水輪機(jī)調(diào)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(jī)調(diào)壓閥是為了在長(zhǎng)引水管系統(tǒng)中為取代調(diào)壓井而設(shè)置的安全泄壓閥組，當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷調(diào)速器快速關(guān)閉的同時(shí)，調(diào)壓閥迅速開(kāi)啟，調(diào)壓閥作為機(jī)組的旁通回路將壓力鋼管中的部分流量不通過(guò)機(jī)組直接排向下游，在抑制壓力管道壓力上升的同時(shí)，也保證了機(jī)組轉(zhuǎn)速上升在允許范圍之內(nèi)。其特殊的保護(hù)要求是：當(dāng)調(diào)壓閥系統(tǒng)出現(xiàn)故障，不能正常開(kāi)啟時(shí)，如果機(jī)組導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)按正常情況快速關(guān)閉，會(huì)引起引水管中壓力快速上升，有可能引起災(zāi)難性后果。本文闡述和對(duì)比了傳統(tǒng)特殊主配控制和導(dǎo)葉調(diào)壓閥獨(dú)立控制的特點(diǎn)，得出了特殊主配在帶調(diào)壓閥控制的調(diào)速器中無(wú)法被獨(dú)立控制方式所替代的結(jié)論。

2 特殊主配的應(yīng)用

1974年原水電部在湖南龍?jiān)措娬締?dòng)了以閥代井的試驗(yàn)研究并取得成功，其控制模式包括水輪機(jī)調(diào)壓閥不采用普通調(diào)速器和獨(dú)立的調(diào)壓閥控制系統(tǒng)分別控制，而是采用專(zhuān)用的調(diào)速器，專(zhuān)用調(diào)速器用同一個(gè)液壓功率元件將調(diào)壓閥接力器油缸和導(dǎo)葉接力器油缸的液壓串聯(lián)起來(lái)驅(qū)動(dòng)控制，當(dāng)調(diào)壓閥拒動(dòng)時(shí)由于油路是串聯(lián)的，油路自然的被阻塞了，導(dǎo)葉接力器無(wú)法通過(guò)正常油路關(guān)閉只能通過(guò)旁路慢速關(guān)閉，具備上述功能的液壓功率驅(qū)動(dòng)元件被業(yè)界簡(jiǎn)稱(chēng)為“特殊主配”。特殊主配控制方式也成為了全液壓式水輪機(jī)調(diào)壓閥最通常的控制形式。

特殊主配同時(shí)控制著水輪機(jī)導(dǎo)葉接力器和水輪機(jī)調(diào)壓閥接力器油缸的開(kāi)關(guān)，由圖1所示，特殊主配開(kāi)（主配活塞向上運(yùn)動(dòng)）、小波動(dòng)關(guān)閉、大波動(dòng)關(guān)閉，由于不同遮程的油路開(kāi)口形成不同的油路。特殊主配小波動(dòng)關(guān)閉運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)葉接力器油缸控制和水輪機(jī)調(diào)壓閥油缸控制無(wú)關(guān)，通過(guò)油路節(jié)流閥C實(shí)現(xiàn)慢速關(guān)機(jī)。

圖1

特殊主配大波動(dòng)關(guān)機(jī)時(shí)（活塞大幅度向下運(yùn)動(dòng)），導(dǎo)葉接力器油缸關(guān)腔和水輪機(jī)調(diào)壓閥油缸關(guān)腔通過(guò)特殊主配被串聯(lián)起來(lái)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)葉接力器快關(guān)且同時(shí)調(diào)壓閥接力器快開(kāi)，當(dāng)調(diào)壓閥拒動(dòng)時(shí)，其驅(qū)動(dòng)油缸無(wú)法動(dòng)作，導(dǎo)葉接力器油缸由于和調(diào)壓閥接力器油缸串聯(lián)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)常規(guī)的快速關(guān)閉聯(lián)動(dòng)，導(dǎo)葉接力器只能通過(guò)液壓回路節(jié)流閥C實(shí)現(xiàn)慢速關(guān)機(jī)。

液壓回路主配的導(dǎo)葉開(kāi)腔、調(diào)壓閥開(kāi)腔和旁通供油腔上分別設(shè)置了不同的節(jié)流閥b、a和c，通過(guò)設(shè)置節(jié)流閥a流量小于節(jié)流閥c，這樣就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)壓閥拒動(dòng)時(shí)導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間大于正常關(guān)閉時(shí)間，也就是調(diào)壓閥拒動(dòng)時(shí)導(dǎo)葉只能慢速關(guān)閉，不能快速關(guān)閉。這一控制模式在之后的40多年內(nèi)，一直被業(yè)界所廣泛認(rèn)同和小心翼翼的遵從。

3 導(dǎo)葉和調(diào)壓閥接力器獨(dú)立控制的替代模式

近年來(lái)，調(diào)壓閥替代調(diào)壓井越來(lái)越多被用戶采用，同時(shí)擁有較低成本的高油壓調(diào)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(shí)現(xiàn)帶有調(diào)壓閥控制日益受到調(diào)速器制造廠家的重視。

常規(guī)油壓下普遍使用的滑閥式主配壓閥實(shí)現(xiàn)高油壓下的應(yīng)用遇到的最大難題就是：由于配合間隙加工困難出現(xiàn)泄漏量大，導(dǎo)致接力器飄移而無(wú)法使用。而特殊主配的串聯(lián)式控制中四閥盤(pán)滑閥式結(jié)構(gòu)又無(wú)法用標(biāo)準(zhǔn)閥組所實(shí)現(xiàn)。

一些廠家提出了替代特殊主配的控制模式，以2套標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)閥組來(lái)分別控制調(diào)壓閥和導(dǎo)葉的接力器。這種方案實(shí)際上是在常規(guī)高油壓調(diào)速器液壓基礎(chǔ)上，增設(shè)了一套獨(dú)立的調(diào)壓閥液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，采用純電氣聯(lián)鎖保護(hù)方式或者以電氣保護(hù)和機(jī)械液壓這套系統(tǒng)方式檢測(cè)調(diào)壓閥接力器的位置來(lái)避免出現(xiàn)調(diào)壓閥卡阻時(shí)導(dǎo)葉接力器的快速關(guān)閉可能。與特殊主配對(duì)調(diào)壓閥和導(dǎo)葉接力器所采用的串聯(lián)控制方式不同，這些控制方式均采用了調(diào)壓閥和導(dǎo)葉接力器并聯(lián)控制的形式。

3.1 純電氣聯(lián)鎖保護(hù)

2套液壓回路之間的保護(hù)控制功能由電氣控制實(shí)現(xiàn)，模擬特殊主配的保護(hù)功能。調(diào)壓閥拒動(dòng)的判斷由設(shè)置在調(diào)壓閥接力器上的位移傳感器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)調(diào)壓閥關(guān)閉信號(hào)發(fā)出后一段時(shí)間，調(diào)壓閥接力器位移反饋值未發(fā)生變化，即判斷為調(diào)壓閥卡阻拒動(dòng)，這時(shí)候電氣控制導(dǎo)葉接力器慢速關(guān)閉。

其控制系統(tǒng)如圖2。以閥b1控制導(dǎo)葉接力器，b2控制調(diào)壓閥接力器。b1和b2采用2套不同的電液轉(zhuǎn)換元件或者電液控制元件，以微機(jī)可編程控制器驅(qū)動(dòng)，具體實(shí)現(xiàn)上又分為純電氣聯(lián)鎖控制和電氣加液壓聯(lián)鎖保護(hù)控制2大類(lèi)別。

這一保護(hù)措施存在諸多缺陷：首先是當(dāng)調(diào)速器可編程電氣系統(tǒng)故障或者事故停機(jī)狀態(tài)，緊急停機(jī)電磁閥動(dòng)作直接控制液壓系統(tǒng)而不通過(guò)調(diào)速器微機(jī)控制的情況下，這一功能便無(wú)法實(shí)現(xiàn)。而這種情況在電站實(shí)際運(yùn)行中并不鮮見(jiàn)。另外，調(diào)壓閥拒動(dòng)判斷時(shí)間長(zhǎng)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(dú)立控制方式的最重要因素。

圖2

3.2 電氣與液壓聯(lián)鎖保護(hù)

這一保護(hù)是在純電氣聯(lián)鎖保護(hù)基礎(chǔ)上，在調(diào)壓閥接力器全關(guān)位置處再增設(shè)一個(gè)液壓行程閥，當(dāng)調(diào)壓閥未開(kāi)啟時(shí)，該行程閥控制下，導(dǎo)葉關(guān)閉油路為慢速關(guān)閉通路，導(dǎo)葉只能以設(shè)定的時(shí)間慢速關(guān)閉。見(jiàn)圖3。

圖3

這一聯(lián)鎖保護(hù)模式較純電氣聯(lián)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(xiàn)調(diào)壓閥卡阻時(shí)快速關(guān)閉導(dǎo)葉機(jī)構(gòu)可能造成的危險(xiǎn)。

這一控制方式的不足在于其可靠性的關(guān)鍵完全依靠這只行程閥對(duì)于調(diào)壓閥接力器是否通過(guò)行程閥設(shè)置的特定區(qū)域的檢測(cè)，而調(diào)壓閥的拒動(dòng)并不僅僅是依靠判斷接力器通過(guò)設(shè)定的某一點(diǎn)區(qū)域來(lái)識(shí)別的，工程實(shí)踐中不乏調(diào)壓閥開(kāi)啟不全導(dǎo)致泄流量不足、行程閥安裝缺陷出現(xiàn)檢測(cè)死區(qū)、以及行程閥檢測(cè)所必然帶來(lái)的判斷滯后等導(dǎo)致的問(wèn)題，如果在這種情況下出現(xiàn)調(diào)速器電氣系統(tǒng)失效故障，同樣可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果。盡管這種故障可能性很低，但對(duì)于調(diào)壓閥這樣一個(gè)故障可能導(dǎo)致嚴(yán)重后果的設(shè)備控制來(lái)說(shuō)，是不應(yīng)該忽略出現(xiàn)這種事故發(fā)生概率的。

4 結(jié)論

特殊主配控制方式所采用的串聯(lián)控制方式在調(diào)壓閥卡阻拒動(dòng)時(shí)，原有液壓回路自然阻塞，正常的導(dǎo)葉快速關(guān)閉油路隨之失效。而2套控制元件分別控制導(dǎo)葉和調(diào)壓閥的并聯(lián)方式，無(wú)論如何都沒(méi)有解決在沒(méi)有外來(lái)判斷下實(shí)現(xiàn)其中一套元件失效，另一套元件亦自動(dòng)失效的機(jī)制，而“自動(dòng)失效”機(jī)制就是特殊主配可靠性的關(guān)鍵點(diǎn)所在。因?yàn)橥鈦?lái)第三方判斷的故障有可能會(huì)導(dǎo)致聯(lián)鎖保護(hù)的失敗。

調(diào)壓閥是在極端情況下引水系統(tǒng)的唯一和最后一道安全保護(hù)措施，這道安全保護(hù)一旦失效造成機(jī)毀人亡的嚴(yán)重事故的幾率極大，因此其可靠性應(yīng)該被上升到最高安全標(biāo)準(zhǔn)，是絕不能以任何降低安全系數(shù)的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。

其他替代方案可靠性對(duì)比特殊主配控制方式均降低了保護(hù)的可靠性標(biāo)準(zhǔn)，采用替代方案存在諸多隱患，高油壓調(diào)速器實(shí)現(xiàn)對(duì)水輪機(jī)調(diào)壓閥的控制應(yīng)該在堅(jiān)持特殊主配串聯(lián)式控制的基本原則下，通過(guò)提高加工工藝等手段加以實(shí)現(xiàn)。