常開型插裝閥在水電廠分段關閉閥中的應用

張治宇，李 娜

（中國水利水電科學研究院，北京 100038）

當水力發電機組帶基本負荷從電網脫離后，發電機轉速會升高，導葉接力器（油缸）快速關閉進水導葉環，降低轉速，但引起蝸殼水壓和引水管道水壓升高，水壓過高會產生管道振動破裂等安全事故，因此水輪機調節保證采用導葉接力器的兩段關閉規律即導葉接力器從全開快速關到某個位置，然后再降速到全關，分段關閉閥是實現這種特性的裝置，是調速系統重要元件，在水力發電廠安裝的分段關閉閥有多種類型，性能各有不同。隨著現代液壓技術尤其是插裝技術在水電廠的應用，我們研發了插裝閥式分段關閉閥，對分段關閉閥的性能有了很大提高，在多個水電廠得到成功的應用。

1 采用二通插裝閥的分段關閉閥

1.1 分段關閉閥滿足導葉快速關閉的通流量

由于水力發電廠功率和水頭不同，工作壓力較低一般2.5 MPa到6.3 MPa, 對應的每臺機組接力器的容積不同，有的接力器的容積超大，導葉接力器關閉快，關閉時間秒級，快速關閉時的流量范圍大，100～15 000 L/min，相應通徑從20 mm到300 mm，同時要求壓力損失小。

對分段關閉閥要求從快速到慢速動作轉換響應快，按標準規定分段關閉閥控制精度滯后不超過±3%的接力器行程，換成時間如關閉時間S，分段關閉閥響應時間±3% s，如關閉時間8 s，分段關閉閥響應時間不得滯后0.48 s。分段關閉閥要求分段關閉動作拐點位置幾乎一樣,在1%允許誤差范圍內,要有很高的重復精度。

1.2 用于分段關閉閥的常開型二通插裝閥

采用液壓二通插裝閥構成的分段關閉閥，二通插裝閥是符合ISO 7368/GB/T 2877/DIN 24342的標準元件，插裝閥的閥芯和閥套之間靠錐面密封，動作快速，通流能力強，如DN160插裝閥最大通流量可以達20 000 L/min，滿足水電廠快速關機時大流量要求。插裝閥的閥芯和閥套帶有1個到4個節流窗口，對分段關閉閥關閉時的慢速要求的節流精度更加精細。對系統的壓力緩沖也起到一定作用。對插裝閥的控制腔油流的控制，實現閥芯關閉的多樣性，如用行程換向閥或電磁閥對插裝閥的控制腔的有壓和無壓控制，插裝閥能快速開啟和關閉，如果對插裝閥的控制腔的油流變流量控制，可以對插裝閥的閥芯變速變化，實現插裝閥閥芯快關和慢關變化，降低了系統的壓力沖擊，插裝閥有常開型和常閉型，對于水電廠工作壓力低的特點，我們已研發了常開型插裝閥的分段關閉閥，常開型插裝閥液流流經插裝閥不用克服彈簧力，降低系統壓力損失。在大多數水電廠，將分段關閉閥布置于接力器附近，裝在管道上。插裝閥能方便地集成在調速系統和事故關閉閥中，減少安裝管道，互換性好，便于維修。

1.3 用行程換向閥控制的分段關閉閥

行程閥安裝在接力器附近，通過控制管道和分段關閉閥本體相連，碰塊裝置裝在導葉接力器上，當行程閥和碰塊接觸后行程閥換向，控制分段關閉閥關閉，行程換向閥的分段關閉閥組的原理圖見圖1。

圖1 行程換向閥控制的分段關閉閥原理圖

用行程換向閥控制的分段關閉閥,采用了二通插裝閥、行程換向閥、單向節流閥等標準液壓件，由閥體、插裝閥、活塞、插裝閥蓋板組成。結構見圖2。

圖2 插裝閥型的分段關閉閥結構示意圖

當行程閥A腔接回油時，彈簧提動活塞和插裝閥的閥芯，插裝閥達到最大開度，當行程閥換向腔A接壓力油，插裝閥閥芯關閉，由調節螺母調節閥芯的開度，通過插裝閥的流量變小，接力器的慢速關回。

用行程換向閥控制的分段關閉閥缺點是連接行程閥A腔或B腔操作油管過長，油路信號的傳遞過程中將產生極其明顯的管道滯后效應，導致分段關閉過程的動態響應嚴重滯后，影響其動作精度。

1.4 電磁閥控制的分段關閉閥

電磁閥直接裝在分段關閉閥本體上，拐點接點裝在導葉接力器上，由拐點接點來控制電磁閥的動作，液壓原理圖和電氣驅動原理圖如圖3，電磁閥控制的分段關閉閥,采用了常開型二通插裝閥、電磁閥等標準液壓元件。由閥體、插裝閥、活塞、插裝閥蓋板、電磁閥組成，結構見圖4。

圖3 電磁閥控制的分段關閉閥液壓原理圖、電氣驅動原理圖

圖4 電磁閥控制分段關閉閥的結構圖

當接力器向關側運動，油液流過分段關閉閥的接力器開側法蘭和插裝閥，同時和電磁閥的進油腔相通。由于活塞的上腔和回油相通，活塞由彈簧提動插裝閥的閥芯到最大開口，油液自由的流到調速器的開側法蘭回油箱。

當接力器向關側運動到拐點時，拐點接點閉合使分段電磁閥通電，電磁閥換向。活塞的上腔和接力器開側相通關閉插裝閥閥芯，由調節螺母調節閥芯的開度，通過插裝閥的流量變小，接力器的慢速關回。當導葉到達全關位置以后，行程開關發出接點信號，使分段關閉閥復位，分段關閉裝置自行退出。

當接力器向開側運動時，分段關閉閥開側通壓力油無論電磁閥是否動作，都能開啟分段關閉閥。

電磁閥控制的分段關閉閥的控制油壓取自接力器的開關側，沒有了行程換向閥的控制管道，提高了分段關閉閥的響應速度，分段關閉裝置設置在接力器關側油路，插裝閥動作迅速，滯后不超過±3%的接力器行程。

貫流水輪機組由于接力器上帶有用于自關回接力器的重載，分段關閉閥裝在開側。

分段關閉閥的控制電磁閥可以用帶緩沖的電磁在保證快速動作的同時減少壓力沖擊。

相比較行程閥控制分段關閉閥遠方控制，電磁閥控制分段關閉閥具有現地控制毋需通過監控系統配合操作、響應快優點。

1.5 行程閥和電磁閥都能控制的分段關閉閥

水電廠的安全運行要求當電源消失，也能保證分段關閉閥正常工作，這樣要求當行程閥和電磁閥均能控制的分段關閉閥，實現純機械和電氣控制的冗余，提高了分段關閉閥動作的可靠性。液壓原理圖見圖5、結構圖見圖6。

圖5 行程閥和電磁閥控制分段關閉閥的原理圖

圖6 行程閥和電磁閥控制分段關閉閥的結構圖

接力器關時在拐點以前，行程閥A通T，液動閥的P通B，A通T,活塞由彈簧提動插裝閥的閥芯到最大開口度；接力器關時到拐點時，行程閥動作的P通A，液動閥換向的P通A，閥芯4關閉，由調節螺母調節閥芯的開度，通過插裝閥的流量變小，接力器的慢速關回，電磁閥由分段拐點的接點信號控制，可以選擇電磁鐵通電分段關閉閥投入和電磁鐵斷電分段關閉閥退出。

1.6 分段關閉閥的壓力損失和壓力沖擊

油液在流經分段關閉裝置集成塊的過流道及閥口后要產生一定的壓力損失，在接力器向關閉方向運動時分段關閉投入前后的壓力損失，在接力器向開啟方向運動時的壓力損失有所不同。相對于常閉插裝閥要克服彈簧力0.5 MPa壓力損失，常開型的提動彈簧壓力值為0.05 MPa這個值已經變得很小了，相應減少了操作壓力和壓力損失。

分段關閉裝置動作時，由于流量的瞬間急劇減小，因接力器活塞及操作油路液流慣性的共同作用，將導致壓力上升，必將引起操作油管的振動，如三峽水電廠左岸機組在接力器關閉過程，接力器關閉腔壓力6 MPa，在甩負荷瞬間，接力器開啟腔的最高壓力達7.68 MPa，即在甩負荷瞬間，導葉作用在接力器活塞上的水作用力及摩擦阻力代數和的等效壓力數值等于1.68 MPa ，呈關閉方向；分段關閉閥動作后，接力器開啟腔壓力降至6 MPa，導葉作用在接力器活塞上的水作用力及摩擦阻力代數和的等效壓力數值為零；隨關閉過程，由于接力器開啟腔壓力下降，其值均小于6 MPa，即導葉作用在接力器活塞上的水作用力及摩擦阻力的合力作用改向，呈開啟方向，為負值，我們采用柔性換向電磁閥控制插裝閥和電磁閥的兩端速度關閉插裝閥閥芯可以改善壓力沖擊，插裝閥的尾部節流方便的解決了速動性和由此帶來的壓力沖擊問題，又能提高位置精度。

2 常開插裝閥式分段關閉閥應用實例

插裝閥型分段關閉閥在多個水電廠得到成功應用，如在葛洲壩水電廠一臺129 MW機組Φ600直缸搖擺式接力器共4個，接力器全行程990 mm（對應導葉開度100%），正常操作油壓3.65～4.0 MPa。

按調節保證要求導葉全速關閉時間16.7 s。 導葉為二段關閉，二段關閉投入點為：24%～26%，第二段關閉時間15 s～23 s，分段關閉閥通過最大流量為5 165 L/min，第二段關閉時分段關閉閥通過流量為1 119.1 L/min。

在葛洲壩水電廠使用電磁閥控制的插裝閥式分段關閉閥，在現場做了行程檢查試驗和動作時間試驗，①行程檢查試驗：通過調整節流螺桿、行程開關位置，用自動記錄儀記錄接力器關閉規律及關閉時間；重復試驗3次，測定分段拐點的位置誤差（或重復精度）；3次試驗的分段拐點的位置分別為25.67%、25.88%、25.76%，設計拐點位置25%。分段關閉拐點誤差最大為0.77%，分段關閉拐點重復精度符合要求，未超過2%的設計及規范要求。②動作時間試驗：當導葉關閉從25%～0%時測量時間為23 s，要求值為20～30 s，現場試驗動作規律及時間符合調保計算時間要求。

試驗結果說明電磁閥控制插裝式分段關閉閥滿足了葛洲壩水電廠要求。

3 結論

插裝閥技術已發展多年了，近十多年我們對水電廠具有插裝閥技術分段關閉閥的研發，常開式插裝閥、插裝閥尾部節流和對插裝閥多樣性方式控制的應用對分段關閉閥的技術和質量有了很大提高，同時和電子技術控制的緊密結合，使分段關閉閥在調速系統自適應和實現水電廠智能化有了很大用武之地。