有插裝閥技術(shù)分段關(guān)閉閥的研發(fā)，常開(kāi)式插裝閥、插裝閥尾部節(jié)流和對(duì)插裝閥多樣性方式控制的應(yīng)用對(duì)分段關(guān)閉閥的技術(shù)和質(zhì)量有了很大提高，同時(shí)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。