水輪機調(diào)速器主配壓閥結(jié)構(gòu)分析與特點論述

，，(東方電機控制設(shè)備有限公司,四川 德陽 618000)

0 引 言

調(diào)速器是水輪發(fā)電機組中的重要控制設(shè)備，主配壓閥是調(diào)速器的最核心部件之一，其性能和可靠性直接關(guān)系到電能質(zhì)量和機組的可靠運行；因此選擇一款性能優(yōu)秀的主配壓閥十分重要。然而因為機組的大小不同、類型不同、保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同、電站維護水平不同等因素，對主配壓閥的要求不能一概而論，合理分析電站需求、選擇合適的設(shè)備才能發(fā)揮出最大的效能。

1 主配壓閥原理

主配壓閥是調(diào)速器機械液壓系統(tǒng)中的功率級放大器，液壓原理是1只超大型O型機能的三位四通伺服換向閥，結(jié)構(gòu)上它是1只四邊滑閥，閥芯的伺服換向控制著接力器開/關(guān)操作或保持某一位置不動，如圖1所示。當(dāng)閥芯在中間位置時，換向閥的P、T、A、B油口各自封閉，使接力器能夠穩(wěn)定在某一位置[1]。

圖1 主配壓閥原理

為使接力器快速達到并穩(wěn)定在指定位置，主配壓閥需要有良好動態(tài)響應(yīng)性能、回中性能和一定的中位密封性能。根據(jù)控制原理不同，需要采用不同的方式保證活塞快速準(zhǔn)確動作和回中；中位密封性能主要是通過合理設(shè)計閥芯與閥套(或殼體)之間的徑向間隙和一定的軸向搭疊量來實現(xiàn)的，搭疊量的設(shè)計需要兼顧快速響應(yīng)性能和密封性能，徑向間隙也要保證活塞能夠自由靈活運動。

主配壓閥活塞(閥芯)的伺服運動都是由液壓力來推動的，一般采用單腔控制，原理與單作用液壓缸類似，即一端作為控制腔，另一端采用恒壓腔或者彈簧提供閥芯復(fù)位的推力，控制油的液壓作用力通過輔助接力器或者活塞作用于主配壓閥活塞，推動活塞運動。主配壓閥活塞也有采用雙腔控制的，如南瑞的ZFL系列主配壓閥。

2 主配壓閥結(jié)構(gòu)

2.1 主配壓閥殼體

主配壓閥一般由殼體、襯套、活塞3個主要部件。殼體作為主體件，是整個閥體的流道和對外接口，一般采用鑄件或者鍛件制造，鑄件流道特性好，可用于較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，價格合理，廣泛應(yīng)用于各大廠家的調(diào)速器產(chǎn)品。

2.2 主配壓閥襯套

主配壓閥襯套采用高合金鋼鍛造后加工，經(jīng)熱處理后表面主配壓閥滲氮，與活塞配合的內(nèi)圓面經(jīng)過磨削加工，具有很高的加工精度、表面硬度和良好的耐磨性能。襯套是空心回轉(zhuǎn)體零件，可以方便地在徑向加工出各種大小的窗口，使主配壓閥取得與電站的接力器容量相匹配動態(tài)特性；通過改變開孔形狀，可以調(diào)節(jié)流量增益，使主配壓閥更好地適應(yīng)微調(diào)和大波動調(diào)節(jié)等不同工況。襯套的窗口端面經(jīng)過磨削加工，可以精確控制襯套與活塞的搭疊量，提高調(diào)節(jié)性能。在襯套和殼體之間設(shè)置了徑向密封，實現(xiàn)主配壓閥各腔液壓隔離。

2.3 主配壓閥活塞

活塞是主配壓閥的運動部件，一般采用優(yōu)碳鋼鍛造后加工，經(jīng)調(diào)質(zhì)、表面淬火后精磨，具有很高的加工精度、較高的表面硬度和優(yōu)良的綜合機械性能。作為較大的伺服運動件，活塞需要有較高的加工圓度、同軸度以及裝配同軸度。由于活塞的伺服運動特性，活塞各腔之間都采用間隙密封，通過漏油孔將最端部的漏油接到油箱，因此多數(shù)主配壓閥上都設(shè)置了漏油口。

2.4 無襯套結(jié)構(gòu)主配壓閥

在20世紀(jì)90年代，也出現(xiàn)了一些取消了襯套的主配壓閥，由閥芯和殼體直接相配合。無襯套結(jié)構(gòu)的主配壓閥徑向尺寸減小，能夠減少活塞與襯套之間的壓力損失。殼體加工難度加大，也難以獲得與襯套同樣的性能。

2.5 主配壓閥附件

主配壓閥主要任務(wù)是功率放大，接受先導(dǎo)控制信號完成開機、運行、停機、緊急停機等功能。為了滿足調(diào)節(jié)需要還配置了開/關(guān)機時間調(diào)整及鎖緊、閥芯位置傳感器、主配壓閥不動接點、中位調(diào)整裝置等構(gòu)件，這些構(gòu)件集中布置在主配壓閥端部的狹小空間，合理的設(shè)計對裝配、安裝、維護、檢修十分重要。

3 主配壓閥分類

3.1 按布置型式分類

根據(jù)主配壓閥布置型式可以分為立式和臥式。立式主配壓閥因活塞徑向受力平衡，拆裝方便而應(yīng)用廣泛，市場上除GE公司FC閥外多采用立式結(jié)構(gòu)。圖2為FC臥式主配壓閥結(jié)構(gòu)圖，這種臥式主閥殼體采用鑄件結(jié)構(gòu)，對外主要油口都分布在主配壓閥殼體底部，采用支撐式安裝，主配壓閥在支撐面以上，管路部分隱藏在支撐面以下；主配壓閥上的開關(guān)機時間整定、主配壓閥位移傳感器等機構(gòu)布置在閥體兩端，空間相對寬松，日常維護/調(diào)整較方便。

圖2 GE公司 FC臥式主配壓閥

3.2 按活塞結(jié)構(gòu)分類

根據(jù)四邊滑閥閥芯的工作邊分布可把主配壓閥活塞分為兩閥盤結(jié)構(gòu)和三閥盤結(jié)構(gòu)，兩閥盤結(jié)構(gòu)主配壓閥的4個工作邊分布在主配壓閥活塞的2個閥盤上；相應(yīng)的三閥盤結(jié)構(gòu)主配壓閥的4個工作邊分布在3個閥盤上，包括中間與壓力油口相對的中間閥盤的2個工作邊和靠近中間閥盤的另2個工作邊。兩閥盤結(jié)構(gòu)因為布置緊湊、主配壓閥軸向尺寸小、閥芯運動部件重量輕、運動靈活響應(yīng)速度快而受到青睞，市場上絕大多數(shù)主配壓閥都屬于兩閥盤結(jié)構(gòu)；三閥盤結(jié)構(gòu)也應(yīng)用在Alstom DN 80及更小的主配壓閥上。

3.3 按活塞控制原理分類

根據(jù)閥芯液壓伺服控制原理以及回中方式可以分為電控回中、液壓反饋回中、彈簧對中、定中缸對中等，各種對中形式結(jié)構(gòu)差異較大，配置不盡相同，也形成了不同主配壓閥的功能和性能的差異，下面將具體展開分析。

4 幾種控制原理的主配壓閥

4.1 電控回中主配壓閥

電控回中控制采用電氣柜的控制信號，通過電液轉(zhuǎn)換器精確控制主配壓閥位置，這種控制方式采集主配壓閥位移信號并參與控制，對主配壓閥活塞進行閉環(huán)位置伺服控制，主配壓閥的開啟/關(guān)閉/回中都由電氣控制，典型原理圖如圖3所示。這種控制方式用于Andritz、Alstom(圖4左)、GE、東方電機(圖4中)和南瑞等公司的MDV系列主配壓閥。

圖3 典型電控回中原理

這種控制方式的特點是：主配壓閥關(guān)閉方向加載恒壓液壓力，控制腔的壓力作用面積大于恒壓腔的面積，通過電液轉(zhuǎn)換器改變控制腔的液壓油體積來控制主配壓閥活塞的伺服運動，活塞的回中依賴于電液轉(zhuǎn)換器和電氣控制，主配壓閥活塞的控制精度高，動態(tài)響應(yīng)性能好。

HGS-H型主配壓閥除采用全自動控制外，還可嵌入液壓反饋復(fù)中裝置——流量反饋閥以實現(xiàn)主配壓閥在手動操作時液壓復(fù)中，與一般液壓反饋復(fù)中型主配壓閥不同，這種流量反饋閥閥芯采用了液壓復(fù)位，簡化了機械結(jié)構(gòu)，可靠性得到了提高。

進口的主配壓閥一般沒有考慮純手動操作功能和掉電復(fù)中功能，在這方面中國處在了領(lǐng)先水平。也可以通過機械結(jié)構(gòu)將進口主配壓閥的活塞位移引出外設(shè)液壓反饋實現(xiàn)自復(fù)中，但流量反饋閥的管路無法通過鉆孔方式隱藏在主配壓閥之中，外部管路復(fù)雜。

電氣復(fù)中的主配壓閥當(dāng)電氣控制故障時，活塞的動作規(guī)律交由先導(dǎo)液壓控制邏輯進行決策，可以切換至純手動控制使主配壓閥復(fù)中，也可以將主配壓閥控制腔接通回油使主配壓閥關(guān)閉。

4.2 液壓反饋復(fù)中主配壓閥

液壓反饋復(fù)中式主配壓閥也采用單腔控制，一側(cè)通過彈簧或者恒壓加載使主配壓閥活塞保持關(guān)閉方向的作用力，一個調(diào)節(jié)任務(wù)將要完成時，電氣控制停止輸出，主配壓閥活塞在流量反饋閥(也稱引導(dǎo)閥)作用下回復(fù)到中間位置。流量反饋閥是一個兩位三通伺服換向閥，一般地，流量反饋閥的襯套隨著主配壓閥活塞一起運動，將主配壓閥活塞的位移等量地傳遞到反饋閥上。當(dāng)閥芯固定不動時，反饋閥輸出一個控制主配壓閥活塞與當(dāng)前運動方向相反的流量信號到控制腔，驅(qū)動主配壓閥活塞回向中間位置。

這種結(jié)構(gòu)的主配壓閥有兩種控制方式：一種是將電氣控制信號轉(zhuǎn)換成液壓流量直接輸入到主配壓閥的控制腔，反饋閥芯固定不動，如圖4右所示，屬于流量輸入型，這種控制方式的的電液轉(zhuǎn)換元件多采用比例閥，代表性的產(chǎn)品有能事達、長控、三聯(lián)等；另一種控制方式是將電氣控制信號轉(zhuǎn)換成位移信號加載在流量反饋閥的閥芯上，閥芯具有復(fù)中功能，一個調(diào)節(jié)任務(wù)將要完成時，閥芯復(fù)中驅(qū)動主配壓閥活塞復(fù)中，這種方式常用于能事達、長控、三聯(lián)步進/伺服電機型主配壓閥，如圖5所示。

圖5 主配壓閥的位移輸入

電機輸出的角位移信號經(jīng)過滾珠絲杠轉(zhuǎn)換成直線位移信號連接到反饋閥閥芯，在絲杠的螺母與反饋閥閥芯之間設(shè)置了彈簧復(fù)中機構(gòu)，復(fù)中機構(gòu)由復(fù)位彈簧、兩端的彈簧座、彈簧座限位裝置等組成。復(fù)位彈簧通過兩端的彈簧座將螺母始終推向中間位置，只有當(dāng)施加外部控制的時候螺母才會偏離中位。螺母、引導(dǎo)閥閥芯、主配壓閥活塞，它們通過機械結(jié)構(gòu)耦合在一起，實現(xiàn)自復(fù)中[2]。

這種主配壓閥的特點是：復(fù)中與外部控制信號不相關(guān)，流量反饋閥始終加載在主配壓閥活塞的控制腔，當(dāng)外部控制信號消失，自動實現(xiàn)復(fù)中；反饋閥是主配壓閥活塞伺服運動的關(guān)鍵元件，參與伺服控制。主配壓閥的動態(tài)性能與外部輸入與反饋流量耦合程度相關(guān)。

4.3 彈簧對中主配壓閥

彈簧對中主配壓閥兩端都裝有對中彈簧，彈簧力通過彈簧座作用于主閥活塞上，在主配壓閥襯套上設(shè)有彈簧座限位裝置，在沒有外部控制輸入時，彈簧推動彈簧座壓緊在限位止口，使活塞復(fù)位到中間位置。這種結(jié)構(gòu)見于南瑞ZFL系列主配壓閥，它采用雙腔控制，比例閥兩個輸出口分別與活塞兩端的控制腔相連，緊急停機時需要有壓力油通向關(guān)機側(cè)控制腔，推動活塞到關(guān)閉位置。在主配壓閥的頂部，設(shè)置了一根與主配壓閥活塞相連的伸出桿，用于主配壓閥的位移輸出以及開關(guān)機時間調(diào)整。

彈簧復(fù)中型主配采用了機械定位，手動操作時，與液壓對中一樣有較高的定位精度，中位不漂移，容易實現(xiàn)較精確的手動控制；但彈簧相對液壓的操作力較小，主配壓閥更容易出現(xiàn)卡阻。自動工況下，彈簧對中采用比例閥雙腔控制，設(shè)置有主配壓閥位移傳感器，有很高的定位精度和相應(yīng)速度，但復(fù)位彈簧始終會給主閥活塞施加一個與控制方向相反的阻力，將主配壓閥推向中間位置。

圖6 ZFL型主配壓閥

圖7 MDV型主配壓閥原理

4.4 定中缸對中主配壓閥

定中缸結(jié)構(gòu)主配壓閥采用單腔液壓控制，電液轉(zhuǎn)換器采用比例閥，另一腔通恒壓油，自動工況下由電氣控制自動回中，定中缸僅用于手動控制。手動工況下，控制腔接通回油，恒壓腔液壓力將主配壓閥推向關(guān)機一側(cè)，定中缸活塞伸出限制主閥活塞行程，使活塞停留在中間位置。當(dāng)需要關(guān)閉操作時，收回定中缸活塞，開啟時向主閥控制腔通壓力油，開啟結(jié)束又接通回油。 該結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了主配壓閥復(fù)中，能夠完成手動控制功能，但在開啟、復(fù)中、關(guān)閉過程中，對控制腔和定中缸之間來回切換操作，比較復(fù)雜，不利于實現(xiàn)較為精確的純手動控制。

5 國產(chǎn)主配壓閥現(xiàn)狀

目前中國在主配壓閥選材、加工、熱處理上面具有十分成熟的技術(shù)和豐富的應(yīng)用經(jīng)驗，擁有一批較為成熟的產(chǎn)品，主配壓閥通徑系列涵蓋了從DN50至DN250各種大小，壓力等級適用于2.5～6.3 MPa，能夠滿足各大、中、小型水輪發(fā)電機組的控制[3]。

由于市場方面原因，國產(chǎn)主配壓閥質(zhì)量參差不齊，但從巨型水電機組上應(yīng)用的產(chǎn)品來進行技術(shù)比較，國產(chǎn)主配壓閥的活塞、襯套、引導(dǎo)閥等關(guān)鍵部件在選材、熱處理、加工精度、使用壽命等方面與國外同類產(chǎn)品相當(dāng)甚至更高，在殼體鑄造工藝和流道設(shè)計上較進口產(chǎn)品還有一些差距，但對使用性能幾乎沒有影響。功能上國內(nèi)主配壓閥擁有集成的流量反饋裝置可用于主配壓閥掉電復(fù)中和手動控制，領(lǐng)先于國外產(chǎn)品；此外國產(chǎn)主配壓閥具有齊全的功能附件，布置合理，便于操作。

應(yīng)當(dāng)注意，目前掉電復(fù)中型主配壓閥應(yīng)用越來越多，需要指出的是掉電復(fù)中必須結(jié)合電站的保護系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，保證極端故障失電時機組能夠可靠停機。

6 結(jié) 語

通過對各種主配壓閥結(jié)構(gòu)和原理的了解，用戶可以從安全性、控制性能、可靠性等方面結(jié)合電站自身情況進行分析，選擇合適的主配壓閥和控制邏輯，提高水輪機調(diào)節(jié)水平，保證水輪發(fā)電機組長期安全、可靠運行。

[1] 李壯云.液壓元件與系統(tǒng)(第二版)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[2] 魏守平.現(xiàn)代水輪機調(diào)節(jié)技術(shù) [M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2002.

[3] 吳應(yīng)文，余志強，王麗娟.我國大型水輪機調(diào)速器主配壓閥 [C].中國水電控制設(shè)備論文集，2009:222-231.