高油压调速器机械液压系统的优化设计

程玉婷，涂丽琴，王爱生，黄 宇，余秋菊

（长江科学院长江控制设备研究所有限公司，武汉 430010）

高油压调速器机械液压系统的优化设计

程玉婷，涂丽琴，王爱生，黄 宇，余秋菊

（长江科学院长江控制设备研究所有限公司，武汉 430010）

水轮机组高油压调速器机械液压系统最主要的组成部分是储能元件和执行放大元件，对其进行优化设计，可进一步提高系统的可靠性、减少日常维护工作量，并且降低了生产成本。对操作功小于或等于10 000 N·m水轮机组用的高油压调速器机械液压系统主要控制阀一般直接采用电液比例阀或数字阀，系统优化设计后，采用高速开关阀来替代原电液比例阀作为电液随动系统的主要控制阀，但也可根据用户需要，仍将电液比例阀作为主要控制阀。同时，优化后的系统取消了手动操作阀、手自动切换阀、液压锁等元件。由于全部采用液压通用元件，产品生产周期短、制造成本低，并且通用性增强，用同一种产品类型可满足不同的用户需求，提高了生产效率。实验证明能完全满足水轮机调速器液压控制系统的要求，特别适用于中小型水轮机调速器的液压控制系统的改进。

水轮机组；调速器机械液压系统；优化；高油压；操作功

目前，高油压调速器主要用于中小型水轮机组的控制，在高压系统中，依据调速器操作功的不同，其主控阀（即主配压阀）可以直接采用电液比例阀（数字阀），也可由电液比例阀（数字阀）和插装阀组共同构成。对操作功小于或等于10 000 N·m的水轮机组，由于接力器容积较小，流量不大，所以调速器机械液压系统主要控制阀一般直接采用电液比例阀或数字阀［1－2］。优化前的系统仍保留了手动操作阀及手自动切换阀的方案，但从降低产品成本考虑，在保证系统优良的速动性及稳定性的基础上，可进一步进行优化设计，使系统结构更简单，通用性更强，工作更可靠，成本更低。

1 优化前的高油压调速器机械液压系统结构及元件介绍

如图1所示，优化前的高油压调速器机械液压部分主要由电液比例阀、手动操作阀、手自动切换阀、紧急停机电磁阀、双液控单向阀（液压锁）、开／关机时间调整阀、液压缸及反馈电位器等构成，是一个电液比例随动系统。

电液比例阀采用直动式比例方向阀，它属于两参数控制阀，能同时控制流体运动的方向和流量。在压差恒定的条件下，通过它的流量与输入的电信号成比例，而液流方向取决于控制阀的2个比例电磁铁中哪个被激励，被激励的比例电磁铁将驱使阀芯动作，以改变液流方向。

图1 优化前的机械液压系统原理图Fig.1 Schematic diagram ofm echanical hydrau lic system before optim ization

当2个比例电磁铁均无信号输入时，阀芯在弹簧的作用下处于中位，电液比例阀无控制油流输出；当电气部分的调节输出信号与反馈电位器的反馈信号经过比例阀驱动板比较并放大后，其输出信号作用于电液比例阀，使之向液压缸的开机腔或关机腔配油，液压缸活塞便向开启或关闭方向运动，直到调节信号与反馈信号相等为止。由于反馈信号与液压缸活塞的位移呈线性关系，因而实现了将调节信号线性地转换成液压缸的位移［3］。

手自动切换阀是一个电磁换向阀，它的作用是在手动和紧急停机时切断比例阀的供油和排油油路，在自动工况下该阀是一个通路。控制该阀有3种方式：①由电气柜直接控制，自动将该阀由自动切手动，但电气部分无法由手动切自动；②通过电气柜上的按钮，控制该阀，进行手自动切换；③该阀两侧装有手动应急按钮，可直接进行手自动切换。

手动操作阀主要用于纯手动调节时的调整和试验，手动操作时，电液比例阀处于中位，手自动切换阀切于左侧，电液比例阀侧的双液控单向阀处于关闭状态，此时直接操作手动操作阀把手，可对液压缸进行开关机操作。

紧急停机电磁阀在正常情况下处于中位机能。自动工况下紧急停机时，紧急停机电磁阀与手自动切换阀同时动作，前者直接向液压缸关机侧配油使其快速全关，后者切断电液比例阀供油油路，在液压锁的保护下，保证即使在电液比例阀卡在开机侧时也能可靠地快速停机。手动工况下紧急停机时，仅紧急停机电磁阀紧停阀动作即可。紧急停机电磁阀两侧还装有手动应急按钮，在无220V直流电源等情况下，可直接手动操作。

2 高油压调速器机械液压系统的优化过程及分析

2.1 第1阶段优化

由于电液比例阀对液压油的精度有一定的要求［4］，为适应电站实际运行条件，进一步简化高油压调速器的机械液压系统，第1阶段的优化方案将三位四通脉宽调制式高速开关阀（俗称数字阀）来替代原电液比例阀作为电液随动系统的主要控制阀。同时，省掉了原操作系统的手动操作阀及手自动切换阀，使系统的结构更简单，由于系统元器件的减少，使得油路更简单，减少了故障点，也降低了成本。

图2所示状态为系统正常工作状态，当自动调节时的电气输出信号推动开／关机电磁阀动作时，其压力油口P接通控制油口，使之向液压缸的开机腔或关机腔配油，液压缸活塞向开启或关闭方向运动；当自动或手动工况下紧急停机时，紧急停机电磁阀动作，控制油口B接通压力油，选择阀换向，使得压力油直接通过选择阀接通关机电磁阀的控制油口，液压缸关机腔配油使其快速全关，而液压缸开机腔的油则通过开／关机电磁阀回到回油箱。

2.2 第2阶段优化

通过实际应用，有的电站仍希望选用电液比例阀作为电液随动系统的主要控制阀，面对这样的市场需求，第1阶段的方案略显不足。原因是若直接将数字阀换为电液比例阀，由于紧停的时候，接力器开机腔的油是直接通过比例阀回油，而从电液比例阀的机能不难看出，此时的回油通道将会有1个节流的效果，这样就会大大减慢紧急快速停机的时间。若要解决这个问题，则需要修改系统原理，增加某些元器件，这样系统方案的成本将会增加。第2阶段的优化设计方案很好地解决了这个问题，这个方案的主要元件只有开／关机电磁阀和紧急停机电磁，省掉了第1阶段方案中的双液控单向阀和选择阀。

这个方案通常采用速度比为2的液压缸，其有杆腔常通压力油，无杆腔与控制油接通。此时分液压缸的有杆腔作为关机腔和液压缸的有杆腔作为开机腔两种情况。

2.2.1 液压缸的有杆腔作为关机腔

如图3所示，正常情况下，紧急停机电磁阀只作为一个油路通道，当自动调节开机时，电信号推动开／关机电磁阀动作，其压力油口接通控制油口，使之向液压缸的开机腔（无杆腔）配油，此时有杆腔虽常通的是压力油，但由于液压缸无杆腔和有杆腔的受力面积比为2∶1，则无杆腔的受力克服了有杆腔的受力，使液压缸活塞向开启方向运动，直到调节信号与反馈信号相等为止。反之，关机时，开／关机电磁阀的控制油接通排油，使得液压缸的开机腔接通回油，在关机腔通压力油的情况下，液压缸可向关闭方向运动。

图2 第1阶段优化系统原理图Fig.2 Schematic diagram of first stage system optim ization

图3 有杆腔为关机腔的系统原理图Fig.3 Schematic diagram of rod end as shutdown cavity

自动或手动工况下紧急停机时，紧急停机电磁阀动作，使得液压缸的开机腔直接通过紧停阀接通回油，则在关机腔常通压力油的情况下，使液压缸快速全关。

2.2.2 当液压缸的有杆腔作为开机腔

与第1种情况不同的是，液压缸的开机腔是常通压力油的，如图4，来自开／关机电磁阀的油路与紧急停机电磁阀的控制油口A相通，控制油口B常接压力油。

图4 有杆腔为开机腔的系统原理图Fig.4 Schematic diagram of rod end as opening cavity

在正常情况下，紧急停机电磁阀仍是作为油流通道，自动调节开机和关机时的工作原理同节2.2.1的开机和关机原理相同。

自动或手动工况下紧急停机时，紧急停机电磁阀动作，液压缸的关机腔通过紧停阀接通系统压力油，虽然开机腔常通压力油，但由于关机腔比开机腔的受力面积大，在系统油压相同的情况下，作用在液压缸活塞上的力将使得液压缸快速全关。

由上所述2种情况不难看出，在紧急停机的时候，开机腔的回油或者关机腔的压力油都是通过紧急停机电磁阀的，紧停电磁换向阀不会出现前面提到的比例阀节流的问题，故可以根据用户需要，直接将开／关机电磁阀换为电液比例阀，产品的通用性增强，弥补了第1阶段方案存在的不足。

3 优化后的系统优势

优化后的电液随动系统采用高速开关阀来替代原电液比例阀作为电液随动系统的主要控制阀，但也可根据用户需要，仍将电液比例阀作为主要控制阀。同时，优化后的系统取消掉了手动操作阀、手自动切换阀、液压锁等元件。优化后的电液随动系统与原系统相比，具有如下优势：

（1）抗污染能力强，可靠性更高。由于水电站现场条件较差，原系统中电液比例阀要求有很高的可靠性及稳定性，而优化后的系统采用的是具有较高切换频率的电磁换向阀，电磁换向阀的抗污染能力强，可在油液精洁度ISO 20／17－21／18的液压系统中可靠稳定运行。

（2）优化后的系统由于元器件的减少，因而可以获得较小的结构体积，由于全部采用的是标准电磁换向阀，因而，产品生产周期短、制造成本低，增强了市场竞争力。同时元器件的减少也降低了系统的故障点，降低了故障率。

（3）系统油路更简单，采用的高速开关阀的价格更低，阀块加工量小，安装调试容易，并易于在现有水电站水轮机调速器的基础上实现技术改造。

（4）产品的通用性增强，用同一种产品类型可满足不同的用户需求，提高了生产效率。

4 试验数据

将优化后的方案用于GYT－600型高油压调速器系统，该系统采用数字阀方案，对它进行静态特性测试，空载摆动实验和甩负荷试验。

4.1 静态特性测试

对调速器在接力器全行程进行双向开关机试验，试验结果如表1所示。

表1 静特性试验结果Table 1 Test result of governor’s static performance

根据表1的数据，采用回归法计算出转速死区ix＝0.021%，校验永态转差系数bp值。

标准规定中、小型调速器转速死区ix≤0.06%，满足国标要求［5－6］。

4.2 空载摆动试验

自动空载摆动频率差为0.17 Hz，满足国标要求。

4.3 甩负荷试验

甩100%负荷时，机组最大转速上升为22.0%，转速波动次数为0.5次，转速调节时间为15.1秒，满足国标要求。

5 结 语

高油压型调速器机械液压系统方案优化后的结构更简单，通用性更强，安装维修简便，全部采用液压通用元件，抗油污能力强，可靠性高。试验证明优化方案能完全满足水轮机调速器液压控制系统的要求，特别适用于中小型水轮机调速器的液压控制系统的改进。因此，无论从经济角度，还是从社会效益来说，在技术上对高油压型调速器机械液压系统进行深入探讨，在实践中不断总结经验，促进其各方面不断完善，都具有重要的意义。

［1］ 魏守平.水轮机控制工程［M］.武汉：华中科技大学出版社，2005.（WEI Shou ping.Engineering of Hydraulic Turbine Control［M］.Wuhan：Huazhong University of Science and Technology Press，2005.（in Chinese））

［2］ 郭建业.高油压水轮机调速器技术及应用［M］.武汉：长江出版社，2007.（GUO Jian ye.Technique and Appli cation of High Pressure Turbine Governor［M］.Wuhan：Changjiang Press，2007.（in Chinese））

［3］ 贾宝良，郭建业.关于高油压调速器技术的研究与应用［J］.水力发电，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］ 吴应文.水轮机微机调速器若干问题的探讨［J］.水利机械技术，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，水轮机控制系统技术条件［S］.（GB／T 9652.1—2007，Technical Specifications of the Control System of Hydraulic Turbine［S］.（in Chinese））

［6］ GB／T9652.2—2007，水轮机控制系统试验［S］.（GB／T 9652.2—2007，Code of Test on Control System of Hy draulic Turbine［S］.（in Chinese） ）

（编辑：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，湖北武汉人，主要从事水轮机及水轮机调速器的研究与设计工作，（电话）027－82829787（电子信箱）13379879＠qq.com。