史 千，毛羽波，凌偉華，趙志文

(1. 哈爾濱電機廠有限責任公司，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任公司，浙江 仙居 317300)

前言

在水電站的工程實踐中，由于受水工結構、引水管道、機組轉動慣性等因素的影響，經(jīng)過調節(jié)保證計算，要求導葉在關閉過程中接力器以不同的速率關閉。其關閉特性是，按拐點分成關閉速度不同的兩段（或多段），導葉分段關閉裝置就是用來實現(xiàn)這種特性的[1]。

水輪機水力調節(jié)保證計算的基本任務就是確定機組及電站在大波動時的極值：最大轉速上升βmax和最大壓力上升ξmax。為了限制最大轉速上升和最大壓力上升或協(xié)調二者之間的矛盾，主要有兩種方法：

（1）選擇合適的關閉、開啟時間及 GD2，這是最主要的方法。

（2）其次就是研究最優(yōu)調節(jié)規(guī)律，尤其是關閉規(guī)律[2]。

由此可以看出分段關閉裝置在水電站有著廣泛的應用。

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

1 主要結構形式及工作原理

1.1 組成

分段關閉裝置一般由引導閥、執(zhí)行元件組成。引導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 分段關閉裝置組成

引導閥采用行程換向閥時，應有觸動行程換向閥的操作機構，操作機構與水輪機的接力器動作相關聯(lián)。一般采用凸輪結構或導向板結構，使行程換向閥在設定范圍內動作，進行液壓回路的切換。當引導閥采用電磁換向閥時，由接力器的位置信號來控制電磁換向閥的動作。

導葉接力器采用分段關閉時，應不影響開啟的速率，因此采用行程換向閥時，執(zhí)行機構采用液控節(jié)流閥是不合適的。

1.2 工作原理

水電站實現(xiàn)不同關閉規(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，另一端連接調速器的開啟腔。液壓分段關閉裝置可以呈現(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

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

圖1 液壓分段關閉裝置系統(tǒng)A

圖1所示為接力器處于關閉狀態(tài)時的位置。在接力器關閉過程中，與行程操作機構聯(lián)動。當達到形成控制結構的設定點時，觸動行程換向閥進行換向來切換油路。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，從而實現(xiàn)不同速率的關閉。當機組需要開機時，通過調速器主配壓閥換向，壓力油通過液控單向節(jié)流閥時，不限制液壓油的流速，不影響開機過程。

此種結構的分段關閉裝置由于使用了機械液壓換向操作結構，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)流閥的結構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，會導致分段關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。圖示為分段關閉裝置未投入的狀態(tài)。此種結構優(yōu)點在于安裝十分方便，但是必須由開機或停機狀態(tài)信號和可靠的電源和控制回路來保證其工作的穩(wěn)定性。

當機組停機時，由停機信號、導葉位置控制信號來控制電磁閥b端勵磁線圈。

圖2 液壓分段關閉裝置系統(tǒng)B

2 問題提出及分析

分段關閉裝置節(jié)流閥的節(jié)流位置即拐點位置以及導葉關閉時間直接影響著機組的關閉規(guī)律，關閉規(guī)律的好壞直接關系到機組在甩負荷過程中能否滿足調節(jié)保證計算。而上述兩種主要的結構形式在實際機組運行過程中，均存在延時投入的現(xiàn)象，從而導致實際關閉的拐點數(shù)值與整定值不符，不能滿足設計要求。機組在第一段關閉時，關閉速率較快，且機組在不同負荷下導葉的開度不一致，一般延時大于1s時，無法用設定點提前的方法來完成投入整定值的修訂。

2.1 液控單向節(jié)流閥的結構

水電站分段關閉裝置常用的液控單向節(jié)流閥結構形式如圖3所示。主要由調節(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)流閥結構

當由A腔通入壓力油時，處于不節(jié)流狀態(tài)。當由B腔通入壓力油，A腔通排油時，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)流閥的結構

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A腔通壓力油，B腔通排油時，節(jié)流活塞退出，M和N之間通過C和D形成通路。相反，當D口被節(jié)流活塞封堵后，油路僅能從C口通過，在C口設置節(jié)流裝置，即形成液控節(jié)流閥的結構。

圖4 液控節(jié)流閥結構

2.3 數(shù)學模型

無論是液控單向節(jié)流閥還是液控節(jié)流閥，對節(jié)流起關鍵作用的均為節(jié)流活塞。節(jié)流活塞的投入速度直接影響到兩段關閉裝置的工作質量，如果設計結構有缺陷，設置不能達到正常工作的狀態(tài)。針對以上結構，對液體流動和節(jié)流活塞受力分析簡化如圖5所示。

圖5 節(jié)流活塞液動力

如圖5所示，取陰影部分的液體為控制體。假設節(jié)流活塞作用于控制體的力為F，沿液流方向對控制體列出動量方程（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遠大于V1，可忽略V1，于是上式可簡化為V2cosφ，當F＞0時，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。由此可知在結構設計時，為了消除液壓延時的影響，除了考慮活塞移動時間的影響外，液動力也是不可忽略的因素。

3 建議

為了使兩段關閉裝置正常工作，其拐點位置的穩(wěn)定性尤為關鍵，由以上分析可以得出設計時應注意以下幾點。

3.1 適當增加V2

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

3.2 適當增加d1

在保證流量的前提下，適當增加d1，同樣可以增加使兩段關閉裝置投入的液動力，減小液壓延時的影響。

在實際的設計工作中，應根據(jù)具體結構，在注意以上兩點的情況下進行計算分析。在引導閥流量一定的情況下，控制活塞的操作腔面積和容積也會對兩段關閉裝置的投入產(chǎn)生影響，設計時應引起注意。

4 結論

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

[1]魏守平．現(xiàn)代水輪機調節(jié)技術[M]. 華中科技大學出版社, 2005, 5(6): 185．

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