集成式水轮机分段调速控制阀的设计

    伴随电力供需矛盾日益激烈，给人类社会经济的发展带来严重的影响。因此缓解电能供需矛盾，提高发电站发电能力和工作效率迫在眉睫，已成为电力部门工作人员研究的核心课题。集成式水轮机作为水电站工作中不可缺少的基础设施，其在缓解电力供需矛盾方面有着重要作用。分段调速控制阀作为集成式水轮机中的重要设施，做好其相关设计工作极为关键。

    一、集成式水轮机跟段调速控制概述

    水电站在当前社会发展中的作用越来越大，地位越来越突出。水电站水轮机在甩负荷的时候，因为转速的上升而要求调速器紧急关机，使得转速回复到原来的额定转速要求。在这个调节工作中，调速不能过快也不能太慢；调节过慢的话容易引起转速过高，从而造成不必要的影响，而转速太快却又容易导致水管遭受较大的水击，甚至是产生水管破裂。因此，在目前的工作中为了降低导叶紧急关闭的时候产生的水管压力上升以及机位抬高问题，大多数水电站水轮机都采用了接力器分段关闭措施。也就是在工作中首先以接力器快速关闭，等到水轮转到适当位置的时候再慢速关闭导水叶，这样不仅有效的缓解了上述的问题，同时也满足了不同水轮机的调节要求，保证了水轮机工作效率。在这种背景下，大多数的水轮机组都是以分离液压元件作为工作原理来实现分离操作的，一方面液压系统的体积庞大，另外由于运转部件较为复杂，这也给系统故障的发生带来了基础。

    1、集成式水轮机概念

    所谓的集成式水轮机主要指的是由多个不同的子系统共同构成的水轮机组，也是目前水电工程中最为常见的基础设施。一般来说，目前的集成式水轮机主要包含有底环、顶盖、控制环、活动导叶、PLC控制其以及导叶转动组织等。由于集成式水轮机本身就是一个复杂、系统的工作体系，为此在工作中做好有关设计工作极为关键，也是十分必要的。

    2、水轮机分段调速原理

    集成式水轮机在开机的时候，主配压阀工作在作为，压力油通过单向阀推动接力器活塞向左运动，实现水轮机快速开机；关机时，主配压阀工作在右位，压力油直接推动接力器活塞右行，实现关机。其回油经单向阀不通，只能通过液控换向阀回油箱。在关机过程中，开始时先导行程阀工作在上位，液控换向阀则相应工作在右位，因而实现快速关机。在水轮机的快速关闭过程中，接力器活塞的移动带动分段凸轮转动。转到一特定位置时，分段凸轮将先导行程阀顶起，使得先导行程阀下位工作，同时液控换向阀也相应被切换到左位工作，实现对接力器的回油节流，从而得到慢速关机。

    二、集成式水轮机分段控制阀结构设计

    根据水轮机分段调速原理我们可以看出，集成式水轮机和大多数水电站中常用的水轮机结构有着一定的相同之处，但是也存在着极为显著的特殊性。为此，我们在设计工作中要想确保水轮机分段控制阀的科学、稳定、安全运行，就需要对其进行系统、深入的总结，结合实际工作特点进行研究，从而提出科学的工作设计要求。

    1、分段控制阀结构设计要点

    由工作原理我们可以看出，水轮机分段调速控制的实现需要从开机阀门、关机阀门以及开关机速度三个方面入手去进行分析。显然，在工作中采用分离液压技术来实现上述功能虽然是可行的，但是其必然会产生庞大的体积、甚至是造成各种故障的多发问题，为此，我们在工作中有必要设计一个具备上述各方面要求的结构体系，从而实现集成式水轮机的分段、科学、系统控制要求。

    在设计工作中，我们要根据分段控制阀工作原理进行，当液压油从上部调节A口向B口流动时，单向阀阀芯完全开启，实现水轮机的快速开机；当液压油从B口向A口方向流动时，如果控制C口有控制压力，则单向阀阀芯在控制活塞的作用下处于开启状态，可以实现水轮机的快速关机；如果控制C口无控制压力，则单向阀阀芯处于最低位，可以实现水轮机的慢速关机。通过调整上下调节螺钉，可以得到不同的单向阀阀芯的最大开口量和预开口量，从而得到不同的关机速度。

设计原理图

    2、参数控制分析

    经过对集成式水轮机分段控制阀结构设计要点我们可以看出，其在设计的过程中需要对机组甩负荷问题进行深入的总结和研究，针对工作中存在的问题进行系统的归纳。就某水电站水集成式水轮机参数规定为：液压缸内径D=90cm；活塞直径：d=22cm；活塞行程：H=64cm。有这几个参数我们可以得出液压缸大腔有效面积为A=πD²/4=6362cm²，针对这一公式，我们可以得出快速形成H的75%需要5.85秒，慢速形成H的25%需要时间为3.49秒。故此可以得出：快速关机速度U1=64×0.75/5.85=8.2cm/s；快速关机流量为：Q1=2Au1=6260L/min；而慢速关机速度U2=64×0.25/3.49=4.6cm/s；而慢速关机流量Q2=2Au2=3512L/min。根据这一数据我们可以得出，关机流量都是很大的，如果全部通过分段调速控制阀，那么势必会造成控制阀体积的增大。因此，为了减小该阀体积，在实际应用中，可以为该阀并联一旁通节流阀。其公式为：

        （1）

        （2）

    其中公式中C_d=流量系数，其中C_d=0.65；dv为分段调速阀阀芯直径，dv=158mm，xv是分段调速阀阀芯位移，d0是旁通节流阀节流孔径，d=50mm；ρ油液密度，选取数据为900kg/m³。有公式可以得出，在快速关机的时候分段控制阀的阀芯位移为15.2mm，而在慢速关机的时候其阀芯位移为2mm。

    三、结束语

    总而言之，在为了缓解当今社会中存在的电力供需矛盾，对于水电站集成式水轮机分段调速控制阀的设计极为迫切，对其进行改良任重而道远，是实现水利工程快速发展的基石。本文介绍的集成式水轮机分段调速控制阀集快速开机、快速关机和慢速关机等功能于一体。集成化程度高，结构简单，液压运动部件少，生产成本低；旁通节流阀的参数选择必须与分段控制阀以及整个调速器的流量需求相匹配。在关机流量较小时，也可以不要旁通节流阀；根据不同的使用工况，应用本文介绍的计算方法，可以大致确定该分段控制阀的最大开口量和预开口量。