水輪機調(diào)速器主配壓閥結構分析與特點論述

，，(東方電機控制設備有限公司,四川 德陽 618000)

0 引 言

調(diào)速器是水輪發(fā)電機組中的重要控制設備，主配壓閥是調(diào)速器的最核心部件之一，其性能和可靠性直接關系到電能質(zhì)量和機組的可靠運行；因此選擇一款性能優(yōu)秀的主配壓閥十分重要。然而因為機組的大小不同、類型不同、保護系統(tǒng)結構不同、電站維護水平不同等因素，對主配壓閥的要求不能一概而論，合理分析電站需求、選擇合適的設備才能發(fā)揮出最大的效能。

1 主配壓閥原理

主配壓閥是調(diào)速器機械液壓系統(tǒng)中的功率級放大器，液壓原理是1只超大型O型機能的三位四通伺服換向閥，結構上它是1只四邊滑閥，閥芯的伺服換向控制著接力器開/關操作或保持某一位置不動，如圖1所示。當閥芯在中間位置時，換向閥的P、T、A、B油口各自封閉，使接力器能夠穩(wěn)定在某一位置[1]。

圖1 主配壓閥原理

為使接力器快速達到并穩(wěn)定在指定位置，主配壓閥需要有良好動態(tài)響應性能、回中性能和一定的中位密封性能。根據(jù)控制原理不同，需要采用不同的方式保證活塞快速準確動作和回中；中位密封性能主要是通過合理設計閥芯與閥套(或殼體)之間的徑向間隙和一定的軸向搭疊量來實現(xiàn)的，搭疊量的設計需要兼顧快速響應性能和密封性能，徑向間隙也要保證活塞能夠自由靈活運動。

主配壓閥活塞(閥芯)的伺服運動都是由液壓力來推動的，一般采用單腔控制，原理與單作用液壓缸類似，即一端作為控制腔，另一端采用恒壓腔或者彈簧提供閥芯復位的推力，控制油的液壓作用力通過輔助接力器或者活塞作用于主配壓閥活塞，推動活塞運動。主配壓閥活塞也有采用雙腔控制的，如南瑞的ZFL系列主配壓閥。

2 主配壓閥結構

2.1 主配壓閥殼體

主配壓閥一般由殼體、襯套、活塞3個主要部件。殼體作為主體件，是整個閥體的流道和對外接口，一般采用鑄件或者鍛件制造，鑄件流道特性好，可用于較復雜的結構，價格合理，廣泛應用于各大廠家的調(diào)速器產(chǎn)品。

2.2 主配壓閥襯套

主配壓閥襯套采用高合金鋼鍛造后加工，經(jīng)熱處理后表面主配壓閥滲氮，與活塞配合的內(nèi)圓面經(jīng)過磨削加工，具有很高的加工精度、表面硬度和良好的耐磨性能。襯套是空心回轉體零件，可以方便地在徑向加工出各種大小的窗口，使主配壓閥取得與電站的接力器容量相匹配動態(tài)特性；通過改變開孔形狀，可以調(diào)節(jié)流量增益，使主配壓閥更好地適應微調(diào)和大波動調(diào)節(jié)等不同工況。襯套的窗口端面經(jīng)過磨削加工，可以精確控制襯套與活塞的搭疊量，提高調(diào)節(jié)性能。在襯套和殼體之間設置了徑向密封，實現(xiàn)主配壓閥各腔液壓隔離。

2.3 主配壓閥活塞

活塞是主配壓閥的運動部件，一般采用優(yōu)碳鋼鍛造后加工，經(jīng)調(diào)質(zhì)、表面淬火后精磨，具有很高的加工精度、較高的表面硬度和優(yōu)良的綜合機械性能。作為較大的伺服運動件，活塞需要有較高的加工圓度、同軸度以及裝配同軸度。由于活塞的伺服運動特性，活塞各腔之間都采用間隙密封，通過漏油孔將最端部的漏油接到油箱，因此多數(shù)主配壓閥上都設置了漏油口。

2.4 無襯套結構主配壓閥

在20世紀90年代，也出現(xiàn)了一些取消了襯套的主配壓閥，由閥芯和殼體直接相配合。無襯套結構的主配壓閥徑向尺寸減小，能夠減少活塞與襯套之間的壓力損失。殼體加工難度加大，也難以獲得與襯套同樣的性能。

2.5 主配壓閥附件

主配壓閥主要任務是功率放大，接受先導控制信號完成開機、運行、停機、緊急停機等功能。為了滿足調(diào)節(jié)需要還配置了開/關機時間調(diào)整及鎖緊、閥芯位置傳感器、主配壓閥不動接點、中位調(diào)整裝置等構件，這些構件集中布置在主配壓閥端部的狹小空間，合理的設計對裝配、安裝、維護、檢修十分重要。

3 主配壓閥分類

3.1 按布置型式分類

根據(jù)主配壓閥布置型式可以分為立式和臥式。立式主配壓閥因活塞徑向受力平衡，拆裝方便而應用廣泛，市場上除GE公司FC閥外多采用立式結構。圖2為FC臥式主配壓閥結構圖，這種臥式主閥殼體采用鑄件結構，對外主要油口都分布在主配壓閥殼體底部，采用支撐式安裝，主配壓閥在支撐面以上，管路部分隱藏在支撐面以下；主配壓閥上的開關機時間整定、主配壓閥位移傳感器等機構布置在閥體兩端，空間相對寬松，日常維護/調(diào)整較方便。

圖2 GE公司 FC臥式主配壓閥

3.2 按活塞結構分類

根據(jù)四邊滑閥閥芯的工作邊分布可把主配壓閥活塞分為兩閥盤結構和三閥盤結構，兩閥盤結構主配壓閥的4個工作邊分布在主配壓閥活塞的2個閥盤上；相應的三閥盤結構主配壓閥的4個工作邊分布在3個閥盤上，包括中間與壓力油口相對的中間閥盤的2個工作邊和靠近中間閥盤的另2個工作邊。兩閥盤結構因為布置緊湊、主配壓閥軸向尺寸小、閥芯運動部件重量輕、運動靈活響應速度快而受到青睞，市場上絕大多數(shù)主配壓閥都屬于兩閥盤結構；三閥盤結構也應用在Alstom DN 80及更小的主配壓閥上。

3.3 按活塞控制原理分類

根據(jù)閥芯液壓伺服控制原理以及回中方式可以分為電控回中、液壓反饋回中、彈簧對中、定中缸對中等，各種對中形式結構差異較大，配置不盡相同，也形成了不同主配壓閥的功能和性能的差異，下面將具體展開分析。

4 幾種控制原理的主配壓閥

4.1 電控回中主配壓閥

電控回中控制采用電氣柜的控制信號，通過電液轉換器精確控制主配壓閥位置，這種控制方式采集主配壓閥位移信號并參與控制，對主配壓閥活塞進行閉環(huán)位置伺服控制，主配壓閥的開啟/關閉/回中都由電氣控制，典型原理圖如圖3所示。這種控制方式用于Andritz、Alstom(圖4左)、GE、東方電機(圖4中)和南瑞等公司的MDV系列主配壓閥。

圖3 典型電控回中原理

這種控制方式的特點是：主配壓閥關閉方向加載恒壓液壓力，控制腔的壓力作用面積大于恒壓腔的面積，通過電液轉換器改變控制腔的液壓油體積來控制主配壓閥活塞的伺服運動，活塞的回中依賴于電液轉換器和電氣控制，主配壓閥活塞的控制精度高，動態(tài)響應性能好。

HGS-H型主配壓閥除采用全自動控制外，還可嵌入液壓反饋復中裝置——流量反饋閥以實現(xiàn)主配壓閥在手動操作時液壓復中，與一般液壓反饋復中型主配壓閥不同，這種流量反饋閥閥芯采用了液壓復位，簡化了機械結構，可靠性得到了提高。

進口的主配壓閥一般沒有考慮純手動操作功能和掉電復中功能，在這方面中國處在了領先水平。也可以通過機械結構將進口主配壓閥的活塞位移引出外設液壓反饋實現(xiàn)自復中，但流量反饋閥的管路無法通過鉆孔方式隱藏在主配壓閥之中，外部管路復雜。

電氣復中的主配壓閥當電氣控制故障時，活塞的動作規(guī)律交由先導液壓控制邏輯進行決策，可以切換至純手動控制使主配壓閥復中，也可以將主配壓閥控制腔接通回油使主配壓閥關閉。

4.2 液壓反饋復中主配壓閥

液壓反饋復中式主配壓閥也采用單腔控制，一側通過彈簧或者恒壓加載使主配壓閥活塞保持關閉方向的作用力，一個調(diào)節(jié)任務將要完成時，電氣控制停止輸出，主配壓閥活塞在流量反饋閥(也稱引導閥)作用下回復到中間位置。流量反饋閥是一個兩位三通伺服換向閥，一般地，流量反饋閥的襯套隨著主配壓閥活塞一起運動，將主配壓閥活塞的位移等量地傳遞到反饋閥上。當閥芯固定不動時，反饋閥輸出一個控制主配壓閥活塞與當前運動方向相反的流量信號到控制腔，驅動主配壓閥活塞回向中間位置。

這種結構的主配壓閥有兩種控制方式：一種是將電氣控制信號轉換成液壓流量直接輸入到主配壓閥的控制腔，反饋閥芯固定不動，如圖4右所示，屬于流量輸入型，這種控制方式的的電液轉換元件多采用比例閥，代表性的產(chǎn)品有能事達、長控、三聯(lián)等；另一種控制方式是將電氣控制信號轉換成位移信號加載在流量反饋閥的閥芯上，閥芯具有復中功能，一個調(diào)節(jié)任務將要完成時，閥芯復中驅動主配壓閥活塞復中，這種方式常用于能事達、長控、三聯(lián)步進/伺服電機型主配壓閥，如圖5所示。

圖5 主配壓閥的位移輸入

電機輸出的角位移信號經(jīng)過滾珠絲杠轉換成直線位移信號連接到反饋閥閥芯，在絲杠的螺母與反饋閥閥芯之間設置了彈簧復中機構，復中機構由復位彈簧、兩端的彈簧座、彈簧座限位裝置等組成。復位彈簧通過兩端的彈簧座將螺母始終推向中間位置，只有當施加外部控制的時候螺母才會偏離中位。螺母、引導閥閥芯、主配壓閥活塞，它們通過機械結構耦合在一起，實現(xiàn)自復中[2]。

這種主配壓閥的特點是：復中與外部控制信號不相關，流量反饋閥始終加載在主配壓閥活塞的控制腔，當外部控制信號消失，自動實現(xiàn)復中；反饋閥是主配壓閥活塞伺服運動的關鍵元件，參與伺服控制。主配壓閥的動態(tài)性能與外部輸入與反饋流量耦合程度相關。

4.3 彈簧對中主配壓閥

彈簧對中主配壓閥兩端都裝有對中彈簧，彈簧力通過彈簧座作用于主閥活塞上，在主配壓閥襯套上設有彈簧座限位裝置，在沒有外部控制輸入時，彈簧推動彈簧座壓緊在限位止口，使活塞復位到中間位置。這種結構見于南瑞ZFL系列主配壓閥，它采用雙腔控制，比例閥兩個輸出口分別與活塞兩端的控制腔相連，緊急停機時需要有壓力油通向關機側控制腔，推動活塞到關閉位置。在主配壓閥的頂部，設置了一根與主配壓閥活塞相連的伸出桿，用于主配壓閥的位移輸出以及開關機時間調(diào)整。

彈簧復中型主配采用了機械定位，手動操作時，與液壓對中一樣有較高的定位精度，中位不漂移，容易實現(xiàn)較精確的手動控制；但彈簧相對液壓的操作力較小，主配壓閥更容易出現(xiàn)卡阻。自動工況下，彈簧對中采用比例閥雙腔控制，設置有主配壓閥位移傳感器，有很高的定位精度和相應速度，但復位彈簧始終會給主閥活塞施加一個與控制方向相反的阻力，將主配壓閥推向中間位置。

圖6 ZFL型主配壓閥

圖7 MDV型主配壓閥原理

4.4 定中缸對中主配壓閥

定中缸結構主配壓閥采用單腔液壓控制，電液轉換器采用比例閥，另一腔通恒壓油，自動工況下由電氣控制自動回中，定中缸僅用于手動控制。手動工況下，控制腔接通回油，恒壓腔液壓力將主配壓閥推向關機一側，定中缸活塞伸出限制主閥活塞行程，使活塞停留在中間位置。當需要關閉操作時，收回定中缸活塞，開啟時向主閥控制腔通壓力油，開啟結束又接通回油。 該結構實現(xiàn)了主配壓閥復中，能夠完成手動控制功能，但在開啟、復中、關閉過程中，對控制腔和定中缸之間來回切換操作，比較復雜，不利于實現(xiàn)較為精確的純手動控制。

5 國產(chǎn)主配壓閥現(xiàn)狀

目前中國在主配壓閥選材、加工、熱處理上面具有十分成熟的技術和豐富的應用經(jīng)驗，擁有一批較為成熟的產(chǎn)品，主配壓閥通徑系列涵蓋了從DN50至DN250各種大小，壓力等級適用于2.5～6.3 MPa，能夠滿足各大、中、小型水輪發(fā)電機組的控制[3]。

由于市場方面原因，國產(chǎn)主配壓閥質(zhì)量參差不齊，但從巨型水電機組上應用的產(chǎn)品來進行技術比較，國產(chǎn)主配壓閥的活塞、襯套、引導閥等關鍵部件在選材、熱處理、加工精度、使用壽命等方面與國外同類產(chǎn)品相當甚至更高，在殼體鑄造工藝和流道設計上較進口產(chǎn)品還有一些差距，但對使用性能幾乎沒有影響。功能上國內(nèi)主配壓閥擁有集成的流量反饋裝置可用于主配壓閥掉電復中和手動控制，領先于國外產(chǎn)品；此外國產(chǎn)主配壓閥具有齊全的功能附件，布置合理，便于操作。

應當注意，目前掉電復中型主配壓閥應用越來越多，需要指出的是掉電復中必須結合電站的保護系統(tǒng)結構，保證極端故障失電時機組能夠可靠停機。

6 結 語

通過對各種主配壓閥結構和原理的了解，用戶可以從安全性、控制性能、可靠性等方面結合電站自身情況進行分析，選擇合適的主配壓閥和控制邏輯，提高水輪機調(diào)節(jié)水平，保證水輪發(fā)電機組長期安全、可靠運行。

[1] 李壯云.液壓元件與系統(tǒng)(第二版)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[2] 魏守平.現(xiàn)代水輪機調(diào)節(jié)技術 [M].武漢：華中科技大學出版社，2002.

[3] 吳應文，余志強，王麗娟.我國大型水輪機調(diào)速器主配壓閥 [C].中國水電控制設備論文集，2009:222-231.