保障水電廠安全運行的插裝式組合閥研究

楊曉波，李 娜，張治宇，逯鵬成，龐鵬飛

（1. 江西省界牌航電樞紐管理處，江西 鷹潭 335001；2.北京中水科水電科技開發有限公司，北京 100038）

油壓裝置作為水電廠液壓操作系統不可或缺的動力設備，可以為水輪發電機組調速系統、進水球閥、蝶閥以及其它需要壓力油作為能源的設備提供壓力油源。為保證油壓系統運行可靠，通常每套油壓裝置均配備2臺油泵，1臺為工作油泵，另1臺為備用油泵，二者定期輪換。組合閥位于油泵附近，是集逆止、卸載、安全、卸荷等功能于一體的設備，不僅可以穩定壓力油罐的油壓，而且具有保護油泵、電機和壓力油罐安全運行的作用。為防止壓力過高，組合閥通常需設定兩個壓力等級，即卸荷壓力和安全壓力，而目前傳統的組合閥通常只有安全閥，只設定一個安全壓力，因此對于三峽水電廠和向家壩水電廠這樣壓力油罐容積較大的項目，傳統組合閥難以滿足高壓、大流量的要求。

1 插裝式組合閥的特性

1.1 組合閥工作流程

當油壓達到最大工作油壓時，卸荷閥開啟將油泵輸出的油排入回油箱，當油壓達到卸荷閥整定值的110%以上時，安全閥開啟，將油泵輸出的油排入回油箱，安全閥的容量應能達到油泵輸送的總油量。應提供必需的手動操作閥，以便任意1臺油泵與油壓系統可分開檢修。此外，為使油泵平穩啟動，應設置一臺啟動減載閥，在油泵剛啟動時，液壓油經過此閥排入回油箱，當油壓建立起來后，自動關閉此閥，油泵正常工作[1]。

1.2 插裝式組合閥的技術特性

插裝式組合閥由液壓二通插裝閥構成，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到20 000 L/min，滿足水電廠壓力油罐充油需要大流量的要求。插裝閥的閥芯和閥套帶有1～4個節流窗口，不僅對組合閥慢速關閉的節流精度更加精細，對系統的壓力緩沖也可以起到一定作用。

對插裝閥控制腔油流的控制可實現閥芯關閉的多樣性。如用液動換向閥或電磁閥對插裝閥控制腔的有壓和無壓控制，插裝閥能做到快速開啟和關閉；如果對插裝閥控制腔的油流變流量控制，可以實現插裝閥的閥芯變速，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，針對水電廠工作壓力低的特點，我們已研發了常開型插裝閥的組合閥，常開型插裝閥液流流經插裝閥無需克服彈簧力，從而可降低系統壓力損失。目前大多數水電廠都將組合閥布置于油泵附近，裝在管道上。具有安全閥和逆止閥功能的插裝閥方便地集成在一個閥體中，可減少安裝管道，互換性好，便于維修[2]。

2 插裝式組合閥的類型

二通插裝閥式組合閥具有電加載和機械式延時加載兩種方式。

2.1 電加載插裝式組合閥

電加載插裝式組合閥由2個插裝閥、3個先導閥、閥體及法蘭構成。它包含了逆止閥、卸載閥、安全閥和電加載閥的功能。其結構如圖1所示。

圖1 電加載插裝式組合閥結構圖

組合閥設有3個油口，分別為與泵相連的油口P、與壓力罐相連的油口P1以及與回油箱相連的回油口T。 如圖2電加載插裝式組合閥工作原理圖中，2個插裝閥（1個調壓閥和1個逆止閥）及3個先導閥的表示符號為：CV1—調壓閥、CV2—逆止閥、YV1—卸載閥先導控制、YV2—安全閥先導控制、YV3—加載電磁閥[3-4]。

圖2 電加載插裝式組合閥工作原理圖

2.1.1 加載電磁閥（簡稱加載閥）

加載電磁閥是將泵從卸荷狀態帶上負載的電磁閥。由于大功率螺桿泵的電動機慣量大，所以從啟動到穩定狀態需要一定的時間。如果在螺桿泵達到額定流量之前帶上負載，則對螺桿泵、液壓系統均十分不利。采用加載電磁閥可以使螺桿泵啟動時處于卸荷狀態，直到電動機達到額定轉速后，才使螺桿泵輸出額定工作壓力和流量的壓力油。油泵啟動時，由于P1的作用，逆止閥CV2處于關閉狀態。調壓閥CV1上腔通過電磁加載閥與回油相同，處于導通狀態，油泵流過的油通過CV1油口回到回油箱。當電磁閥YV3通電，調壓閥CV1上腔通與回油關閉。此時壓力油進入CV1控制腔，使CV1關閉。從而P口壓力把止回閥打開，向壓力罐供油。當停泵后，卸載閥又恢復起始狀態。

2.1.2 安全閥

安全閥是為保證壓力罐內油壓不超過允許值而設置的泄放裝置，以防止螺桿泵與壓力罐過載，并保護其安全。當發生故障時，螺桿泵仍然運轉，油壓繼續升高，當壓力作用于先導控制閥YV2的推力大于整定彈簧力時，則YV2動作，使CV1控制的油排泄。此時，在P口壓力作用下調壓閥CV1被推開，使油泵的油液回到回油箱，壓力罐及螺桿泵都能保持在額定的壓力下工作。

2.1.3 卸荷閥

卸荷閥由卸荷先導閥YV2與主閥CV1組成。它是為螺桿泵作連續運行而設置的。螺桿泵采用連續工作時，壓力罐內的壓力隨流量而變化，當輸入流量大于輸出流量時，壓力隨之升高：當壓力高于工作壓力上限時，卸荷先導控制閥YV3控制腔壓力克服彈簧力而動作，CV1控制腔泄油，使CV1活塞被推開，使油泵的油液回到回油箱，逆止閥CV2處于關閉狀態，使螺桿泵在低壓下工作。隨著系統的消耗，壓力罐內油壓逐漸降低，當壓力罐的壓力達到工作油壓下限時，卸荷先導閥YV3在彈簧力作用下關閉。CV1控制腔隨著建壓而關閉調壓閥，螺桿泵恢復向壓力罐供油。安全閥和卸荷閥動作壓力，可以分別通過YV2、YV3的彈簧預緊力來調整。

2.1.4 逆止閥

在壓力油通往系統前設有一逆止閥CV2。由于P1壓力的作用，逆止閥處于關閉狀態。油泵啟動后，經卸載閥YV1的卸載作用，直到主閥CV1關閉，P口的壓力上升到一定壓力克服逆止閥背壓，打開逆止閥向壓力罐充油。

2.1.5 電加載組合閥對控制電源的要求

（1）廠用交流電源：～220 V±10%，50 Hz，≤1 000 VA；廠用直流電源：220 V±10%，≤100 W；

（2）電加載組合閥使用的開關電源：輸入電壓AC 85～264 V，輸出電壓DC 24 V。

2.2 機械加載插裝式組合閥

機械加載插裝式組合閥由2個插裝閥、2個先導閥、機械式延時加載閥、閥體和法蘭構成，其結構如圖3所示。

圖3 機械加載插裝式組合閥結構圖

圖4 機械加載插裝式組合閥工作原理圖

如圖4機械加載插裝式組合閥工作原理圖所示，當油泵啟動后，泵打出的油經過安全閥排回油箱，當油泵啟動3～5 s后，機械式延時加載閥YV1加載，插裝式主閥CV1閉合，油流經逆止閥CV2打入油罐直到工作壓力達到安全閥設定的壓力值。

如金沙峽水電廠壓油罐容積2.5 m3，工作壓力4.0 MPa，最大使用壓力4.4 MPa，泵流量3 L/s，安全閥要求4.2 MPa完全排空。針對上述要求，改造時采用二通插裝閥式組合閥，將力士樂DN32系列插裝閥作為安全閥和逆止閥，設定最大壓力為4.2 MPa，機械式延時加載閥3 s后油泵帶壓工作，現場實測當油壓高于工作壓力4.2 MPa時，安全閥完全開啟，且壓力油罐中的壓力不再升高，滿足金沙峽水電廠的改造要求。

3 插裝式組合閥的技術優勢

3.1 減小油泵供油時的震動

油泵在向壓力罐供油過程中，由于油流速度和壓力的變化會引起震動。插裝式組合閥的逆止閥采用插裝閥，插裝閥的閥芯和閥套帶有1～4個節流窗口，對組合閥慢速關閉的節流精度更加精細，對流速可以起到緩變作用。另外通過對插裝閥控制腔油流的控制，可實現閥芯關閉速度的變化，減小壓力劇變，系統的震動自然就消除了。

如廣西紅花水電廠采用插裝式組合閥后，在該廠50 m多超長操作油管且無特殊加固管卡的工作條件下，設備依然工作平穩，回油箱和油管路系統無任何明顯沖擊或震動，顯著降低了廠房內的噪音。

3.2 保護油泵

對于普通的油泵安全閥和逆止閥，當油泵啟動供油時，油壓急速上升至工作油壓，產生的壓力沖擊將破壞油泵密封，降低其使用壽命，而插裝式組合閥則可以通過延緩建壓時間來有效減小壓力沖擊，從而保護油泵。

3.3 保護電機

3.3.1 有效防止電機反轉

當油罐壓力達到工作壓力時，加載閥斷電，油泵卸載，油泵油流排入回油箱，3～5 s后油泵停止運行，由于插裝閥的閥芯和閥套之間為錐面密封，動作快速，開啟壓力設定為0.4 MPa，可保證逆止閥可靠關閉，有效防止壓力罐油液倒流，從而保證電機不會反轉。

3.3.2 有效減小電機啟動電流

不論是電加載插裝式組合閥，還是機械加載插裝式組合閥，均有延時加載的功能，因而可以延緩油泵的建壓時間，當電機在無負載的情況下從零轉速運行到額定轉速時，可以降低壓力沖擊，從而有效減小電機啟動電流。如竹篙灘水電站壓油罐容積2.5 m3，工作壓力4.0 MPa，最大使用壓力4.4 MPa，泵流量6 L/s，改造前啟動電流為79 A，當采用插裝式組合閥后，電機啟動電流減小至63 A。

3.4 保證壓力油罐安全運行

根據GB/T 9652.2-2019《水輪機調速系統試驗》中第6.3.2.1條的規定，調整安全閥的調節螺栓，使油壓高于工作油壓上限2%時，安全閥開始排油，油壓高于工作油壓上限的10%以前，安全閥應全部開啟，且壓力油罐中油壓不再升高[5]。

目前國內大多數壓力油罐設計壓力均為工作油壓上限的10%，在實際使用時出于對安全的考慮，在油壓高于工作壓力上限5%～8%以前安全閥應全部開啟，高于GB/T 9652.2-2019的要求，無疑對組合閥的性能提出了更高要求，插裝閥式組合閥則以其動作迅速、壓力調節靈敏穩定的特性可完全滿足這一要求。

如甘肅蓮麓水電廠壓油罐容積1.6 m3，工作壓力4.0 MPa，最大使用壓力4.4 MPa，泵流量3 L/s，安全閥要求4.2 MPa完全開啟。改造時采用二通插裝閥式組合閥，將力士樂DN32系列插裝閥作為安全和逆止閥，設定最大壓力為4.2 MPa，現場實測當油壓高于工作油壓4.2 MPa時，安全閥完全開啟，壓力油罐中的壓力不再升高，滿足水電廠對壓力油罐安全運行的要求。

4 結語

通過對插裝式組合閥特性、結構、工作原理、技術優勢以及實際應用案例的詳細闡述，分析得出插裝閥式組合閥不僅可以滿足水電廠壓力油罐大流量快速充油和平穩建壓的要求，同時也可以保證壓力油罐、油泵電機組以及調速系統的安全可靠運行，從而保障整個電廠的安全平穩運行。