水電站導葉分段關閉裝置

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，經過調節保證計算，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這種特性的[1]。

水輪機水力調節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）其次就是研究最優調節規律，尤其是關閉規律[2]。

由此可以看出分段關閉裝置在水電站有著廣泛的應用。

實現兩段或三段關閉規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分段關閉。隨著目前微機控制系統的可靠性不斷提高，通過調速器軟件可很容易實現各種不同的機組關閉規律。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、執行元件組成。引導閥可采用行程換向閥或電磁換向閥。執行元件一般為液控單向節流閥或液控節流閥。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。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，執行機構采用液控節流閥是不合適的。

1.2 工作原理

水電站實現不同關閉規律是通過接力器回油節流，控制接力器的回油流量來完成的。分段關閉裝置的執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為系統A和系統B兩種形式。

1.2.1 行程換向閥+液控單向節流閥

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

圖1 液壓分段關閉裝置系統A

圖1所示為接力器處于關閉狀態時的位置。在接力器關閉過程中，與行程操作機構聯動。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。液控單向節流閥的單向閥處于單向工作狀態，回油只能通過節流閥、主配壓閥回到回油箱，從而實現不同速率的關閉。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+液控節流閥

如圖2所示，分段關閉裝置系統B是由電磁換向閥、液控節流閥組成。圖示為分段關閉裝置未投入的狀態。此種結構優點在于安裝十分方便，但是必須由開機或停機狀態信號和可靠的電源和控制回路來保證其工作的穩定性。

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B

2 問題提出及分析

分段關閉裝置節流閥的節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律，關閉規律的好壞直接關系到機組在甩負荷過程中能否滿足調節保證計算。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象，從而導致實際關閉的拐點數值與整定值不符，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 液控單向節流閥的結構

水電站分段關閉裝置常用的液控單向節流閥結構形式如圖3所示。主要由調節螺栓、閥體、控制活塞、節流活塞、彈簧等元件組成。

圖3 液控單向節流閥結構

當由A腔通入壓力油時，處于不節流狀態。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流狀態，如果液流方向相反，處于不節流狀態。

2.2 液控節流閥的結構

如圖4所示，液控節流閥由閥體、節流活塞、端蓋等零件組成。當A腔通壓力油，B腔通排油時，節流活塞退出，M和N之間通過C和D形成通路。相反，當D口被節流活塞封堵后，油路僅能從C口通過，在C口設置節流裝置，即形成液控節流閥的結構。

圖4 液控節流閥結構

2.3 數學模型

無論是液控單向節流閥還是液控節流閥，對節流起關鍵作用的均為節流活塞。節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。針對以上結構，對液體流動和節流活塞受力分析簡化如圖5所示。

圖5 節流活塞液動力

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；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

在保證沒有產生節流的情況下，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品受拐點位置不穩定或液壓延時過大的困擾，通過增加節流活塞位置調節的零件，能夠解決問題。

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

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