水輪機調壓閥特殊主配控制替代性方案研究

江 濤，劉 鈺

（武漢安施通電氣有限公司，湖北 武漢430072）

1 概述

水輪機調壓閥是為了在長引水管系統中為取代調壓井而設置的安全泄壓閥組，當機組甩負荷調速器快速關閉的同時，調壓閥迅速開啟，調壓閥作為機組的旁通回路將壓力鋼管中的部分流量不通過機組直接排向下游，在抑制壓力管道壓力上升的同時，也保證了機組轉速上升在允許范圍之內。其特殊的保護要求是：當調壓閥系統出現故障，不能正常開啟時，如果機組導葉機構按正常情況快速關閉，會引起引水管中壓力快速上升，有可能引起災難性后果。本文闡述和對比了傳統特殊主配控制和導葉調壓閥獨立控制的特點，得出了特殊主配在帶調壓閥控制的調速器中無法被獨立控制方式所替代的結論。

2 特殊主配的應用

1974年原水電部在湖南龍源電站啟動了以閥代井的試驗研究并取得成功，其控制模式包括水輪機調壓閥不采用普通調速器和獨立的調壓閥控制系統分別控制，而是采用專用的調速器，專用調速器用同一個液壓功率元件將調壓閥接力器油缸和導葉接力器油缸的液壓串聯起來驅動控制，當調壓閥拒動時由于油路是串聯的，油路自然的被阻塞了，導葉接力器無法通過正常油路關閉只能通過旁路慢速關閉，具備上述功能的液壓功率驅動元件被業界簡稱為“特殊主配”。特殊主配控制方式也成為了全液壓式水輪機調壓閥最通常的控制形式。

特殊主配同時控制著水輪機導葉接力器和水輪機調壓閥接力器油缸的開關，由圖1所示，特殊主配開（主配活塞向上運動）、小波動關閉、大波動關閉，由于不同遮程的油路開口形成不同的油路。特殊主配小波動關閉運動時，導葉接力器油缸控制和水輪機調壓閥油缸控制無關，通過油路節流閥C實現慢速關機。

圖1

特殊主配大波動關機時（活塞大幅度向下運動），導葉接力器油缸關腔和水輪機調壓閥油缸關腔通過特殊主配被串聯起來，實現導葉接力器快關且同時調壓閥接力器快開，當調壓閥拒動時，其驅動油缸無法動作，導葉接力器油缸由于和調壓閥接力器油缸串聯，無法實現常規的快速關閉聯動，導葉接力器只能通過液壓回路節流閥C實現慢速關機。

液壓回路主配的導葉開腔、調壓閥開腔和旁通供油腔上分別設置了不同的節流閥b、a和c，通過設置節流閥a流量小于節流閥c，這樣就可以實現調壓閥拒動時導葉關閉時間大于正常關閉時間，也就是調壓閥拒動時導葉只能慢速關閉，不能快速關閉。這一控制模式在之后的40多年內，一直被業界所廣泛認同和小心翼翼的遵從。

3 導葉和調壓閥接力器獨立控制的替代模式

近年來，調壓閥替代調壓井越來越多被用戶采用，同時擁有較低成本的高油壓調速器亦成為了中小型水電站的首選方案，如何在高油壓下實現帶有調壓閥控制日益受到調速器制造廠家的重視。

常規油壓下普遍使用的滑閥式主配壓閥實現高油壓下的應用遇到的最大難題就是：由于配合間隙加工困難出現泄漏量大，導致接力器飄移而無法使用。而特殊主配的串聯式控制中四閥盤滑閥式結構又無法用標準閥組所實現。

一些廠家提出了替代特殊主配的控制模式，以2套標準工業閥組來分別控制調壓閥和導葉的接力器。這種方案實際上是在常規高油壓調速器液壓基礎上，增設了一套獨立的調壓閥液壓驅動系統，采用純電氣聯鎖保護方式或者以電氣保護和機械液壓這套系統方式檢測調壓閥接力器的位置來避免出現調壓閥卡阻時導葉接力器的快速關閉可能。與特殊主配對調壓閥和導葉接力器所采用的串聯控制方式不同，這些控制方式均采用了調壓閥和導葉接力器并聯控制的形式。

3.1 純電氣聯鎖保護

2套液壓回路之間的保護控制功能由電氣控制實現，模擬特殊主配的保護功能。調壓閥拒動的判斷由設置在調壓閥接力器上的位移傳感器實現，當調壓閥關閉信號發出后一段時間，調壓閥接力器位移反饋值未發生變化，即判斷為調壓閥卡阻拒動，這時候電氣控制導葉接力器慢速關閉。

其控制系統如圖2。以閥b1控制導葉接力器，b2控制調壓閥接力器。b1和b2采用2套不同的電液轉換元件或者電液控制元件，以微機可編程控制器驅動，具體實現上又分為純電氣聯鎖控制和電氣加液壓聯鎖保護控制2大類別。

這一保護措施存在諸多缺陷：首先是當調速器可編程電氣系統故障或者事故停機狀態，緊急停機電磁閥動作直接控制液壓系統而不通過調速器微機控制的情況下，這一功能便無法實現。而這種情況在電站實際運行中并不鮮見。另外，調壓閥拒動判斷時間長且位移傳感器故障等情況均可造成誤判。這也是以閥代井研究之初不采取獨立控制方式的最重要因素。

圖2

3.2 電氣與液壓聯鎖保護

這一保護是在純電氣聯鎖保護基礎上，在調壓閥接力器全關位置處再增設一個液壓行程閥，當調壓閥未開啟時，該行程閥控制下，導葉關閉油路為慢速關閉通路，導葉只能以設定的時間慢速關閉。見圖3。

圖3

這一聯鎖保護模式較純電氣聯鎖方式的可靠性有了一定的提高，在一定程度上避免了電氣故障情況下出現調壓閥卡阻時快速關閉導葉機構可能造成的危險。

這一控制方式的不足在于其可靠性的關鍵完全依靠這只行程閥對于調壓閥接力器是否通過行程閥設置的特定區域的檢測，而調壓閥的拒動并不僅僅是依靠判斷接力器通過設定的某一點區域來識別的，工程實踐中不乏調壓閥開啟不全導致泄流量不足、行程閥安裝缺陷出現檢測死區、以及行程閥檢測所必然帶來的判斷滯后等導致的問題，如果在這種情況下出現調速器電氣系統失效故障，同樣可能導致嚴重后果。盡管這種故障可能性很低，但對于調壓閥這樣一個故障可能導致嚴重后果的設備控制來說，是不應該忽略出現這種事故發生概率的。

4 結論

特殊主配控制方式所采用的串聯控制方式在調壓閥卡阻拒動時，原有液壓回路自然阻塞，正常的導葉快速關閉油路隨之失效。而2套控制元件分別控制導葉和調壓閥的并聯方式，無論如何都沒有解決在沒有外來判斷下實現其中一套元件失效，另一套元件亦自動失效的機制，而“自動失效”機制就是特殊主配可靠性的關鍵點所在。因為外來第三方判斷的故障有可能會導致聯鎖保護的失敗。

調壓閥是在極端情況下引水系統的唯一和最后一道安全保護措施，這道安全保護一旦失效造成機毀人亡的嚴重事故的幾率極大，因此其可靠性應該被上升到最高安全標準，是絕不能以任何降低安全系數的手段來實現。

其他替代方案可靠性對比特殊主配控制方式均降低了保護的可靠性標準，采用替代方案存在諸多隱患，高油壓調速器實現對水輪機調壓閥的控制應該在堅持特殊主配串聯式控制的基本原則下，通過提高加工工藝等手段加以實現。