水轮机筒形阀控制系统分析

　　摘要：水轮机筒形阀在国内电站获得越来越多的应用，本文针对目前电站实际应用的筒形阀控制系统加以介绍和分析。
　　关键词：筒形阀、接力器同步、电液随动、发卡
　　
　　1 概述
　　水轮机筒形阀最早由法国NEYRPIC公司于上世纪六十年代研制成功，通过一些中小水轮机的应用实践，逐步得到了完善。国内先后已有石泉二期、小浪底、大朝山、瀑布沟、糯扎渡等水电站的水轮机采用了筒形阀。
　　筒形阀是水轮机的一种新型的进水阀门，它布置于水轮机的固定导叶与活动导叶之间，主要有筒体、多个液压接力器、同步与指示装置等组成。由于其特殊的结构和安装位置，与其它进水阀门（如闸板阀，蝶阀，球阀等）相比较具有以下优点：
　　（1） 安装在固定导水叶与活动导水叶之间，同安装在蜗壳前的球阀、蝶阀相比，缩短了整个厂房的纵向长度，降低了工程造价；
　　（2） 由于筒形阀关闭后的良好水密性，可基本避免停机后导水机构间隙空蚀和磨损，延长水轮机检修周期；
　　（3） 消除导叶漏水、增加有效电量，产生的经济效益可很快收回筒形阀自身的初期投资；
　　（4） 筒形阀可作为机组的防飞逸装置之一，同时可降低机组制动转速，缩短机组停机时间；
　　（5） 能消除机前阀门进出口处的收缩和扩散段伸缩节的附加水力损失，缩短压力流道充水时间，提高机组运行灵活性；
　　（6） 筒形阀启闭为直线运动，关闭时可根据水压上升率调整关闭速度。
　　筒形阀的启闭操作由多个液压接力器共同完成，接力器同步动作的控制成为筒形阀的控制系统的核心和关键。目前解决同步问题主要有传统的机械液压同步和近年新兴的电液同步两种控制方式。本文针对目前国内及国际应用的筒形阀的控制系统进行分析，为筒形阀在我国水电站的应用提供一些参考。
　　
　　2 传统的机械液压同步控制系统：
　　传统的机械液压同步控制系统采用丝杆链条机械液压同步装置，在筒阀圆周尽可能多地均匀布置多支液压接力器，接力器的同步动作极为关键。为实现这一目的，在每个接力器丝杆轴上都装有一个同径的双层链轮，用链条将相邻接力器彼此串联起来，以保证各接力器动作速度一致，使筒体启闭平稳，避免筒体在动作时发卡。链条的松紧程度可通过张紧链轮装置进行调整，该装置设在每圈链条的中部。
　　筒形阀的行程指示，采用的是间接指示方式，即在每只接力器中的任意一个接力器链轮上再装一个链轮用来传动指示装置上的链轮，从而带动指示器上的梯形螺杆旋转使带有指针的螺帽上下运动。用百分数来表示筒形阀的开启、关闭程度。
　　每支接力器动杆（活塞）下端连接固定在阀体上，活塞上下运动可以驱动阀门启闭。各活塞的同步移动有由可逆传动的滚动螺旋副实现，它是在活塞上固定的一只滚动螺旋传动的螺母，螺母连接传动丝杆，当活塞上下移动时丝杆做正反旋转，丝杆上端连接齿轮将筒阀的垂直运动变为齿轮的旋转，齿轮带动链条一起连动其它接力器的齿轮同速旋转并反作用于其丝杆而实现多只接力器的同步。
　　
　　我国早期采用筒形阀的漫湾、大朝山、石泉二级电站也采用这种同步方式。该同步方式完全依靠链条强迫各接力器同步运行，可靠性非常高，且经过了长时间的运行考验。
　　并且采用丝杆链条机械液压同步装置后，可将纯机械液压过速保护装置的过速液压信号直接引入筒形阀的液压控制柜，实现筒形阀可靠关闭，有效防止机组飞逸。
　　丝杆链条机械液压同步系统也有其固有缺点，如丝杆链条造价高且需要进口，挤占机坑内有效空间，并且筒形阀开启和关闭过程中会产生噪声，导致电站运行人员不愿意采用这种同步装置。
　　
　　3 新兴的电液同步控制系统
　　随着计算机技术及液压伺服控制技术的发展，电液同步控制系统逐渐得到更多的应用，目前的电液同步控制系统大致可分为以下四种系统：
　　（1） 同步分流器电液同步控制系统：
　　同步分流器电液同步控制系统分两步对各接力器油流进行调节，同步分流器主要功能为向各个接力器分配油源、实现各接力器粗步同步控制，即第一步初调节。第二步为精细调节，通过位移变送器采集各接力器运动量，由控制系统对运动量进行比较后，通过比例阀或高速开关阀控制单只接力器供排油量，实现各操作接力器间活塞同步运动的精确调节。
　　目前的溪洛渡、小浪底、小湾、糯扎渡、光照、锦屏二级等水电站均采用该种同步方式。经过对部分已运行机组的调查，证明其运行可靠性较高，但也存在运行初期发生卡组现象，以及各接力器之间行程差值过大等问题。
　　（2） 全数字集成式液压缸电液同步控制系统：
　　液压控制系统全部集成在筒形阀接力器的顶部，与接力器集成为一个整体，对每只接力器油量单独控制，为一级液压调节控制方式。目前主要运用在滩坑3#机改造、锦屏一级、溪洛渡右岸等电站，目前仅滩坑3#机投入运行。并且到2010年5月，已顺利开启筒形阀270余次，无一次卡阻故障，运行可靠性较高，但运行时间仅10个月左右且仅1台机。
　　（3） 先导式比例阀电液同步控制系统：
　　先导式比例阀集成在筒形阀接力器的顶部，与接力器集成为一个整体，对每只接力器油量单独控制，为一级液压调节控制方式，国内瀑布沟1#、3#、5#筒形阀采用这种技术，目前3#、5#已投入运行，但在机组投运长达半年左右时间内一直调试不畅，筒形阀经常卡阻，不得不退出运行。
　　（4） 电液伺服阀同步控制系统：
　　电液伺服阀同步控制系统对每只接力器油量单独控制，为一级液压调节控制方式，目前已在阿海电站应用，但还未投入运行。
　　筒形阀电液同步方式的优点是筒形阀开关控制规律可编程任意调整，接力器运行速度的调节控制具有按调节规律运动的随动性，这也是电液同步方式的最大优点。对发生异步的油缸矫正能力好。筒形阀直线运动可按程序指定启闭速度进行启闭控制。大大降低了启闭噪声。同步结构取消了丝杆、链条等机械装置，大大简化控制操作机构从而精简了筒形阀的整体结构，节省机坑内空间，改善运行维护条件。减少操作执行组件数量，降低工程造价。电液同步方式还可利用计算机通讯技术，为实现计算机远方监控提供坚实的现场控制和数据采集单元。[!--empirenews.page--]
　　电液同步方式也具有较高的可靠性，由于存在多通道测量、控制、液压放大单元，故障点较多，任何一个单元（包括供电）的失效均会引起整个同步系统的故障或闭锁。甚至导致机组出现非协联工况，机组负荷振荡，以致机组损坏的事故。目前国内电液同步尚在开发应用阶段，短期可靠运行的经验并不能证明长期的可靠运行。并且采用电液同步装置后，一般不允许将纯机械液压过速保护装置的过速液压信号直接引入筒形阀的液压关闭回路。这是因为若让过速液压回路关闭筒形阀，万一控制失灵或失电，筒形阀将在无同步调节的情况下紧急关闭，筒形阀可能关闭发卡，若万一在关闭中间位置发卡，其急剧的水流条件将可能导致水轮机破坏而发生重大事故。目前只允许用纯机械液压过速保护装置的电气接点去关闭筒形阀。因此可靠性相对于传统的机械液压同步控制系统要差一些。
　　
　　
　　参考文献：
　　1. 李宇詹奇峰小浪底水电厂筒形阀的同步控制原理和方法水利水电技术2002（3）
　　2. 林洪德张利民杜江漫湾二期水电站电液同步筒形阀结构设计东方电机2007（5）

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