周 衛(wèi), 王 超 凡, 楊 書

(四川足木足河流域水電開發(fā)有限公司,四川 成都 610041)

0 引 言

水電站是以水力發(fā)電為主要目標的重要設施,其設計和運行對于能源生產(chǎn)和地區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定性至關重要。傳統(tǒng)水電站通常采用蝶閥和球閥作為主要的控制閥,這兩類閥在各自的適用范圍內都向高壓力、大尺寸方向發(fā)展,但由于蝶閥的一些性能限制(比如受流體壓力影響較大、閥門尺寸較大等),其在一些特定應用中可能并不是最佳選擇。而對于多泥沙河流、蝸殼進口直徑超過6.0 m、最大水頭超過250.0 m的大容量水輪機,可以優(yōu)先使用筒形閥作為水電站的主控閥。

水輪機筒形閥是一個安裝于活動導葉和固定導葉之間的薄壁筒形結構部件。其主要功能是保護混流式水輪機的導水機構,消除導葉關閉位置因導葉漏水而造成的間隙空蝕損壞和磨損,能在緊急工況下,快速、可靠、安全地切斷水輪機進水,保護水輪發(fā)電機組。隨著技術的發(fā)展和需求的變化,水輪機筒形閥由于其具有自關閉能力、水力損失基本為零、能有效地保護導水機構、防止機組飛逸,且不需專門布設位置,從而具有不占用廠房空間、投資小等諸多優(yōu)勢,被國內、外許多電站選擇使用[1]。

1 項目概況

巴拉水電站位于四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康市日部鄉(xiāng)境內,系大渡河干流水電規(guī)劃“3庫28級”中的主源——腳木足河河段自上而下的第2梯級水電站,上接下爾呷“龍頭”水庫電站,下銜達維梯級水電站。壩址位于日部吊橋上游約10 km,廠址距下游日部吊橋約3.9 km,壩址多年平均流量188 m3/s,最大風速22 m/s。水庫正常蓄水位2 920.00 m,日調節(jié)消落水位2 918.00 m,死水位2 915.00 m,調節(jié)庫容1 627萬m3,具日調節(jié)能力。

電站裝有3臺240 MW水輪發(fā)電機組,水輪機為立軸混流式,水輪發(fā)電機組為半傘式,另有1臺26 MW生態(tài)機組,總裝機容量746 MW,多年平均發(fā)電量25.528/29.914億kW·h(單獨/聯(lián)合)。電站采用混合式開發(fā),主要任務為發(fā)電,同時兼顧下游生態(tài)環(huán)境用水要求,此外,無其他綜合用水要求。電站建成后為四川電網(wǎng)供電。

2 簡形閥的優(yōu)缺點

2.1 筒形閥的優(yōu)點

(1)對運行水頭高,機組尺寸大,壓力鋼管直徑較大,長度很長的大中型機組,不宜布置碟閥和球閥。如果導水機構發(fā)生意外故障需停機,只能投入事故快速閘門,在關閉閘門的過程中仍有高壓水,且壓力鋼管直徑較大,長度很長,有可能使事故擴大,而采用筒形閥后,由于動作靈活,所以能更好地保護機組。

(2)廠房控制尺寸小,不單獨設閥室及閥門專用起吊設備,節(jié)省了土建工程量。配置筒形閥對水輪機外形尺寸增大十分有限。

(3)筒形閥過流部件基本上沒有水力損失 。機組正常運行時,筒形閥的筒體縮入座環(huán)與頂蓋的空腔內,下端面與頂蓋過流面齊平,不會阻礙水流。筒形閥動水關閉時,水流的擾動程度沒有蝶閥和球閥那么嚴重,水輪機的固定和轉動部件所承受的動載荷都較小。

(4)閥體可以分瓣,基本不受運輸條件的限制,尺寸可以做得比較大。

(5)重量相對輕。因為筒形閥的閥腔依托于座 環(huán)與頂蓋,由于結構的需要,座環(huán)、頂蓋等尺寸有些變化,導致水輪機重量略有增加,但也增加了頂蓋與座環(huán)的結構剛度,有利于大型機組的穩(wěn)定性。

(6)筒形閥關閉時,自關閉和油壓裝置提供的 壓力使筒形閥壓緊座環(huán)與頂蓋上的密封橡膠條,保證了密封的可靠性,漏水量極少,從而減少導水葉的漏水量,減少庫容的流失。特別是中高水頭,泥沙含量大的水電站, 活動導葉關閉時, 漏水量較大、水流射速高,極易造成導葉的泥沙磨損與間隙氣蝕,設置了筒形閥可以有效地保護水導葉。

(7)提高了電站運行的靈活性 。筒形閥的投入比事故快速閘門的投入要迅速,也比蝶閥和球閥的投入要簡單。筒形閥可以直接開啟,不需要象球閥、蝶閥那樣要先經(jīng)過旁通閥平壓,所以啟動速度快,一般筒閥啟、閉時間均不超過 60 s[2]。

2.2 筒形閥的缺點

(1)生產(chǎn)廠家的制造難度加大,目前有些零部件尚需進口 ,水輪機的造價也相應增加,筒形閥的價格約占水輪機造價的10%;安裝單位的安裝難度加大,水輪機的安裝時間相應延長。

(2)筒形閥只能當事故閘門用,不能當作檢修閘門,只適用于單管單機的電站。

(3)由于筒體靠近活動導葉,所以當有較長異物(如鋼筋、長形木條)卡住活動導葉時,筒體下落關閉時亦容易卡住筒體,使之不能關閉,從而不能很好地保護機組 。

(4)機組裝置筒形閥后,流道進口是否安裝快速閘門,仍處于探討中,不少水機專家認為安裝筒形閥后,已達到保護機組的目的,剩下流道的保護問題,由水工專業(yè)來考慮,所以是否安裝快速閘門這個問題應由水工決定。若不安裝快速閘門,則設事故檢修閘門是必要的。

(5)目前 ,國家尚無筒形閥的設計、制造和安裝等方面的標準規(guī)范。制造、設計及安裝的經(jīng)驗較少[2]。

3 筒形閥全數(shù)字集成式電液控制系統(tǒng)方案

為了充分發(fā)揮筒形閥在水電站中的性能優(yōu)勢,我們需要一種精細的控制系統(tǒng)來確保其正確和高效的操作。對此,我們提出了三種不同的控制方案,并對其進行了深入的研究和比較。

3.1 方案一:筒形閥全數(shù)字集成式電液控制系統(tǒng)

筒形閥全數(shù)字集成式電液控制系統(tǒng)代表著東方電機廠筒形閥控制技術的先進水平,具有以下顯著優(yōu)點:

(1)數(shù)字缸將原來復雜的速度控制和位置控制,變成了簡單的數(shù)字脈沖控制,簡化了控制系統(tǒng),提高了響應速度、控制精度與同步水平,實現(xiàn)了控制原理簡單化、數(shù)字化。

(2)所有元件裝在接力器內部,抗干擾能力強,大幅提高了系統(tǒng)的安全性和可靠性,實現(xiàn)了集成化。

(3)數(shù)字缸的量化系數(shù)是由設計保證的,他與零部件加工和裝配無關。也就是說,數(shù)字缸提升桿移動位移的精度、誤差由設計決定的,與零部件加工、裝配無關;同時在提升桿移動過程中,沒有累計誤差,實現(xiàn)了液壓數(shù)字化。

(4)安裝方便,每個接力器都可單獨手動機械、電氣調節(jié),有利于安裝、調試、維護,為安裝調平和導向間隙的修磨提供了有力的幫助。

(5)調試容易,幾乎可以做到零調試。

(6)維護簡單,幾乎免維護。

(7)操作運行方便、簡單,實現(xiàn)了操作和維護人性化。

(8)即使系統(tǒng)壓力油源消失,也可保持筒形閥位置長期鎖定不變[3]。

全數(shù)字集成式電液控制系統(tǒng)于2009年7月首次在浙江灘坑電站成功投運,后面陸續(xù)在錦屏一級、溪洛渡右岸、苗尾、黃登等電站成功應用,得到用戶高度贊揚和肯定。但是,全數(shù)字集成式電液控制系統(tǒng)滿足不了與純機械液壓過速保護裝置直接液壓聯(lián)動的需求。為確保該方案在考慮極端掉電情況下的可靠性,本方案擬采取如下方法實現(xiàn)保護:當機組發(fā)生飛逸時,純機械過速保護裝置動作,其動作的電氣信號接入全數(shù)字集成式電液控制系統(tǒng),啟動筒形閥事故關閉功能,保證了筒形閥的可靠關閉。

為了保證全數(shù)字集成式電液控制系統(tǒng)在任何工況下的可靠運行,系統(tǒng)電源采用多重冗余結構。

(1)柜內控制電源(DC24 V),采用雙電源切換模塊,其中一路直流電源來自全廠直流系統(tǒng),經(jīng)電源轉換裝置,形成第1路DC24 V電源;另一路交流電源來自柜體內部的UPS不間斷電源,經(jīng)另一個電源轉換裝置,形成第2路DC24 V電源。2路DC24 V電源互為熱備用,保證了控制電源的可靠性。

(2)液壓控制器電源(AC220 V),外部兩路AC220 V電源通過交流雙電源自動切換裝置+柜內UPS不間斷電源進行供電。其中一路電源來自全廠UPS電源,另一路來自廠用電系統(tǒng)。柜內UPS電源配置有蓄電池,蓄電池容量能保證筒形閥在外供AC220 V電源消失時可靠工作時間≥1 h(連續(xù)開啟、關閉筒形閥10次以上)。能夠保證在任何情況下液壓控制器電源的可靠性。

(3)所有電源裝置(包括蓄電池),均配置有狀態(tài)監(jiān)測,能實時對各路電源狀態(tài)進行監(jiān)視。當出現(xiàn)電源丟失或者故障時,能及時發(fā)出報警,提醒運維人員進行處理。

除了電源采用冗余配置以外,控制系統(tǒng)CPU也采用雙重配置。正常運行時,兩個CPU互為主備,實時同步運行。當其中一路發(fā)生異?；蚬收蠒r,自動無擾地切換到另一個CPU,避免單CPU發(fā)生故障影響筒形閥控制系統(tǒng)功能。因此,全數(shù)字集成式電液控制系統(tǒng)是安全、可靠的,能夠保證各類狀態(tài)下的正常工作,即使在異常狀態(tài)下,筒形閥也可安全、可靠地關閉,如機組過速、全廠失電、單CPU故障,都能確保電站的安全運行[4]。

3.2 方案二:以全數(shù)字集成式電液控制系統(tǒng)為基礎研究開發(fā) 增加機械液壓聯(lián)動功能

在原全數(shù)字集成式筒形閥電液控制系統(tǒng)的基礎上,增加切換閥組、同步馬達組以及掉電關閉閥組等設備。當機械過速保護裝置動作后,機械過速保護裝置的機動閥輸出油由壓力油變?yōu)榻油ɑ赜?經(jīng)過掉電關閉閥組控制切換閥組換向,切換閥組將原數(shù)字缸輸出的油路截斷,同時將接力器的上腔接通壓力油,接力器的下腔接通同步馬達,通過同步馬達回油。由于六個同步馬達同軸機械串聯(lián)在一起,轉速相同,排量相同,可以使六個接力器下腔輸出的油量相同,使接力器同步向下關閉運動[5]。

3.2.1 控制聯(lián)動邏輯

(1)在機械過速保護動作且電源全部故障的情況下,只需應用油壓裝置壓力油箱的液壓油和閥組的自動切換,不需其余的控制命令即可啟動關閉流程,在原系統(tǒng)的基礎上增加了一道保護。

(2)在機械過速保護動作后,掉電關閉閥組可以進行選擇,有電源保證的情況下,仍然應用數(shù)字缸進行關閉,有同步精度保證,僅在機械過速保護動作且電源全部故障的情況下才應用同步馬達關閉。

(3)由于同步馬達僅用于機械過速保護動作后才應用,每次應用前,六個接力器的位置精度有保證,不會因積累誤差造成較大的偏差;(這個方案對于其他公司的同步馬達式筒形閥控制系統(tǒng)在純機械過速保護關閉時的精度要高,但不能保證偏差不超過極限值)

(4)如果電源故障恢復,在關閉過程中,仍能切換回數(shù)字缸關閉模式。

3.2.2 相對于方案一的改動部分

(1)該方案需增加一套掉電保護閥組,六個同步馬達,六套切換閥組,需要增加一定的成本。

(2)掉電保護閥組與同步馬達裝配在一起,布置在機坑壁內部(或外部),安裝空間尺寸約為1 500 mm×500 mm×500 mm。

(3)機坑內部預計需要增加三根DN25控制油管。

3.2.3 本方案潛在風險

(1)純機械液壓聯(lián)動時,沒有精調功能,在關閉的過程中可能發(fā)卡。

(2)純機械液壓聯(lián)動時,如果其中一個數(shù)字缸退出失敗,將導致該數(shù)字缸損壞。

(3)相對于全數(shù)字集成式電液控制系統(tǒng),本方案增加閥組、同步馬達及控制油管路,增加了系統(tǒng)發(fā)生故障的風險點。

(4)本方案需先進行研發(fā),并在廠內驗證后才能應用,需要研發(fā)和試驗周期。

3.3 方案三:以全數(shù)字集成式電液控制系統(tǒng)為基礎研究開發(fā) 通過離合器和鏈條傳動實現(xiàn)機械液壓聯(lián)動功能

運行整套控制方案的主要思路是:在原全數(shù)字集成式電液控制系統(tǒng)的基礎上,在每個接力器的頂部加裝一個鏈輪和鏈條,將數(shù)字液壓缸旋轉軸與鏈輪做同軸連接,六個接力器頂部鏈輪用鏈條串聯(lián)起來,實現(xiàn)機構的同步。當機械過速保護動作時,通過液壓馬達作動力源,主動鏈輪CW07帶動六個鏈輪旋轉,從而使六個數(shù)字缸旋轉軸同步運行,驅動筒形閥關閉。為了保證在正常運行情況下,鏈輪鏈條機構不影響數(shù)字液壓缸的工作狀態(tài),在數(shù)字缸旋轉軸和鏈輪之間加裝一個氣壓離合器。正常狀態(tài)下,離合器分離;當過速保護動作時,離合器吸合。

3.3.1 控制聯(lián)動邏輯

(1)在機械過速保護動作的情況下,只需應用油壓裝置壓力油罐內的液壓油以及電站的低壓氣源,不需其余的控制命令即可啟動筒形閥關閉流程,實現(xiàn)筒形閥控制系統(tǒng)與機械過速保護裝置的液壓聯(lián)動功能。

(2)正常情況下,六個離合器均處于分離狀態(tài)。離合器下端軸隨液壓缸旋轉軸自由旋轉,上端軸靜止,鏈輪和鏈條靜止,此時筒形閥的開啟和關閉操作由PLC控制步進電機來實現(xiàn)。

(3)當機械過速保護裝置動作時,首先通過過速保護裝置的輔助觸點切斷六個步進電機的驅動電源;來自機械過速保護裝置的壓力油通過執(zhí)行機構HA01使機控閥MV01換向,控制氣源同時作用于六個氣壓離合器PC01～PC06,使離合器處于可靠吸合狀態(tài),鏈輪CW01～CW07與液壓缸旋轉軸同步旋轉。同時,來自機械過速保護裝置的壓力油持續(xù)驅動液壓馬達HM01旋轉,液壓馬達HM01帶動主動鏈輪CW07從動鏈輪CW01～CW06同步旋轉,從而使六個接力器同步關閉。

(4)當筒形閥到達全關位置后,若液壓馬達HM01持續(xù)驅動鏈輪旋轉可能導致液壓缸內的機構損壞,造成損失。為了避免這種情況發(fā)生,在液壓馬達輸出軸與鏈輪之間設置扭矩限制器TL01,液壓回路設置電磁閥EV01。當筒形閥到達全關位置后,液壓馬達HM01的輸出扭矩變大,扭矩限制器TL01的主動軸和從動軸脫扣,使動力無法傳到主動鏈輪CW07上,從而使筒形閥停止關閉運動;同時,扭矩限制器TL01或者筒形閥接力器動作后的輔助位置反饋觸點使電磁閥EV01得電切換閥位,切斷來自機械過速保護裝置的壓力油以及控制氣源,從而實現(xiàn)保護功能。

(5)當筒形閥在上述緊急關閉過程中出現(xiàn)卡阻情況,液壓馬達輸出軸的轉矩同樣會增大,扭矩限制器將脫扣,使筒形閥保持在原有位置不動,從而起到保護作用[6]。

3.3.2 相對于方案一的改動部分

(1)該方案需增加一套鏈輪(含鏈條)機構,六個氣動離合器,一個扭矩限制器,一個液壓馬達,一個電磁閥,一個機控閥和一個液壓執(zhí)行器。

(2)主動鏈輪安裝在3、4號接力器之間,與其他六個鏈輪處于同一水平面,液壓馬達、扭矩限制器和主動鏈輪同軸安裝。該部分設備的大致安裝空間尺寸為800 mm×400 mm×400 mm。

(3)機坑內部需增加一根低壓氣源環(huán)管以及到六個氣動離合器的分支氣管。

(4)上述增加的設備導致每臺機組需要增加一定的成本。

3.3.3 方案的潛在風險

(1)本方案需先進行研發(fā),并在廠內試驗驗證后才能應用,需要研發(fā)和試驗周期。

(2)增加的氣動離合器、鏈輪鏈條機構、控制閥以及管路等設備將導致故障風險點增多。

(3)由于鏈輪鏈條的加工精度誤差、鏈輪與鏈條的裝配誤差等因素,可能使接力器的同步關閉精度造成一定的偏差,導致筒形閥關閉一段行程后卡死而不能順利完全關閉。

3.3.4 風險應對策略

(1)當過速保護裝置動作后緊急關閉筒形閥時,若筒形閥出現(xiàn)卡阻情況,扭矩限制器會及時切斷液壓馬達的輸出動力,同時截斷來自機械過速保護裝置的壓力油,保護筒形閥系統(tǒng)。

(2)理論上鏈傳動方案的同步精度相對于油馬達方案要高,運行更加平穩(wěn)。

4 筒形閥全數(shù)字集成式電液控制系統(tǒng)方案的試驗與驗證

為了驗證設計方案正確性,在實驗室和現(xiàn)場都進行了系列的試驗。主要檢測了筒形閥在各種工作條件下的性能,包括啟閉時間、密封性能和閥門穩(wěn)定性,并對三種控制方案的性能進行比較發(fā)現(xiàn),雖然各種方案在某些方面存在一些問題,但總體上都能滿足筒形閥在水電站中的運行要求。

5 結 語

通過對筒形閥和其控制系統(tǒng)的深入研究,得出以下結論:(1)筒形閥確實有很多優(yōu)點,比如結構緊湊、操作平穩(wěn)、密封性好等,適合在特定應用中取代蝶閥;(2)雖然筒形閥的控制系統(tǒng)設計相對復雜,但我們提出的三種控制方案都能有效地解決這個問題;(3)試驗結果也驗證了設計方案的正確性,顯示出筒形閥在水電站中的巨大潛力。

結合巴拉水電站的實際情況,巴拉水電站目前選用的第三個方案,以全數(shù)字集成式電液控制系統(tǒng)為基礎研究開發(fā),通過離合器和鏈條傳動實現(xiàn)機械液壓聯(lián)動功能作為筒形閥的控制系統(tǒng)。這項研究為未來水電站的筒形閥控制系統(tǒng)的選擇提供了重要的參考資料,但還需要在巴拉水電站投運后進一步驗證和完善。