程玉婷，涂麗琴，王愛生，黃 宇，余秋菊

（長(zhǎng)江科學(xué)院長(zhǎng)江控制設(shè)備研究所有限公司，武漢 430010）

高油壓調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

程玉婷，涂麗琴，王愛生，黃 宇，余秋菊

（長(zhǎng)江科學(xué)院長(zhǎng)江控制設(shè)備研究所有限公司，武漢 430010）

水輪機(jī)組高油壓調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)最主要的組成部分是儲(chǔ)能元件和執(zhí)行放大元件，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性、減少日常維護(hù)工作量，并且降低了生產(chǎn)成本。對(duì)操作功小于或等于10 000 N·m水輪機(jī)組用的高油壓調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)主要控制閥一般直接采用電液比例閥或數(shù)字閥，系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，采用高速開關(guān)閥來替代原電液比例閥作為電液隨動(dòng)系統(tǒng)的主要控制閥，但也可根據(jù)用戶需要，仍將電液比例閥作為主要控制閥。同時(shí)，優(yōu)化后的系統(tǒng)取消了手動(dòng)操作閥、手自動(dòng)切換閥、液壓鎖等元件。由于全部采用液壓通用元件，產(chǎn)品生產(chǎn)周期短、制造成本低，并且通用性增強(qiáng)，用同一種產(chǎn)品類型可滿足不同的用戶需求，提高了生產(chǎn)效率。實(shí)驗(yàn)證明能完全滿足水輪機(jī)調(diào)速器液壓控制系統(tǒng)的要求，特別適用于中小型水輪機(jī)調(diào)速器的液壓控制系統(tǒng)的改進(jìn)。

水輪機(jī)組；調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)；優(yōu)化；高油壓；操作功

目前，高油壓調(diào)速器主要用于中小型水輪機(jī)組的控制，在高壓系統(tǒng)中，依據(jù)調(diào)速器操作功的不同，其主控閥（即主配壓閥）可以直接采用電液比例閥（數(shù)字閥），也可由電液比例閥（數(shù)字閥）和插裝閥組共同構(gòu)成。對(duì)操作功小于或等于10 000 N·m的水輪機(jī)組，由于接力器容積較小，流量不大，所以調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)主要控制閥一般直接采用電液比例閥或數(shù)字閥［1－2］。優(yōu)化前的系統(tǒng)仍保留了手動(dòng)操作閥及手自動(dòng)切換閥的方案，但從降低產(chǎn)品成本考慮，在保證系統(tǒng)優(yōu)良的速動(dòng)性及穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，通用性更強(qiáng)，工作更可靠，成本更低。

1 優(yōu)化前的高油壓調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及元件介紹

如圖1所示，優(yōu)化前的高油壓調(diào)速器機(jī)械液壓部分主要由電液比例閥、手動(dòng)操作閥、手自動(dòng)切換閥、緊急停機(jī)電磁閥、雙液控單向閥（液壓鎖）、開／關(guān)機(jī)時(shí)間調(diào)整閥、液壓缸及反饋電位器等構(gòu)成，是一個(gè)電液比例隨動(dòng)系統(tǒng)。

電液比例閥采用直動(dòng)式比例方向閥，它屬于兩參數(shù)控制閥，能同時(shí)控制流體運(yùn)動(dòng)的方向和流量。在壓差恒定的條件下，通過它的流量與輸入的電信號(hào)成比例，而液流方向取決于控制閥的2個(gè)比例電磁鐵中哪個(gè)被激勵(lì)，被激勵(lì)的比例電磁鐵將驅(qū)使閥芯動(dòng)作，以改變液流方向。

圖1 優(yōu)化前的機(jī)械液壓系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram ofm echanical hydrau lic system before optim ization

當(dāng)2個(gè)比例電磁鐵均無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，閥芯在彈簧的作用下處于中位，電液比例閥無(wú)控制油流輸出；當(dāng)電氣部分的調(diào)節(jié)輸出信號(hào)與反饋電位器的反饋信號(hào)經(jīng)過比例閥驅(qū)動(dòng)板比較并放大后，其輸出信號(hào)作用于電液比例閥，使之向液壓缸的開機(jī)腔或關(guān)機(jī)腔配油，液壓缸活塞便向開啟或關(guān)閉方向運(yùn)動(dòng)，直到調(diào)節(jié)信號(hào)與反饋信號(hào)相等為止。由于反饋信號(hào)與液壓缸活塞的位移呈線性關(guān)系，因而實(shí)現(xiàn)了將調(diào)節(jié)信號(hào)線性地轉(zhuǎn)換成液壓缸的位移［3］。

手自動(dòng)切換閥是一個(gè)電磁換向閥，它的作用是在手動(dòng)和緊急停機(jī)時(shí)切斷比例閥的供油和排油油路，在自動(dòng)工況下該閥是一個(gè)通路?？刂圃撻y有3種方式：①由電氣柜直接控制，自動(dòng)將該閥由自動(dòng)切手動(dòng)，但電氣部分無(wú)法由手動(dòng)切自動(dòng)；②通過電氣柜上的按鈕，控制該閥，進(jìn)行手自動(dòng)切換；③該閥兩側(cè)裝有手動(dòng)應(yīng)急按鈕，可直接進(jìn)行手自動(dòng)切換。

手動(dòng)操作閥主要用于純手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)的調(diào)整和試驗(yàn)，手動(dòng)操作時(shí)，電液比例閥處于中位，手自動(dòng)切換閥切于左側(cè)，電液比例閥側(cè)的雙液控單向閥處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)直接操作手動(dòng)操作閥把手，可對(duì)液壓缸進(jìn)行開關(guān)機(jī)操作。

緊急停機(jī)電磁閥在正常情況下處于中位機(jī)能。自動(dòng)工況下緊急停機(jī)時(shí)，緊急停機(jī)電磁閥與手自動(dòng)切換閥同時(shí)動(dòng)作，前者直接向液壓缸關(guān)機(jī)側(cè)配油使其快速全關(guān)，后者切斷電液比例閥供油油路，在液壓鎖的保護(hù)下，保證即使在電液比例閥卡在開機(jī)側(cè)時(shí)也能可靠地快速停機(jī)。手動(dòng)工況下緊急停機(jī)時(shí)，僅緊急停機(jī)電磁閥緊停閥動(dòng)作即可。緊急停機(jī)電磁閥兩側(cè)還裝有手動(dòng)應(yīng)急按鈕，在無(wú)220V直流電源等情況下，可直接手動(dòng)操作。

2 高油壓調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)的優(yōu)化過程及分析

2.1 第1階段優(yōu)化

由于電液比例閥對(duì)液壓油的精度有一定的要求［4］，為適應(yīng)電站實(shí)際運(yùn)行條件，進(jìn)一步簡(jiǎn)化高油壓調(diào)速器的機(jī)械液壓系統(tǒng)，第1階段的優(yōu)化方案將三位四通脈寬調(diào)制式高速開關(guān)閥（俗稱數(shù)字閥）來替代原電液比例閥作為電液隨動(dòng)系統(tǒng)的主要控制閥。同時(shí)，省掉了原操作系統(tǒng)的手動(dòng)操作閥及手自動(dòng)切換閥，使系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，由于系統(tǒng)元器件的減少，使得油路更簡(jiǎn)單，減少了故障點(diǎn)，也降低了成本。

圖2所示狀態(tài)為系統(tǒng)正常工作狀態(tài)，當(dāng)自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)的電氣輸出信號(hào)推動(dòng)開／關(guān)機(jī)電磁閥動(dòng)作時(shí)，其壓力油口P接通控制油口，使之向液壓缸的開機(jī)腔或關(guān)機(jī)腔配油，液壓缸活塞向開啟或關(guān)閉方向運(yùn)動(dòng)；當(dāng)自動(dòng)或手動(dòng)工況下緊急停機(jī)時(shí)，緊急停機(jī)電磁閥動(dòng)作，控制油口B接通壓力油，選擇閥換向，使得壓力油直接通過選擇閥接通關(guān)機(jī)電磁閥的控制油口，液壓缸關(guān)機(jī)腔配油使其快速全關(guān)，而液壓缸開機(jī)腔的油則通過開／關(guān)機(jī)電磁閥回到回油箱。

2.2 第2階段優(yōu)化

通過實(shí)際應(yīng)用，有的電站仍希望選用電液比例閥作為電液隨動(dòng)系統(tǒng)的主要控制閥，面對(duì)這樣的市場(chǎng)需求，第1階段的方案略顯不足。原因是若直接將數(shù)字閥換為電液比例閥，由于緊停的時(shí)候，接力器開機(jī)腔的油是直接通過比例閥回油，而從電液比例閥的機(jī)能不難看出，此時(shí)的回油通道將會(huì)有1個(gè)節(jié)流的效果，這樣就會(huì)大大減慢緊急快速停機(jī)的時(shí)間。若要解決這個(gè)問題，則需要修改系統(tǒng)原理，增加某些元器件，這樣系統(tǒng)方案的成本將會(huì)增加。第2階段的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案很好地解決了這個(gè)問題，這個(gè)方案的主要元件只有開／關(guān)機(jī)電磁閥和緊急停機(jī)電磁，省掉了第1階段方案中的雙液控單向閥和選擇閥。

這個(gè)方案通常采用速度比為2的液壓缸，其有桿腔常通壓力油，無(wú)桿腔與控制油接通。此時(shí)分液壓缸的有桿腔作為關(guān)機(jī)腔和液壓缸的有桿腔作為開機(jī)腔兩種情況。

2.2.1 液壓缸的有桿腔作為關(guān)機(jī)腔

如圖3所示，正常情況下，緊急停機(jī)電磁閥只作為一個(gè)油路通道，當(dāng)自動(dòng)調(diào)節(jié)開機(jī)時(shí)，電信號(hào)推動(dòng)開／關(guān)機(jī)電磁閥動(dòng)作，其壓力油口接通控制油口，使之向液壓缸的開機(jī)腔（無(wú)桿腔）配油，此時(shí)有桿腔雖常通的是壓力油，但由于液壓缸無(wú)桿腔和有桿腔的受力面積比為2∶1，則無(wú)桿腔的受力克服了有桿腔的受力，使液壓缸活塞向開啟方向運(yùn)動(dòng)，直到調(diào)節(jié)信號(hào)與反饋信號(hào)相等為止。反之，關(guān)機(jī)時(shí)，開／關(guān)機(jī)電磁閥的控制油接通排油，使得液壓缸的開機(jī)腔接通回油，在關(guān)機(jī)腔通壓力油的情況下，液壓缸可向關(guān)閉方向運(yùn)動(dòng)。

圖2 第1階段優(yōu)化系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of first stage system optim ization

圖3 有桿腔為關(guān)機(jī)腔的系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of rod end as shutdown cavity

自動(dòng)或手動(dòng)工況下緊急停機(jī)時(shí)，緊急停機(jī)電磁閥動(dòng)作，使得液壓缸的開機(jī)腔直接通過緊停閥接通回油，則在關(guān)機(jī)腔常通壓力油的情況下，使液壓缸快速全關(guān)。

2.2.2 當(dāng)液壓缸的有桿腔作為開機(jī)腔

與第1種情況不同的是，液壓缸的開機(jī)腔是常通壓力油的，如圖4，來自開／關(guān)機(jī)電磁閥的油路與緊急停機(jī)電磁閥的控制油口A相通，控制油口B常接壓力油。

圖4 有桿腔為開機(jī)腔的系統(tǒng)原理圖Fig.4 Schematic diagram of rod end as opening cavity

在正常情況下，緊急停機(jī)電磁閥仍是作為油流通道，自動(dòng)調(diào)節(jié)開機(jī)和關(guān)機(jī)時(shí)的工作原理同節(jié)2.2.1的開機(jī)和關(guān)機(jī)原理相同。

自動(dòng)或手動(dòng)工況下緊急停機(jī)時(shí)，緊急停機(jī)電磁閥動(dòng)作，液壓缸的關(guān)機(jī)腔通過緊停閥接通系統(tǒng)壓力油，雖然開機(jī)腔常通壓力油，但由于關(guān)機(jī)腔比開機(jī)腔的受力面積大，在系統(tǒng)油壓相同的情況下，作用在液壓缸活塞上的力將使得液壓缸快速全關(guān)。

由上所述2種情況不難看出，在緊急停機(jī)的時(shí)候，開機(jī)腔的回油或者關(guān)機(jī)腔的壓力油都是通過緊急停機(jī)電磁閥的，緊停電磁換向閥不會(huì)出現(xiàn)前面提到的比例閥節(jié)流的問題，故可以根據(jù)用戶需要，直接將開／關(guān)機(jī)電磁閥換為電液比例閥，產(chǎn)品的通用性增強(qiáng)，彌補(bǔ)了第1階段方案存在的不足。

3 優(yōu)化后的系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)

優(yōu)化后的電液隨動(dòng)系統(tǒng)采用高速開關(guān)閥來替代原電液比例閥作為電液隨動(dòng)系統(tǒng)的主要控制閥，但也可根據(jù)用戶需要，仍將電液比例閥作為主要控制閥。同時(shí)，優(yōu)化后的系統(tǒng)取消掉了手動(dòng)操作閥、手自動(dòng)切換閥、液壓鎖等元件。優(yōu)化后的電液隨動(dòng)系統(tǒng)與原系統(tǒng)相比，具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1）抗污染能力強(qiáng)，可靠性更高。由于水電站現(xiàn)場(chǎng)條件較差，原系統(tǒng)中電液比例閥要求有很高的可靠性及穩(wěn)定性，而優(yōu)化后的系統(tǒng)采用的是具有較高切換頻率的電磁換向閥，電磁換向閥的抗污染能力強(qiáng)，可在油液精潔度ISO 20／17－21／18的液壓系統(tǒng)中可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）優(yōu)化后的系統(tǒng)由于元器件的減少，因而可以獲得較小的結(jié)構(gòu)體積，由于全部采用的是標(biāo)準(zhǔn)電磁換向閥，因而，產(chǎn)品生產(chǎn)周期短、制造成本低，增強(qiáng)了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)元器件的減少也降低了系統(tǒng)的故障點(diǎn)，降低了故障率。

（3）系統(tǒng)油路更簡(jiǎn)單，采用的高速開關(guān)閥的價(jià)格更低，閥塊加工量小，安裝調(diào)試容易，并易于在現(xiàn)有水電站水輪機(jī)調(diào)速器的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)技術(shù)改造。

（4）產(chǎn)品的通用性增強(qiáng)，用同一種產(chǎn)品類型可滿足不同的用戶需求，提高了生產(chǎn)效率。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

將優(yōu)化后的方案用于GYT－600型高油壓調(diào)速器系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用數(shù)字閥方案，對(duì)它進(jìn)行靜態(tài)特性測(cè)試，空載擺動(dòng)實(shí)驗(yàn)和甩負(fù)荷試驗(yàn)。

4.1 靜態(tài)特性測(cè)試

對(duì)調(diào)速器在接力器全行程進(jìn)行雙向開關(guān)機(jī)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 靜特性試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Test result of governor’s static performance

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，采用回歸法計(jì)算出轉(zhuǎn)速死區(qū)ix＝0.021%，校驗(yàn)永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)bp值。

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中、小型調(diào)速器轉(zhuǎn)速死區(qū)ix≤0.06%，滿足國(guó)標(biāo)要求［5－6］。

4.2 空載擺動(dòng)試驗(yàn)

自動(dòng)空載擺動(dòng)頻率差為0.17 Hz，滿足國(guó)標(biāo)要求。

4.3 甩負(fù)荷試驗(yàn)

甩100%負(fù)荷時(shí)，機(jī)組最大轉(zhuǎn)速上升為22.0%，轉(zhuǎn)速波動(dòng)次數(shù)為0.5次，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)時(shí)間為15.1秒，滿足國(guó)標(biāo)要求。

5 結(jié) 語(yǔ)

高油壓型調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)方案優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，通用性更強(qiáng)，安裝維修簡(jiǎn)便，全部采用液壓通用元件，抗油污能力強(qiáng)，可靠性高。試驗(yàn)證明優(yōu)化方案能完全滿足水輪機(jī)調(diào)速器液壓控制系統(tǒng)的要求，特別適用于中小型水輪機(jī)調(diào)速器的液壓控制系統(tǒng)的改進(jìn)。因此，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)角度，還是從社會(huì)效益來說，在技術(shù)上對(duì)高油壓型調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)進(jìn)行深入探討，在實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)其各方面不斷完善，都具有重要的意義。

［1］ 魏守平.水輪機(jī)控制工程［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2005.（WEI Shou ping.Engineering of Hydraulic Turbine Control［M］.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology Press，2005.（in Chinese））

［2］ 郭建業(yè).高油壓水輪機(jī)調(diào)速器技術(shù)及應(yīng)用［M］.武漢：長(zhǎng)江出版社，2007.（GUO Jian ye.Technique and Appli cation of High Pressure Turbine Governor［M］.Wuhan：Changjiang Press，2007.（in Chinese））

［3］ 賈寶良，郭建業(yè).關(guān)于高油壓調(diào)速器技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］.水力發(fā)電，2003，（9）：54－55.（JIA Bao liang，GUO Jian ye.Study and Application of the Technology of High Oil pressure Speed Governor［J］.Water Power，2003，（9）：54－55.（in Chinese））

［4］ 吳應(yīng)文.水輪機(jī)微機(jī)調(diào)速器若干問題的探討［J］.水利機(jī)械技術(shù)，2001，（3）：7－13.（WU Ying wen.Several Discussions on Micro computer Turbine Governor［J］.Hydro mechanical Technology，2001，（3）：7－13.（in Chinese））

［5］ GB／T9652.1—2007，水輪機(jī)控制系統(tǒng)技術(shù)條件［S］.（GB／T 9652.1—2007，Technical Specifications of the Control System of Hydraulic Turbine［S］.（in Chinese））

［6］ GB／T9652.2—2007，水輪機(jī)控制系統(tǒng)試驗(yàn)［S］.（GB／T 9652.2—2007，Code of Test on Control System of Hy draulic Turbine［S］.（in Chinese） ）

（編輯：王 慰）

Optim ization Design of M echanical Hydraulic System of High Oil Pressure Governor

CHENG Yu ting，TU Li qin，WANG Ai sheng，HUANG Yu，YU Qiu ju（Changjiang Control Equipment Department，
Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

Power accumulator and execution amplifier are themost important components of themechanical hydrau lic system of high oil pressure governor forwater turbine.Optimization of the two components could improve the sys tem reliability，reduce daily maintenance workload and cut cost.Electro hydraulic proportional valve and digital valve are themajor control valves for themechanical hydraulic system of high oil pressure governor ofwater turbine with operational power equal to or less than 10 000 N·m.In the optimization design，high speed switch valve is a dopted to replace electro hydraulic proportional valve.However，electro hydraulic proportional valve can also be re mained according to customer’s requirements.Moreover，manual valve，manual and automatic switchover valve，and hydraulic lock are substituted by hydraulic universal componentswhich have short production cycle，low cost，and stronger versatility tomeet the requirements of different customers and to improve efficiency.The optimization design is suitable formiddle and small sized water turbines.

water turbine unit；mechanical hydraulic system of governor；optimization；high oil pressure；opera tional power

TP271.31

A

1001－5485（2013）12－0122－04

10.3969／j.issn.1001－5485.2013.12.023 2013，30（12）：122－125

2013－02－28；

2013－04－26

程玉婷（1983－），女，湖北武漢人，主要從事水輪機(jī)及水輪機(jī)調(diào)速器的研究與設(shè)計(jì)工作，（電話）027－82829787（電子信箱）13379879＠qq.com。