某調速器插裝式液壓閥組節流問題淺析

覃 杰，吳紅光

（1.五凌電力托口電廠，湖南 懷化418000；2.五凌電力掛治電廠，貴州 錦屏556700）

水輪機調速器是水電廠重要的輔助控制設備，其主要功能是實現對機組的調節與控制，調速器調節品質的好壞直接影響著機組的安全穩定運行[1]。為了保證調速器的動作可靠，其液壓隨動系統會設置一系列液壓元器件，在實現調節與控制功能的同時，更保證系統響應的速度、精度和穩定性達到要求。數字式水輪機調速器是基于現代液壓數字邏輯插裝技術而開發的一類新型調速器，它突破了傳統調速器的經典形式，以邏輯插裝閥組取代主配壓閥實現對主油路的切換[2]，插裝閥組的調節無需由中間位置與機械反饋來保證，同時兼備零遮程特性和抗干擾能力強、靜態油耗低的優點。與傳統單閥芯主配壓閥相比，邏輯插裝閥組在工作中必須多閥聯動，顯然，保證各插裝閥動作速度與幅度的協調相當重要，否則將很大程度地影響系統的調節品質。

1 問題的提出

某電廠水輪機為軸流轉槳式，調節系統采用數字式調速器，在調速器液壓系統中，槳葉操作回路采用浮動瓦受油器供油方式。在某次機組運行中，出現受油器大量冒油的情況，停機解體檢查受油器，發現其浮動瓦密封圈存在機械性破損痕跡。更換密封圈，機組恢復運行后，對受油器運行情況進行重點監視，發現機組減負荷時，受油器供回油管振動較大，而機組增負荷時則相對平穩。

查閱槳葉開度波形曲線，發現機組減負荷時，槳葉開度出現超調情況，即槳葉開度減小到某一值后，立即反調并經過一個明顯增大的過程后才達到穩態值，而機組增負荷時，未出現反調情況，且導葉開度波形曲線也無類似現象。

2 數字式水輪機調速器的液壓原理

該廠數字式水輪機調速器液壓隨動系統原理如圖1：插裝閥是隨動系統的主級，開度增減回路是控制插裝閥的先導級，先導回路由多種液壓元件組成，以實現方向、壓力、流量控制功能[3]；接力器在固定開度下，壓力油與插裝閥A/B/C/D的控制腔相通，插裝閥全部關閉；當開度減回路動作時，插裝閥B/C的控制腔接回油，該兩閥同時打開，接力器開腔接回油、關腔接壓力油，使接力器往關方向動作；同理，開度增回路動作時，插裝閥A/D同時打開，接力器往開方向動作。

與一般電磁閥不同，開度增減回路的動作并不等同于將插裝閥的控制腔完全接通回油，其原理如圖2，回路動作時，壓力油依然與插裝閥控制腔相通，且同時與回油相通，其設計理念是通過調節壓力油口和回油口的大小來改變流速v，從而調節插裝閥控制腔的壓力P1，實現的機理是流體力學能量方程，假定在理想狀態下：

在調速器液壓系統中，常數const可以壓力油罐為參考（P0，v0≈0），高程變化h的影響可以忽略不計，則：

在油源壓力P0基本不變的情況下，插裝閥控制腔壓力P1與v成線性關系，結合圖1的液壓隨動系統原理可以看出，P1越小，其控制的插裝閥開度越大，接力器動作的速度越快。

圖1 液壓隨動系統原理

圖2 插裝閥控制腔壓力調節原理

3 問題原因分析

一般來說，按同樣標準參數設計的插裝閥，其開度與控制腔的壓力具有特定的關系，類似如圖3-（a）所示。無論接力器往開還是往關方向動作，由于聯動的兩個相同的插裝閥是受同一個控制油口控制的，所以兩個插裝閥的開度應該一致，但在實際運行中，還應當考慮插裝閥是否受機械限位的影響。插裝閥機械限位的設置是為了保證在異常情況下，接力器操縱執行機構快速動作的速度滿足機組調保計算的要求。

對于邏輯插裝式液壓系統，只要調節兩個聯動插裝閥中任意一個的機械限位，就能控制接力器操縱執行機構的響應時間，但如果只調節一個插裝閥的機械限位，可能會影響調速器運行的穩定性。結合圖1的液壓隨動系統原理，以關接力器為例，若只調了插裝閥B的機械限位，由于插裝閥C行程大，在同一個控制腔壓力的作用下，可能出現兩個聯動的插裝閥開度不一致。考慮兩個插裝閥的機械限位不同，定性繪制其開度與控制腔壓力關系如圖3-（b），當控制腔壓力大于P2、接力器調節速度慢時，插裝閥B/C開度一致，供回油相對平衡，系統運行穩定性較好；而當控制腔壓力小于P2、接力器快速動作時，插裝閥B的實際開度小于插裝閥C，則出現供油液阻大而回油液阻小的情況，這會導致接力器開腔回油過快而關腔供油不足，沒有回油側節流作用，系統阻尼低，抗干擾能力將會削弱，油流的流量脈動增加，造成管路振動加劇[4]。當插裝閥B/C關閉的瞬間，由于阻尼較低，接力器還會繼續前沖，然后才回調。

圖3 插裝閥開度——控制腔壓力關系

該廠調速器運行情況是，機組大幅度減負荷、槳葉開度快速減小時，系統沖擊及開度超調的現象明顯，而其他運行情況下則較為平穩。由此可以推斷，該問題正是由于槳葉接力器快速關閉時，導通其開腔接回油的插裝閥沒有起到節流的作用。

4 雙向對等節流作用的實現

在液壓系統的設計中，可以通過設置節流裝置增大液阻來減小系統的波動，供油側節流可以減小壓力源波動對系統穩定性的影響，回油側節流則能削弱負載波動對系統的沖擊，在不影響調節速度和精度的情況下，雙向對等節流能夠最大程度地提高調節系統的穩定性[5]。

圖4 主配壓閥結構簡圖

傳統單閥芯主配壓閥結構簡化如圖4，閥芯在任意位置時，接回油和接壓力油的兩個開口是否一致，主要靠閥芯和襯套的加工精度來保證，與安裝調整無關，而一般主配壓閥的閥芯、襯套都有較高的加工精度[6]，所以其供油、回油雙向節流的作用效果基本一致，也就不存在單方向動作時系統振動沖擊大和開度超調的問題。

而對于數字式水輪機調速器的插裝閥組，其液壓系統供油、回油的節流是否對等很大程度與插裝閥的安裝調整有關，故而提高其安裝質量水平相當重要，現提出以下兩種方法。

4.1 方法一

由于水輪機調速器的液壓系統屬于負載波動型系統，相對于供油側節流，其回油側節流是否可靠尤為重要，在調整插裝閥的機械限位時，可以優先調節回油側插裝閥。

如圖5（a），以調節接力器快關的時間為例，完全放開供油側插裝閥B的機械限位，先調節回油側插裝閥C，具體方法為：調節插裝閥C的機械限位到某一位置，測試接力器快關時間，若小于調保計算要求的T1，將其限位適度放開，若大于T1，則進一步縮小限位，最終調出插裝閥C理想的機械限位，使接力器快關時間為T1，并將其鎖緊螺母鎖死并做好位置記號。

調節插裝閥B的限位時，可以參照圖5（b）曲線，由于插裝閥C已對液壓回路起節流作用，在插裝閥B較大的一段行程調節范圍內，接力器快關時間不受其限位的影響，在該調節范圍的下限繼續往下調，接力器快關時間將會延長，可以通過多次調節測試，找出該臨界點即插裝閥B的理想限位，調好后，將其鎖緊螺母鎖死并做好位置記號。

4.2 方法二

同樣以調節接力器快關的時間為例，參照方法一的步驟，在調好插裝閥C的機械限位后，可以做好標記并先放開其限位，再調插裝閥B的限位，插裝閥B的限位調好后，將插裝閥C的限位按原標記位置恢復，其后將鎖緊螺母鎖死，做好最終位置記號。

圖5 插裝閥機械限位調節示例

4.3 比較分析

通過比較分析，可以理解前面兩種方法都有缺點，方法一的難度在于，插裝閥B的臨界位置比較難以調出，在實踐中需要做大量的測試，且即便是準確調出了接力器動作時間發生變化的臨界點，由于該狀態下回油側插裝閥C的節流作用相對明顯，插裝閥B的實際行程可能稍大，使接力器供油側節流的作用稍差。但應當理解，由于考驗調速器液壓系統穩定性的主要因素是負載的波動，故而在一定程度上，這種不對等節流是可以接受的。

方法二則較為簡單易行，且在理論上能夠實現供油、回油雙向對等節流，但有兩方面問題需要注意：插裝閥C的限位經過調好—放開—恢復這一過程難免有誤差，由于回油側節流相對重要，可以對供油側插裝閥B的限位進行調好—放開（調回油側插裝閥C）—恢復這一過程；雖然節流效果一樣，但考慮到系統的液阻增大，兩個插裝閥共同節流的作用，可能會使接力器動作的時間較前測值略微延長，應進行最終測試驗證，若有必要，可將插裝閥B/C的機械限位略微對等放開。

4.4 實踐應用及效果

針對機組減負荷中槳葉控制油路沖擊大及開度超調的問題，該廠參照上述方法二，對相應插裝閥組的機械限位進行了調整，實踐證明該方法簡單可行。調整后，機組大幅減負荷中，管路不再有明顯的沖擊，且槳葉開度超調的現象也消失了，調速器系統的調節品質有了明顯提高。

5 結語

不同于傳統單閥芯主配壓閥，供回油雙向不對等節流造成液壓系統穩定性下降，是邏輯插裝閥組所特有的現象，但這并不說明后者實用性差。其一相比于主配壓閥的單獨設計、小量生產，插裝閥能夠適應標準設計、批量生產，其應用推廣具有先天優勢；其二在實現邏輯控制、隨動控制、數字控制、比例控制等方面，邏輯插裝技術能有力促進現代電子技術和液壓技術的對接及進一步發展，具有其獨特的統合優勢[7]。

邏輯插裝式液壓系統供回油不對等節流，根源于插裝閥組的安裝調整不規范，本文結合實際案例，探討了插裝閥組的聯動特性，從插裝閥組的安裝工藝方面，提出消除供回油不對等節流的方法，對提升數字式水輪機調速器的技術管理水平，具有一定的參考意義，對相關問題的探討，也有助于該類產品的應用推廣。