王志力，朱廷忠，陳智勇，席 波，賈小平

（中國東方電氣集團(tuán)有限公司東方電氣自動(dòng)控制工程有限公司，四川 德陽 618000）

調(diào)速器作為水輪發(fā)電機(jī)組的重要輔助設(shè)備，其性能直接影響并網(wǎng)的供電質(zhì)量及水輪發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定、安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行［1］。近年來，隨著現(xiàn)代液壓控制技術(shù)的不斷發(fā)展，我國的水輪機(jī)調(diào)速器在機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面取得了不少進(jìn)展。

在水輪機(jī)調(diào)速器機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，通過在國外臥式主配壓閥上加裝定中缸，實(shí)現(xiàn)了主配壓閥的純手動(dòng)操作和自復(fù)中功能。這種改進(jìn)的主配壓閥已應(yīng)用于我國的大型電廠，如三峽右岸電廠，并取得了較好的效果。但是，這僅僅是對(duì)進(jìn)口主配壓閥進(jìn)行局部改造，長期使用后發(fā)現(xiàn)這種主配壓閥在開啟、復(fù)中和關(guān)閉過程中，因需在控制油腔和定中缸之間進(jìn)行來回切換操作，導(dǎo)致調(diào)速器液壓系統(tǒng)復(fù)雜，不利于實(shí)現(xiàn)精確的手動(dòng)控制［2-3］。近年來，開始采用“步進(jìn)電機(jī)+位移絲桿”組合來研制步進(jìn)式無油自復(fù)中主配壓閥或彈簧對(duì)中主配壓閥，但前者存在因電機(jī)慣性大而導(dǎo)致的位移精度不高、控制困難等不足，后者存在因彈簧疲勞破壞和彈簧力遠(yuǎn)小于液壓力而導(dǎo)致的彈簧卡阻等問題［4］。

在水輪機(jī)調(diào)速器液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，出現(xiàn)了采用液壓數(shù)字邏輯或比例插裝技術(shù)的數(shù)字式調(diào)速器，其利用脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）技術(shù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)插裝閥和快速開關(guān)閥的邏輯控制。目前其已取代采用電液轉(zhuǎn)換器和主配壓閥的調(diào)速器。但上述控制方式的理論研究和實(shí)際應(yīng)用較少，且在實(shí)際應(yīng)用中還會(huì)出現(xiàn)高速開關(guān)閥發(fā)卡等問題。限于控制器硬件和液壓元件的發(fā)展水平，數(shù)字式調(diào)速器的控制精度和穩(wěn)定性還需進(jìn)一步觀察［5-7］。此外，部分調(diào)速器液壓系統(tǒng)是根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)組不同運(yùn)行工況下的大、小波動(dòng)來進(jìn)行控制的：大波動(dòng)時(shí)采用插裝閥，以滿足接力器活塞桿快速運(yùn)動(dòng)時(shí)的流量要求；小波動(dòng)時(shí)采用比例閥，以滿足接力器活塞桿的位移控制精度要求。但這種液壓系統(tǒng)因小波動(dòng)時(shí)所能提供的液壓驅(qū)動(dòng)功率有限，目前只適用于小型水輪發(fā)電機(jī)組［8-10］。

因受到其他國家水輪機(jī)調(diào)速器液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念的影響，我國水電站常在水輪機(jī)調(diào)速器液壓系統(tǒng)中設(shè)置事故配壓閥。近年來，事故配壓閥多采用插裝閥加先導(dǎo)控制閥來實(shí)現(xiàn)主要控制功能，但這種方法所需的插裝閥數(shù)量較多且控制邏輯相對(duì)復(fù)雜。隨著機(jī)械加工工藝和裝配技術(shù)的不斷優(yōu)化，滑閥的內(nèi)泄漏和活塞卡阻問題得到了較好的解決，在水輪機(jī)調(diào)速器液壓系統(tǒng)中使用滑閥式事故配壓閥的逐漸增多［11-12］。

貫流式水輪機(jī)的固有特性使其調(diào)速器在機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓控制和安裝方式上與其他型式的機(jī)組有所不同［13］。結(jié)合目前國內(nèi)外調(diào)速器液壓系統(tǒng)、主配壓閥和事故配壓閥的特點(diǎn)，以重慶潼南水電站的貫流式水輪機(jī)調(diào)速器為研究對(duì)象，對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，旨在為各型水輪機(jī)調(diào)速器的設(shè)計(jì)提供參考。

1 調(diào)速器機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要求

涪江干流梯級(jí)渠化潼南航電樞紐工程位于重慶市潼南區(qū)境內(nèi)，處于涪江下游河段，距離潼南區(qū)涪江大橋下游約3 km。該項(xiàng)目的航道等級(jí)為內(nèi)河Ⅴ級(jí)，工程等別為Ⅱ等，工程規(guī)模為大（2）型。該樞紐工程的布置方案為左廠房右船閘，電站采用河床式廠房，共設(shè)置3臺(tái)燈泡貫流式水輪機(jī)，總裝機(jī)容量為42 MW，額定轉(zhuǎn)速為83 r/min，轉(zhuǎn)輪直徑為6.20 m。

貫流式水輪機(jī)調(diào)速器液壓系統(tǒng)主要由導(dǎo)葉、槳葉控制閥組，導(dǎo)葉、槳葉主配壓閥，過濾器，集成式事故配壓閥以及導(dǎo)葉、槳葉接力器等組成。其中，導(dǎo)葉、槳葉控制閥組采用雙冗余配置方式，當(dāng)調(diào)速器液壓系統(tǒng)的自動(dòng)控制部分出現(xiàn)故障時(shí)，可通過手/自動(dòng)切換電磁閥自動(dòng)切換至機(jī)械手動(dòng)狀態(tài)。在手/自動(dòng)操作模式的互相切換過程中，接力器移動(dòng)量應(yīng)符合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。此外，主配壓閥應(yīng)設(shè)有接力器最快開啟/關(guān)閉時(shí)間的調(diào)整機(jī)構(gòu)，以使接力器的開啟/關(guān)閉時(shí)間能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)單獨(dú)可調(diào)，從而滿足貫流式水輪機(jī)組的調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，主配壓閥還應(yīng)具有自復(fù)中功能。

另外，貫流式水輪機(jī)調(diào)速器液壓系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有導(dǎo)葉分段關(guān)閉和事故保護(hù)裝置。潼南水電站的貫流式水輪機(jī)在導(dǎo)葉關(guān)閉方向設(shè)有重錘，在水輪機(jī)大軸上裝有機(jī)械過速保護(hù)裝置，以實(shí)現(xiàn)對(duì)水輪機(jī)組過速或調(diào)速器失靈時(shí)的多重保護(hù)功能。事故配壓閥應(yīng)滿足以下條件：1）在事故停機(jī)電磁閥或機(jī)械過速保護(hù)裝置動(dòng)作后，導(dǎo)葉接力器的開、關(guān)腔同時(shí)通回油，使得導(dǎo)葉在關(guān)閉水力矩和重錘的作用下關(guān)閉；2）在調(diào)速器油壓裝置失壓的情況下，能夠利用事故配壓閥將導(dǎo)葉接力器開腔中的油液排出，使得導(dǎo)葉仍能在關(guān)閉水力矩和重錘的作用下關(guān)閉；3）在利用調(diào)速器關(guān)閉導(dǎo)葉時(shí)，導(dǎo)葉接力器關(guān)腔通壓力油，開腔通回油，使導(dǎo)葉主要在壓力油產(chǎn)生的力矩的作用下關(guān)閉，此時(shí)重錘為輔助關(guān)閉手段。

不同水輪機(jī)制造廠的貫流式水輪機(jī)在導(dǎo)葉關(guān)閉方式上有所不同。國外公司對(duì)重錘的要求是無論水輪機(jī)組處于何種工況，均可依靠重錘自身重力和關(guān)閉水力矩實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉按照水輪機(jī)組的調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)要求關(guān)閉。在導(dǎo)葉關(guān)閉過程中，導(dǎo)葉接力器關(guān)腔不通壓力油，開腔通回油。這種關(guān)閉方式能夠簡化調(diào)速器的液壓系統(tǒng)，降低對(duì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度要求，同時(shí)降低對(duì)導(dǎo)葉接力器及安裝基座的受力要求。

另外，其他一些水輪機(jī)制造廠的貫流式水輪機(jī)導(dǎo)葉關(guān)閉方式為：當(dāng)水輪機(jī)通過調(diào)速器正常關(guān)閉導(dǎo)葉時(shí)，導(dǎo)葉接力器關(guān)腔通壓力油，以提供液壓力關(guān)閉力矩，重錘僅起輔助關(guān)閉作用；當(dāng)水輪機(jī)導(dǎo)葉非正常關(guān)閉時(shí)，導(dǎo)葉接力器關(guān)腔不通壓力油，此時(shí)靠重錘和關(guān)閉水力矩仍能關(guān)閉導(dǎo)葉。但是，這種導(dǎo)葉關(guān)閉方式會(huì)增大調(diào)速器液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，尤其是事故配壓閥，此外導(dǎo)葉主配壓閥也需對(duì)導(dǎo)葉接力器關(guān)腔進(jìn)行通壓力油或回油控制，致使整個(gè)調(diào)速器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)變得復(fù)雜，控制環(huán)和接力器的相關(guān)力學(xué)參數(shù)增大。另外，這種導(dǎo)葉關(guān)閉方式會(huì)使設(shè)置重錘的安全冗余過大，導(dǎo)致貫流式水輪機(jī)組的制造、加工和安裝成本增加［14］。

2 調(diào)速器液壓系統(tǒng)及主要機(jī)械元件

潼南水電站的貫流式水輪機(jī)調(diào)速器機(jī)械柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。導(dǎo)葉、槳葉控制閥組和主配壓閥安裝在閥板上，閥板內(nèi)部設(shè)有連通控制閥組和主配壓閥的控制油路，通過閥板實(shí)現(xiàn)了兩者的固定和連接，其作為一個(gè)整體放置在調(diào)速器機(jī)械柜內(nèi)。調(diào)速器機(jī)械柜安裝在回油箱面板上，以便對(duì)各機(jī)械元件進(jìn)行檢修。

圖1 貫流式水輪機(jī)調(diào)速器機(jī)械柜內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 Internal structure of mechanical cabinet of tubular turbine governor

調(diào)速器液壓系統(tǒng)的主操作油路與控制油路分開設(shè)計(jì)，進(jìn)入接力器開、關(guān)腔的操作油通過主配壓閥從壓力油箱中引入，控制油從進(jìn)入主配壓閥前的壓力油路上單獨(dú)引出，經(jīng)過濾器后再進(jìn)入導(dǎo)葉、槳葉控制閥組。圖2所示為貫流式水輪機(jī)調(diào)速器處于自動(dòng)控制狀態(tài)時(shí)的液壓系統(tǒng)圖，此時(shí)主配壓閥位于平衡狀態(tài)，接力器活塞桿可固定在任意運(yùn)行位置。

圖2 貫流式水輪機(jī)調(diào)速器處于自動(dòng)控制狀態(tài)時(shí)的液壓系統(tǒng)圖Fig.2 Hydraulic system diagram of tubular turbine governor under automatic control

以控制導(dǎo)葉接力器的液壓系統(tǒng)為例，簡要介紹調(diào)速器液壓系統(tǒng)的油路。調(diào)速器液壓系統(tǒng)的主操作油由壓力油箱提供，壓力油經(jīng)導(dǎo)葉主配壓閥、集成式事故配壓閥和分段關(guān)閉裝置后進(jìn)入導(dǎo)葉接力器，導(dǎo)葉接力器的回油經(jīng)事故配壓閥和分段關(guān)閉裝置、導(dǎo)葉主配壓閥后回到油箱?？刂朴蛷膲毫τ拖渲幸?，經(jīng)過濾器過濾后分別進(jìn)入導(dǎo)葉伺服比例閥SV11、SV12（自動(dòng)控制回路），導(dǎo)葉手動(dòng)操作電磁閥EV13（手動(dòng)操作回路）和緊急停機(jī)電磁閥EV01（緊急停機(jī)控制）。導(dǎo)葉控制閥組各元件的回油全部由閥塊回油口流回油箱。下面對(duì)調(diào)速器液壓系統(tǒng)中的主配壓閥以及集成式事故配壓閥和分段關(guān)閉裝置的結(jié)構(gòu)和功能進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 主配壓閥的結(jié)構(gòu)與功能

主配壓閥主要由活塞、殼體、襯套、輔接殼體、輔助控制部件和流量反饋裝置等組成，其剖面圖如圖3所示。其中：輔助控制部件包括開、關(guān)機(jī)時(shí)間調(diào)節(jié)螺母（用于限制活塞上、下移動(dòng)的距離，以調(diào)整活塞閥盤與襯套控制窗口形成的過流間隙的面積，從而調(diào)節(jié)接力器的最快運(yùn)行速率），活塞防自旋鎖定螺桿和活塞位移傳感器等；流量反饋裝置包括反饋閥活塞、反饋閥襯套和手動(dòng)定中調(diào)節(jié)螺桿等，即圖3所示的點(diǎn)畫線框內(nèi)部分。在殼體、襯套和輔接殼體上開有操作油、控制油和回油的流道，將各油口分別接主配壓閥各功能腔，以實(shí)現(xiàn)主配壓閥的集成化裝配，避免管路滲漏。

圖3 主配壓閥剖面圖（活塞處于中間平衡位置）Fig.3 Sectional view of main distributing valve(piston in the middle balance position)

主配壓閥采用活塞中位密封方式，當(dāng)活塞處于中間位置時(shí)，利用活塞的上、下閥盤來實(shí)現(xiàn)對(duì)主配壓閥襯套控制窗口的密封?；钊c襯套的配合精度應(yīng)在既保證活塞可靈活地上、下運(yùn)動(dòng)且不發(fā)生卡阻，又避免較大雜質(zhì)進(jìn)入配合面的前提下進(jìn)行選擇。主配壓閥的搭接量（活塞閥盤厚度與襯套控制窗口高度之差的一半）應(yīng)滿足主配壓閥密封性能與動(dòng)態(tài)響應(yīng)的雙重要求。通過對(duì)比國內(nèi)外臥式與立式主配壓閥的應(yīng)用效果發(fā)現(xiàn)，立式主配壓閥在使用上更具穩(wěn)定性［15-16］。

主配壓閥的液壓結(jié)構(gòu)類似于一個(gè)三位四通伺服閥，其活塞在與輔助殼體和襯套的內(nèi)壁配合下分出上、下兩個(gè)腔室。上腔為恒壓油腔，通來自壓力油箱的壓力油；下腔為控制油腔，通來自控制閥組的手動(dòng)或自動(dòng)控制油。下腔的有效作用面積約為上腔的2倍，即當(dāng)主配壓閥的活塞處于中間平衡位置時(shí)，控制油腔的壓強(qiáng)約為恒壓油腔的一半。主配壓閥活塞的驅(qū)動(dòng)力由上、下腔的壓力差提供，同時(shí)液壓驅(qū)動(dòng)力可將進(jìn)入活塞與襯套配合面的細(xì)小雜質(zhì)擠碎，避免活塞因異物存在而頻繁發(fā)生卡阻，即在液壓驅(qū)動(dòng)力的作用下，可認(rèn)為活塞卡死的概率很?。?7］。要實(shí)現(xiàn)上述結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，需滿足以下2個(gè)前提條件：一是活塞與襯套采用高精度間隙配合且表面粗糙度小，以保證僅微小雜質(zhì)可進(jìn)入配合面；二是相配合零件的表面硬度大，以保證其具有高抗磨性，表面不易劃傷。主配壓閥活塞的恒壓油腔與控制油腔位于活塞的中部且位置較近，且活塞的兩端具有導(dǎo)向作用，減小了活塞運(yùn)動(dòng)過程中的側(cè)偏及由此引起的磨損［18］。

主配壓閥中流量反饋裝置的作用是：當(dāng)主配壓閥處于手動(dòng)操作狀態(tài)時(shí)，能夠基于流量負(fù)反饋原理實(shí)現(xiàn)主配壓閥的自動(dòng)復(fù)中；當(dāng)主配壓閥處于自動(dòng)操作狀態(tài)時(shí)，能夠跟蹤主配壓閥活塞的位移，實(shí)現(xiàn)接力器手/自動(dòng)操作的無擾動(dòng)切換。流量反饋裝置集成在主配壓閥的活塞上，位于活塞上端中心開孔處，有效利用了活塞的內(nèi)部空間，在整體上減小了主配壓閥的高度。反饋閥襯套與主配壓閥活塞靠壓緊螺母固連，反饋閥活塞采用差壓式懸浮結(jié)構(gòu)，依靠手動(dòng)定中調(diào)節(jié)螺桿的調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)反饋閥活塞對(duì)反饋閥襯套控制窗口的封閉，從而使主配壓閥處于手動(dòng)操作狀態(tài)時(shí)活塞能穩(wěn)定在中間平衡位置處。

流量反饋裝置類似于一個(gè)三位三通位置伺服閥。下面以手動(dòng)開啟導(dǎo)葉接力器為例，分析流量反饋裝置的工作原理。圖4左側(cè)為手動(dòng)開啟導(dǎo)葉接力器時(shí)調(diào)速器的液壓系統(tǒng)圖（不含自動(dòng)控制部分），右側(cè)為主配壓閥液壓系統(tǒng)（左側(cè)點(diǎn)畫線框內(nèi)）的局部放大圖。

當(dāng)手動(dòng)操作電磁閥處于圖4右側(cè)所示工位時(shí)，壓力油經(jīng)導(dǎo)葉手/自動(dòng)切換電磁閥、導(dǎo)葉手動(dòng)操作電磁閥、液控單向閥（導(dǎo)葉手動(dòng)用）、導(dǎo)葉手/自動(dòng)切換換向閥和緊急停機(jī)換向閥后進(jìn)入主配壓閥活塞下端的控制油腔，活塞在壓差的作用下向上移動(dòng)，導(dǎo)葉接力器向開方向運(yùn)動(dòng)。在活塞向上移動(dòng)的同時(shí)，與活塞固連的反饋閥襯套也向上移動(dòng)相同距離，反饋閥處于上端工位，此時(shí)通過手動(dòng)操作電磁閥的壓力油一部分進(jìn)入主配壓閥活塞的控制油腔，另一部分通過流量反饋裝置回油，以減少進(jìn)入控制油腔的壓力油量。主配壓閥向上移動(dòng)的距離越大，通過流量反饋裝置的回油流量越大，即負(fù)反饋?zhàn)饔迷綇?qiáng)。當(dāng)手動(dòng)操作電磁閥線圈失磁并在其兩端對(duì)中彈簧的作用下迅速回中時(shí)，主配壓閥活塞并未回到中間平衡位置，此時(shí)活塞控制油腔內(nèi)不再有壓力油進(jìn)入，但仍通過反饋閥襯套控制窗口回油。在主配壓閥活塞恒壓油腔壓力油的作用下，活塞與反饋閥襯套一起迅速向下移動(dòng)，直到活塞回到中間平衡位置后，反饋閥襯套和主配壓閥襯套的控制窗口同時(shí)封閉，至此負(fù)反饋?zhàn)饔媒Y(jié)束，主配壓閥活塞處于中間平衡位置，導(dǎo)葉接力器停止向開方向運(yùn)動(dòng)。因流量反饋裝置的存在，在導(dǎo)葉接力器手動(dòng)開啟結(jié)束后，可以利用流量負(fù)反饋?zhàn)饔脕硎蛊x中間平衡位置的主配壓閥活塞迅速回中。當(dāng)導(dǎo)葉主配壓閥處于自動(dòng)操作狀態(tài)時(shí)，流量反饋裝置雖不發(fā)揮作用，但其會(huì)根據(jù)主配壓閥活塞的的位置形成負(fù)反饋液壓流量信號(hào)，以實(shí)時(shí)反饋與活塞移動(dòng)方向相反的流量信號(hào)，且負(fù)反饋液壓流量信號(hào)的大小與活塞偏離中間平衡位置的距離成正比，這可實(shí)現(xiàn)在主配壓閥處于自動(dòng)操作狀態(tài)時(shí)仍然能夠跟蹤手動(dòng)操作狀態(tài)，以及在手/自動(dòng)操作切換時(shí)導(dǎo)葉接力器的移動(dòng)距離符合國家標(biāo)準(zhǔn)的目的。手動(dòng)關(guān)閉導(dǎo)葉接力器與開啟時(shí)的控制相反，本文不再重復(fù)。

圖4 手動(dòng)開啟導(dǎo)葉接力器時(shí)調(diào)速器的液壓系統(tǒng)圖Fig.4 Hydraulic system diagram of governor during manual operation of guide vane servomotor

2.2 集成式事故配壓閥和分段關(guān)閉裝置的結(jié)構(gòu)與功能

調(diào)速器控制導(dǎo)葉接力器時(shí)集成式事故配壓閥和分段關(guān)閉裝置的液壓系統(tǒng)圖如圖5所示，圖中所有元件集成安裝在1個(gè)閥塊內(nèi)。其中：節(jié)流閥JL31用于調(diào)節(jié)分段關(guān)閉時(shí)導(dǎo)葉接力器的第2段慢關(guān)速度，節(jié)流閥JL32用于整定事故配壓閥動(dòng)作后導(dǎo)葉接力器的關(guān)閉速度。事故配壓閥HV32是一個(gè)兩位六通液控?fù)Q向閥，其活塞兩端設(shè)有液壓力作用面積不等的換向用控制油腔：左端通恒壓油，作用面積?。挥叶送刂朴?，作用面積約為左端控制油腔的2倍，右端控制油的通斷由事故電磁閥EV31和機(jī)械過速保護(hù)裝置的換向閥串聯(lián)控制。當(dāng)事故電磁閥或機(jī)械過速保護(hù)裝置動(dòng)作后，右端控制油腔通回油，在左端控制油腔內(nèi)恒壓油的作用下，事故配壓閥活塞實(shí)現(xiàn)換向，此時(shí)，導(dǎo)葉接力器開、關(guān)腔的油液經(jīng)事故配壓閥匯流后，通過同一根回油管回到油箱。當(dāng)整個(gè)調(diào)速器液壓系統(tǒng)失壓時(shí)，靠左端彈簧力推動(dòng)事故配壓閥活塞換向，仍可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉接力器開、關(guān)腔同時(shí)回油，導(dǎo)葉在關(guān)閉水力矩和重錘的共同作用下關(guān)閉。當(dāng)事故配壓閥未動(dòng)作時(shí)，導(dǎo)葉接力器受主配壓閥控制，其關(guān)腔通壓力油，導(dǎo)葉主要在液壓力關(guān)閉力矩的作用下關(guān)閉。

通過上述分析可知，在貫流式水輪機(jī)組停機(jī)時(shí)，事故配壓閥對(duì)導(dǎo)葉接力器關(guān)腔有通壓力油或回油兩種不同功能，可分別實(shí)現(xiàn)主配壓閥關(guān)閉導(dǎo)葉和事故配壓閥動(dòng)作后靠關(guān)閉水力矩和重錘共同作用關(guān)閉導(dǎo)葉的功能，同時(shí)也滿足了在整個(gè)調(diào)速器液壓系統(tǒng)失壓時(shí)導(dǎo)葉仍能關(guān)閉的要求。分段關(guān)閉電磁閥EV32接收貫流式水輪機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng)的控制信號(hào)，將液壓控制信號(hào)作用于分段液控?fù)Q向閥HV31的兩端，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉的分段關(guān)閉。

圖5 集成式事故配壓閥和分段關(guān)閉裝置的液壓系統(tǒng)圖Fig.5 Hydraulic system diagram of integrated accident distributing valve and sectional closing device

3 主配壓閥的選型與設(shè)計(jì)

貫流式水輪機(jī)調(diào)速器液壓系統(tǒng)是典型的閉環(huán)控制系統(tǒng)，在PID（proportion integral differential，比例積分微分）控制策略和控制參數(shù)完全一樣的情況下，其實(shí)際控制效果仍可能有巨大不同，這主要是因?yàn)橐簤簣?zhí)行和操作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)或通徑不同，這些機(jī)構(gòu)對(duì)調(diào)速器調(diào)節(jié)性能的影響遠(yuǎn)超過PID參數(shù)的影響［19］。因此，液壓機(jī)構(gòu)間的匹配性是調(diào)速器調(diào)節(jié)性能的重要保障［20-21］。

3.1 調(diào)速器的布置型式

潼南水電站的貫流式水輪機(jī)調(diào)速器及油壓裝置采用分體式布置，其組合型式為“電氣柜+壓力油箱+回油箱（含調(diào)速器機(jī)械柜）”?；赜拖鋺覓觳贾迷诎l(fā)電運(yùn)行層樓板上，調(diào)速器機(jī)械柜安裝在回油箱上，調(diào)速器液壓系統(tǒng)進(jìn)出油管設(shè)在回油箱底部。表1為潼南水電站貫流式水輪機(jī)導(dǎo)葉接力器的相關(guān)參數(shù)。

3.2 主配壓閥的選型計(jì)算

主配壓閥的選型要求為：主配壓閥的最大流量應(yīng)滿足接力器開、關(guān)時(shí)間的要求；主配壓閥的壓力損失在合理范圍內(nèi)且主配壓閥活塞的最大工作行程（即活塞閥盤與襯套控制窗口所形成的過流間隙的面積等于有效過流面積A時(shí)所對(duì)應(yīng)的活塞位移）應(yīng)合理，一般占受限于機(jī)械結(jié)構(gòu)的活塞總行程的80%［22］。設(shè)計(jì)主配壓閥活塞最大工作行程時(shí)主要考慮以下2個(gè)方面：1）主配壓閥活塞工作行程應(yīng)盡可能大，使得活塞在移動(dòng)單位距離時(shí)產(chǎn)生的操作流量減小，提高對(duì)導(dǎo)葉接力器活塞桿的位移控制精度，從而滿足調(diào)速器在小波動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)的控制要求；2）便于對(duì)主配壓閥開、關(guān)機(jī)時(shí)間進(jìn)行機(jī)械式整定。一般情況下，初步設(shè)計(jì)階段得到的導(dǎo)葉接力器最快關(guān)閉時(shí)間偏保守，現(xiàn)場試驗(yàn)后最終整定的導(dǎo)葉接力器最快關(guān)閉略長些，同時(shí)考慮到主配壓閥活塞的行程要留有一定的余量，故將主配壓閥活塞的最大工作行程設(shè)定為活塞總行程的80%左右較為合適［23-24］。

表1 導(dǎo)葉接力器相關(guān)參數(shù)Table 1 Related parameters of guide vane servomotor

基于孔口流量公式，根據(jù)主配壓閥壓降和流量的關(guān)系，并綜合考慮壓力損失以及調(diào)速器的最優(yōu)輸出功率，提出一種主配壓閥選型設(shè)計(jì)方法?；诒?所示的導(dǎo)葉接力器相關(guān)參數(shù)，以導(dǎo)葉主配壓閥為例，對(duì)其進(jìn)行選型設(shè)計(jì)。導(dǎo)葉主配壓閥的選型設(shè)計(jì)需滿足導(dǎo)葉接力器最快關(guān)閉時(shí)間對(duì)應(yīng)的流量要求。研究表明，為使調(diào)速器的容量與導(dǎo)葉接力器操作功相匹配，保證調(diào)速器在最優(yōu)輸出功率區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，應(yīng)使其液壓系統(tǒng)的總壓力損失占額定壓力的15%～25%［25-26］。

導(dǎo)葉主配壓閥的選型計(jì)算過程如下。

1）導(dǎo)葉接力器的最大流量Q為：

2）操作油管路通徑Dmin（操作油管路內(nèi)油液最快流速不超過5 m/s）為：

查詢鋼管尺寸標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，滿足式（2）要求的最小鋼管的通徑為DN80（尺寸為?89 mm×4.5 mm），該鋼管的內(nèi)徑D=80 mm，大于67.53 mm［27］。

3）操作油管路內(nèi)油液實(shí)際最大流速v為：

4）操作油管路的沿程壓力損失Δpf為：

5）操作油管路的局部壓力損失Δpr為：

式中：ξ為局部阻力系數(shù)，因主要考慮主操作油管路上彎頭、閥門等處的局部壓力損失，取ξ=20。

6）操作油管路的總壓力損失Δpz為：

7）襯套控制窗口的有效過流面積A（開、關(guān)腔一致）為：

式中：Cd為流量系數(shù)，取Cd=0.62；Δp1為閥盤壓降，由于1個(gè)導(dǎo)葉主配壓閥有2個(gè)閥盤，故Δp1為導(dǎo)葉主配壓閥壓降Δp的一半，Δp=pmin-pr-Δpz=6.0000-4.8000-0.2159=0.9841MPa，故 Δp1=0.5Δp=0.4921MPa。本文取pmin=6.000 0 MPa主要是考慮到油泵啟動(dòng)壓力（即正常工作油壓下限）為6.000 0 MPa，若油壓裝置部分（包含壓力油箱和油泵）正常工作，則調(diào)速器液壓系統(tǒng)正常工作壓力不會(huì)低于6.000 0 MPa。根據(jù)導(dǎo)葉主配壓閥的直徑、流量和襯套控制窗口有效過流面積的對(duì)應(yīng)關(guān)系可知，導(dǎo)葉主配壓閥通徑為DN80時(shí)，可滿足導(dǎo)葉接力器最快關(guān)閉時(shí)間的要求［25，28］。

8）導(dǎo)葉主配壓閥及操作油管路的最大壓降占比η為：

由此可知，導(dǎo)葉主配壓閥及操作油管路的總壓力損失為額定壓力的19%，在調(diào)速器最優(yōu)輸出功率范圍內(nèi)。故根據(jù)導(dǎo)葉接力器最快關(guān)閉時(shí)間和調(diào)速器最優(yōu)輸出功率，選擇導(dǎo)葉主配壓閥的通徑為DN80。

3.3 主配壓閥襯套控制窗口的形狀分析

主配壓閥襯套控制窗口的開孔尺寸和形狀的選擇對(duì)調(diào)速器的調(diào)節(jié)性能至關(guān)重要。對(duì)主配壓閥襯套控制窗口的設(shè)計(jì)要求是：在調(diào)速器進(jìn)行小波動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)接力器活塞桿位移的精確控制；在調(diào)速器進(jìn)行大波動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，滿足接力器最快關(guān)閉時(shí)間的要求。同時(shí)，襯套控制窗口的開孔尺寸和形狀應(yīng)使主配壓閥漏油量小和滿足油泵啟動(dòng)間隔時(shí)間的要求。

綜合比較主配壓閥襯套控制窗口與活塞閥盤形成梯形、矩形、多邊形和半圓形過流間隙時(shí)調(diào)速器的調(diào)節(jié)性能，最終確定襯套控制窗口與活塞閥盤形成梯形過流間隙時(shí)調(diào)速器的調(diào)節(jié)性能最優(yōu)。在調(diào)速器進(jìn)行小波動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，即活塞位移較小的情況下，由主配壓閥襯套控制窗口與活塞閥盤形成的梯形過流間隙有效面積的變化率相對(duì)較小，可對(duì)接力器開度進(jìn)行精確調(diào)節(jié)；當(dāng)調(diào)速器進(jìn)行大波動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，即活塞位移較大的情況下，主配壓閥活塞閥盤移動(dòng)到襯套控制窗口直邊段內(nèi)，使得過流間隙的有效面積快速增大，滿足大波動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)接力器的流量要求。另外，梯形過流間隙的有效面積變化率不同于矩形、多邊形和半圓形過流間隙，當(dāng)活塞移動(dòng)時(shí)，前者有效面積的變化率在窗口銜接處不會(huì)發(fā)生突變，可保證接力器穩(wěn)定運(yùn)行。

考慮到調(diào)速器進(jìn)行小波動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)的精度要求，襯套控制窗口與活塞閥盤形成的梯形過流間隙的有效面積的變化率不宜過大，否則會(huì)導(dǎo)致操作油過流量變化過大，影響調(diào)速器的調(diào)節(jié)性能。同時(shí)，兼顧到調(diào)速器進(jìn)行大波動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)接力器的流量要求，襯套控制窗口與活塞閥盤形成的梯形過流間隙的上底邊與下底邊的最小長度比一般取0.5左右［26，29］。襯套控制窗口尺寸的選擇可根據(jù)各水電站接力器的操作功進(jìn)行調(diào)整。圖6為適用于潼南水電站貫流式水輪機(jī)調(diào)速器的主配壓閥襯套示意圖，其中開腔與關(guān)腔的控制窗口的尺寸相同。

圖6 主配壓閥襯套示意圖Fig.6 Schematic diagram of main distributing valve bushing

4 調(diào)速器現(xiàn)場性能試驗(yàn)及其結(jié)果分析

根據(jù)相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)和潼南水電站對(duì)調(diào)速器的技術(shù)規(guī)范要求，開展調(diào)速器現(xiàn)場性能試驗(yàn)。

4.1 調(diào)速器靜特性測試試驗(yàn)

調(diào)速器靜特性測試試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)調(diào)速器的轉(zhuǎn)速死區(qū)和非線性度。按規(guī)定設(shè)置相應(yīng)試驗(yàn)條件：貫流式水輪機(jī)蝸殼不充水，永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp=6%，切除人工轉(zhuǎn)速死區(qū)，調(diào)速器處于自動(dòng)工況負(fù)載狀態(tài)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模式；空載PID參數(shù)為Kp=2.5、Kd=0.3 s、Ki=3.5s-1；電氣開度限制YL=100%；導(dǎo)葉接力器給定開度Yg=50%，給定功率Pg=0%，給定頻率fg=50.00 Hz；機(jī)組頻率fj=50.00 Hz；外接高精度工頻信號(hào)發(fā)生器以模擬機(jī)組頻率。調(diào)速器靜特性測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 調(diào)速器靜特性測試結(jié)果Fig.7 Static characteristics test result of governor

由圖7所示的調(diào)速器靜特性測試曲線可知，實(shí)際測得的調(diào)速器轉(zhuǎn)速死區(qū)ix=0.004%，非線性度誤差ε=0.003%，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的調(diào)速器靜特性曲線近似為直線，非線性度誤差小于0.1%，以及轉(zhuǎn)速死區(qū)不超過0.02%的控制要求［30］。

4.2 調(diào)速器手/自動(dòng)切換試驗(yàn)

調(diào)速器手/自動(dòng)切換試驗(yàn)是檢驗(yàn)主配壓閥自動(dòng)復(fù)中功能的重要試驗(yàn)，主要是測量調(diào)速器在不同運(yùn)行工況下進(jìn)行手動(dòng)與自動(dòng)操作模式切換時(shí)導(dǎo)葉接力器的位移變化量。測量方法為：在調(diào)速器處于停機(jī)、空載運(yùn)行和發(fā)電工況下，操作調(diào)速器機(jī)械柜上的導(dǎo)葉手/自動(dòng)切換旋鈕，記錄導(dǎo)葉接力器活塞桿的位移變化量。相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：調(diào)速器在不同運(yùn)行工況下，導(dǎo)葉接力器進(jìn)行手/自動(dòng)操作模式切換時(shí)，其活塞桿位移變化量小于全行程的±0.5%。經(jīng)試驗(yàn)測得，潼南水電站的貫流式水輪機(jī)調(diào)速器在不同工況下進(jìn)行手/自動(dòng)操作模式切換時(shí)，導(dǎo)葉接力器活塞桿的位移變化量分別為：停機(jī)工況下為全行程的0.11%，空載運(yùn)行工況下為全行程的0.15%，發(fā)電工況下為全行程的0.12%，均滿足要求。

4.3 水輪機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)

當(dāng)貫流式水輪機(jī)組突然甩去負(fù)荷時(shí)，導(dǎo)葉需按照機(jī)組的調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)要求關(guān)閉，這一過程會(huì)引起水輪機(jī)組工作參數(shù)的劇烈變化。水輪機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)是檢驗(yàn)調(diào)速器調(diào)節(jié)性能的重要試驗(yàn)［31］。試驗(yàn)?zāi)康氖菧y試水輪機(jī)組的蝸殼水壓上升值、最高轉(zhuǎn)速是否滿足機(jī)組調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)要求，對(duì)甩負(fù)荷過渡過程中調(diào)速器的調(diào)節(jié)性能進(jìn)行考核。設(shè)置試驗(yàn)條件為：調(diào)速器處于自動(dòng)工況負(fù)載狀態(tài)，開度調(diào)節(jié)模式；PID參數(shù)為Kp=3.0，Kd=2.5 s，Ki=0.3s-1。分別在貫流式水輪機(jī)組負(fù)荷為25%，50%，75%和100%時(shí)進(jìn)行甩負(fù)荷試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

表2 貫流式水輪機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of load rejection test of tubular turbine unit

根據(jù)潼南水電站的水輪機(jī)組調(diào)節(jié)保證設(shè)計(jì)要求和相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)，為防止蝸殼壓力鋼管受力過大，蝸殼水壓上升率應(yīng)不大于30%。實(shí)測發(fā)現(xiàn)，貫流式水輪機(jī)組甩100%負(fù)荷時(shí)，蝸殼水壓上升率為20.71%。為防止水輪機(jī)組轉(zhuǎn)速上升過快而觸發(fā)電氣保護(hù)和機(jī)械過速保護(hù)裝置動(dòng)作，導(dǎo)致事故停機(jī)，要求轉(zhuǎn)速上升率不大于40%。實(shí)測發(fā)現(xiàn)，貫流式水輪機(jī)組甩100%負(fù)荷時(shí)，轉(zhuǎn)速上升率為35.08%。為滿足調(diào)節(jié)的快速性和穩(wěn)定性，要求調(diào)節(jié)時(shí)間te與峰值時(shí)間tm的比值不大于8，超過3%額定轉(zhuǎn)速的波峰次數(shù)不超過2次。實(shí)測發(fā)現(xiàn)，貫流式水輪機(jī)組的調(diào)節(jié)時(shí)間te與峰值時(shí)間tm的最大比值為6.88，出現(xiàn)在機(jī)組甩50%負(fù)荷時(shí)；在所有甩負(fù)荷試驗(yàn)中，超過3%額定轉(zhuǎn)速的波峰次數(shù)均為1次。為防止水輪機(jī)組停機(jī)，要求甩負(fù)荷后機(jī)組的最低轉(zhuǎn)速不低于額定轉(zhuǎn)速的90%（即對(duì)應(yīng)的頻率不低于45 Hz），在調(diào)速器的控制策略上采用在水輪機(jī)組頻率下降為50 Hz前將導(dǎo)葉開到空載開度。實(shí)測發(fā)現(xiàn)，貫流式水輪機(jī)組甩100%負(fù)荷時(shí)，最低轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的頻率為46.12 Hz，機(jī)組轉(zhuǎn)速在進(jìn)入空載轉(zhuǎn)速區(qū)域（空載轉(zhuǎn)速的±1%）后，其頻率未見超調(diào)，達(dá)到了調(diào)速器的最優(yōu)控制狀態(tài)。上述試驗(yàn)結(jié)果均滿足相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求［30，32］。

5 結(jié)論

本文介紹了潼南水電站貫流式水輪機(jī)調(diào)速器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)，重點(diǎn)分析了具有自復(fù)中功能的主配壓閥以及滿足國內(nèi)貫流式水輪機(jī)組關(guān)閉要求的事故配壓閥的結(jié)構(gòu)和功能。同時(shí)，根據(jù)調(diào)速器液壓系統(tǒng)流量與壓降的關(guān)系并考慮調(diào)速器的最優(yōu)輸出功率，提出了一種主配壓閥選型設(shè)計(jì)方法，并對(duì)其襯套控制窗口形狀進(jìn)行分析。最后，對(duì)設(shè)計(jì)的調(diào)速器進(jìn)行了現(xiàn)場性能試驗(yàn)，以驗(yàn)證其設(shè)計(jì)的合理性。得出的結(jié)論如下。

1）由現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果可知，基于流量負(fù)反饋原理設(shè)計(jì)的主配壓閥自復(fù)中功能是可行的；事故配壓閥可滿足潼南水電站貫流式水輪機(jī)組的關(guān)閉要求。

2）基于主配壓閥的流量與壓降關(guān)系和調(diào)速器最佳輸出功率提出的主配壓閥選型設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了調(diào)速器主配壓閥和接力器操作功之間的匹配，進(jìn)一步提高了調(diào)速器的調(diào)節(jié)性能?？紤]到調(diào)速器的調(diào)節(jié)性能和主配壓閥漏油量的要求，確定襯套控制窗口與活塞閥盤形成的過流間隙的形狀為梯形。

使用重錘作為導(dǎo)葉接力器的主要關(guān)閉驅(qū)動(dòng)力是未來的發(fā)展趨勢，可避免材料浪費(fèi)、簡化調(diào)速器液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和優(yōu)化水輪機(jī)組設(shè)計(jì)。今后將借鑒國外水輪機(jī)制造商對(duì)貫流式水輪機(jī)組關(guān)閉規(guī)律的設(shè)計(jì)理念，結(jié)合我國水電站的實(shí)際要求，研制出適用于大型貫流式水輪機(jī)調(diào)速器。