保障水電廠安全運(yùn)行的插裝式組合閥研究

楊曉波，李 娜，張治宇，逯鵬成，龐鵬飛

（1. 江西省界牌航電樞紐管理處，江西 鷹潭 335001；2.北京中水科水電科技開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100038）

油壓裝置作為水電廠液壓操作系統(tǒng)不可或缺的動(dòng)力設(shè)備，可以為水輪發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)、進(jìn)水球閥、蝶閥以及其它需要壓力油作為能源的設(shè)備提供壓力油源。為保證油壓系統(tǒng)運(yùn)行可靠，通常每套油壓裝置均配備2臺(tái)油泵，1臺(tái)為工作油泵，另1臺(tái)為備用油泵，二者定期輪換。組合閥位于油泵附近，是集逆止、卸載、安全、卸荷等功能于一體的設(shè)備，不僅可以穩(wěn)定壓力油罐的油壓，而且具有保護(hù)油泵、電機(jī)和壓力油罐安全運(yùn)行的作用。為防止壓力過(guò)高，組合閥通常需設(shè)定兩個(gè)壓力等級(jí)，即卸荷壓力和安全壓力，而目前傳統(tǒng)的組合閥通常只有安全閥，只設(shè)定一個(gè)安全壓力，因此對(duì)于三峽水電廠和向家壩水電廠這樣壓力油罐容積較大的項(xiàng)目，傳統(tǒng)組合閥難以滿足高壓、大流量的要求。

1 插裝式組合閥的特性

1.1 組合閥工作流程

當(dāng)油壓達(dá)到最大工作油壓時(shí)，卸荷閥開(kāi)啟將油泵輸出的油排入回油箱，當(dāng)油壓達(dá)到卸荷閥整定值的110%以上時(shí)，安全閥開(kāi)啟，將油泵輸出的油排入回油箱，安全閥的容量應(yīng)能達(dá)到油泵輸送的總油量。應(yīng)提供必需的手動(dòng)操作閥，以便任意1臺(tái)油泵與油壓系統(tǒng)可分開(kāi)檢修。此外，為使油泵平穩(wěn)啟動(dòng)，應(yīng)設(shè)置一臺(tái)啟動(dòng)減載閥，在油泵剛啟動(dòng)時(shí)，液壓油經(jīng)過(guò)此閥排入回油箱，當(dāng)油壓建立起來(lái)后，自動(dòng)關(guān)閉此閥，油泵正常工作[1]。

1.2 插裝式組合閥的技術(shù)特性

插裝式組合閥由液壓二通插裝閥構(gòu)成，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)到20 000 L/min，滿足水電廠壓力油罐充油需要大流量的要求。插裝閥的閥芯和閥套帶有1～4個(gè)節(jié)流窗口，不僅對(duì)組合閥慢速關(guān)閉的節(jié)流精度更加精細(xì)，對(duì)系統(tǒng)的壓力緩沖也可以起到一定作用。

對(duì)插裝閥控制腔油流的控制可實(shí)現(xiàn)閥芯關(guān)閉的多樣性。如用液動(dòng)換向閥或電磁閥對(duì)插裝閥控制腔的有壓和無(wú)壓控制，插裝閥能做到快速開(kāi)啟和關(guān)閉；如果對(duì)插裝閥控制腔的油流變流量控制，可以實(shí)現(xiàn)插裝閥的閥芯變速，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，針對(duì)水電廠工作壓力低的特點(diǎn)，我們已研發(fā)了常開(kāi)型插裝閥的組合閥，常開(kāi)型插裝閥液流流經(jīng)插裝閥無(wú)需克服彈簧力，從而可降低系統(tǒng)壓力損失。目前大多數(shù)水電廠都將組合閥布置于油泵附近，裝在管道上。具有安全閥和逆止閥功能的插裝閥方便地集成在一個(gè)閥體中，可減少安裝管道，互換性好，便于維修[2]。

2 插裝式組合閥的類型

二通插裝閥式組合閥具有電加載和機(jī)械式延時(shí)加載兩種方式。

2.1 電加載插裝式組合閥

電加載插裝式組合閥由2個(gè)插裝閥、3個(gè)先導(dǎo)閥、閥體及法蘭構(gòu)成。它包含了逆止閥、卸載閥、安全閥和電加載閥的功能。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電加載插裝式組合閥結(jié)構(gòu)圖

組合閥設(shè)有3個(gè)油口，分別為與泵相連的油口P、與壓力罐相連的油口P1以及與回油箱相連的回油口T。 如圖2電加載插裝式組合閥工作原理圖中，2個(gè)插裝閥（1個(gè)調(diào)壓閥和1個(gè)逆止閥）及3個(gè)先導(dǎo)閥的表示符號(hào)為：CV1—調(diào)壓閥、CV2—逆止閥、YV1—卸載閥先導(dǎo)控制、YV2—安全閥先導(dǎo)控制、YV3—加載電磁閥[3-4]。

圖2 電加載插裝式組合閥工作原理圖

2.1.1 加載電磁閥（簡(jiǎn)稱加載閥）

加載電磁閥是將泵從卸荷狀態(tài)帶上負(fù)載的電磁閥。由于大功率螺桿泵的電動(dòng)機(jī)慣量大，所以從啟動(dòng)到穩(wěn)定狀態(tài)需要一定的時(shí)間。如果在螺桿泵達(dá)到額定流量之前帶上負(fù)載，則對(duì)螺桿泵、液壓系統(tǒng)均十分不利。采用加載電磁閥可以使螺桿泵啟動(dòng)時(shí)處于卸荷狀態(tài)，直到電動(dòng)機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，才使螺桿泵輸出額定工作壓力和流量的壓力油。油泵啟動(dòng)時(shí)，由于P1的作用，逆止閥CV2處于關(guān)閉狀態(tài)。調(diào)壓閥CV1上腔通過(guò)電磁加載閥與回油相同，處于導(dǎo)通狀態(tài)，油泵流過(guò)的油通過(guò)CV1油口回到回油箱。當(dāng)電磁閥YV3通電，調(diào)壓閥CV1上腔通與回油關(guān)閉。此時(shí)壓力油進(jìn)入CV1控制腔，使CV1關(guān)閉。從而P口壓力把止回閥打開(kāi)，向壓力罐供油。當(dāng)停泵后，卸載閥又恢復(fù)起始狀態(tài)。

2.1.2 安全閥

安全閥是為保證壓力罐內(nèi)油壓不超過(guò)允許值而設(shè)置的泄放裝置，以防止螺桿泵與壓力罐過(guò)載，并保護(hù)其安全。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，螺桿泵仍然運(yùn)轉(zhuǎn)，油壓繼續(xù)升高，當(dāng)壓力作用于先導(dǎo)控制閥YV2的推力大于整定彈簧力時(shí)，則YV2動(dòng)作，使CV1控制的油排泄。此時(shí)，在P口壓力作用下調(diào)壓閥CV1被推開(kāi)，使油泵的油液回到回油箱，壓力罐及螺桿泵都能保持在額定的壓力下工作。

2.1.3 卸荷閥

卸荷閥由卸荷先導(dǎo)閥YV2與主閥CV1組成。它是為螺桿泵作連續(xù)運(yùn)行而設(shè)置的。螺桿泵采用連續(xù)工作時(shí)，壓力罐內(nèi)的壓力隨流量而變化，當(dāng)輸入流量大于輸出流量時(shí)，壓力隨之升高：當(dāng)壓力高于工作壓力上限時(shí)，卸荷先導(dǎo)控制閥YV3控制腔壓力克服彈簧力而動(dòng)作，CV1控制腔泄油，使CV1活塞被推開(kāi)，使油泵的油液回到回油箱，逆止閥CV2處于關(guān)閉狀態(tài)，使螺桿泵在低壓下工作。隨著系統(tǒng)的消耗，壓力罐內(nèi)油壓逐漸降低，當(dāng)壓力罐的壓力達(dá)到工作油壓下限時(shí)，卸荷先導(dǎo)閥YV3在彈簧力作用下關(guān)閉。CV1控制腔隨著建壓而關(guān)閉調(diào)壓閥，螺桿泵恢復(fù)向壓力罐供油。安全閥和卸荷閥動(dòng)作壓力，可以分別通過(guò)YV2、YV3的彈簧預(yù)緊力來(lái)調(diào)整。

2.1.4 逆止閥

在壓力油通往系統(tǒng)前設(shè)有一逆止閥CV2。由于P1壓力的作用，逆止閥處于關(guān)閉狀態(tài)。油泵啟動(dòng)后，經(jīng)卸載閥YV1的卸載作用，直到主閥CV1關(guān)閉，P口的壓力上升到一定壓力克服逆止閥背壓，打開(kāi)逆止閥向壓力罐充油。

2.1.5 電加載組合閥對(duì)控制電源的要求

（1）廠用交流電源：～220 V±10%，50 Hz，≤1 000 VA；廠用直流電源：220 V±10%，≤100 W；

（2）電加載組合閥使用的開(kāi)關(guān)電源：輸入電壓AC 85～264 V，輸出電壓DC 24 V。

2.2 機(jī)械加載插裝式組合閥

機(jī)械加載插裝式組合閥由2個(gè)插裝閥、2個(gè)先導(dǎo)閥、機(jī)械式延時(shí)加載閥、閥體和法蘭構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 機(jī)械加載插裝式組合閥結(jié)構(gòu)圖

圖4 機(jī)械加載插裝式組合閥工作原理圖

如圖4機(jī)械加載插裝式組合閥工作原理圖所示，當(dāng)油泵啟動(dòng)后，泵打出的油經(jīng)過(guò)安全閥排回油箱，當(dāng)油泵啟動(dòng)3～5 s后，機(jī)械式延時(shí)加載閥YV1加載，插裝式主閥CV1閉合，油流經(jīng)逆止閥CV2打入油罐直到工作壓力達(dá)到安全閥設(shè)定的壓力值。

如金沙峽水電廠壓油罐容積2.5 m3，工作壓力4.0 MPa，最大使用壓力4.4 MPa，泵流量3 L/s，安全閥要求4.2 MPa完全排空。針對(duì)上述要求，改造時(shí)采用二通插裝閥式組合閥，將力士樂(lè)DN32系列插裝閥作為安全閥和逆止閥，設(shè)定最大壓力為4.2 MPa，機(jī)械式延時(shí)加載閥3 s后油泵帶壓工作，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)當(dāng)油壓高于工作壓力4.2 MPa時(shí)，安全閥完全開(kāi)啟，且壓力油罐中的壓力不再升高，滿足金沙峽水電廠的改造要求。

3 插裝式組合閥的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

3.1 減小油泵供油時(shí)的震動(dòng)

油泵在向壓力罐供油過(guò)程中，由于油流速度和壓力的變化會(huì)引起震動(dòng)。插裝式組合閥的逆止閥采用插裝閥，插裝閥的閥芯和閥套帶有1～4個(gè)節(jié)流窗口，對(duì)組合閥慢速關(guān)閉的節(jié)流精度更加精細(xì)，對(duì)流速可以起到緩變作用。另外通過(guò)對(duì)插裝閥控制腔油流的控制，可實(shí)現(xiàn)閥芯關(guān)閉速度的變化，減小壓力劇變，系統(tǒng)的震動(dòng)自然就消除了。

如廣西紅花水電廠采用插裝式組合閥后，在該廠50 m多超長(zhǎng)操作油管且無(wú)特殊加固管卡的工作條件下，設(shè)備依然工作平穩(wěn)，回油箱和油管路系統(tǒng)無(wú)任何明顯沖擊或震動(dòng)，顯著降低了廠房?jī)?nèi)的噪音。

3.2 保護(hù)油泵

對(duì)于普通的油泵安全閥和逆止閥，當(dāng)油泵啟動(dòng)供油時(shí)，油壓急速上升至工作油壓，產(chǎn)生的壓力沖擊將破壞油泵密封，降低其使用壽命，而插裝式組合閥則可以通過(guò)延緩建壓時(shí)間來(lái)有效減小壓力沖擊，從而保護(hù)油泵。

3.3 保護(hù)電機(jī)

3.3.1 有效防止電機(jī)反轉(zhuǎn)

當(dāng)油罐壓力達(dá)到工作壓力時(shí)，加載閥斷電，油泵卸載，油泵油流排入回油箱，3～5 s后油泵停止運(yùn)行，由于插裝閥的閥芯和閥套之間為錐面密封，動(dòng)作快速，開(kāi)啟壓力設(shè)定為0.4 MPa，可保證逆止閥可靠關(guān)閉，有效防止壓力罐油液倒流，從而保證電機(jī)不會(huì)反轉(zhuǎn)。

3.3.2 有效減小電機(jī)啟動(dòng)電流

不論是電加載插裝式組合閥，還是機(jī)械加載插裝式組合閥，均有延時(shí)加載的功能，因而可以延緩油泵的建壓時(shí)間，當(dāng)電機(jī)在無(wú)負(fù)載的情況下從零轉(zhuǎn)速運(yùn)行到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，可以降低壓力沖擊，從而有效減小電機(jī)啟動(dòng)電流。如竹篙灘水電站壓油罐容積2.5 m3，工作壓力4.0 MPa，最大使用壓力4.4 MPa，泵流量6 L/s，改造前啟動(dòng)電流為79 A，當(dāng)采用插裝式組合閥后，電機(jī)啟動(dòng)電流減小至63 A。

3.4 保證壓力油罐安全運(yùn)行

根據(jù)GB/T 9652.2-2019《水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)試驗(yàn)》中第6.3.2.1條的規(guī)定，調(diào)整安全閥的調(diào)節(jié)螺栓，使油壓高于工作油壓上限2%時(shí)，安全閥開(kāi)始排油，油壓高于工作油壓上限的10%以前，安全閥應(yīng)全部開(kāi)啟，且壓力油罐中油壓不再升高[5]。

目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)壓力油罐設(shè)計(jì)壓力均為工作油壓上限的10%，在實(shí)際使用時(shí)出于對(duì)安全的考慮，在油壓高于工作壓力上限5%～8%以前安全閥應(yīng)全部開(kāi)啟，高于GB/T 9652.2-2019的要求，無(wú)疑對(duì)組合閥的性能提出了更高要求，插裝閥式組合閥則以其動(dòng)作迅速、壓力調(diào)節(jié)靈敏穩(wěn)定的特性可完全滿足這一要求。

如甘肅蓮麓水電廠壓油罐容積1.6 m3，工作壓力4.0 MPa，最大使用壓力4.4 MPa，泵流量3 L/s，安全閥要求4.2 MPa完全開(kāi)啟。改造時(shí)采用二通插裝閥式組合閥，將力士樂(lè)DN32系列插裝閥作為安全和逆止閥，設(shè)定最大壓力為4.2 MPa，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)當(dāng)油壓高于工作油壓4.2 MPa時(shí)，安全閥完全開(kāi)啟，壓力油罐中的壓力不再升高，滿足水電廠對(duì)壓力油罐安全運(yùn)行的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)插裝式組合閥特性、結(jié)構(gòu)、工作原理、技術(shù)優(yōu)勢(shì)以及實(shí)際應(yīng)用案例的詳細(xì)闡述，分析得出插裝閥式組合閥不僅可以滿足水電廠壓力油罐大流量快速充油和平穩(wěn)建壓的要求，同時(shí)也可以保證壓力油罐、油泵電機(jī)組以及調(diào)速系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，從而保障整個(gè)電廠的安全平穩(wěn)運(yùn)行。