保障水电厂安全运行的插装式组合阀研究

2023-01-04杨晓波张治宇逯鹏成庞鹏飞

水电站机电技术 2022年12期

杨晓波，李娜，张治宇，逯鹏成，庞鹏飞

（1. 江西省界牌航电枢纽管理处，江西鹰潭 335001；2.北京中水科水电科技开发有限公司，北京 100038）

油压装置作为水电厂液压操作系统不可或缺的动力设备，可以为水轮发电机组调速系统、进水球阀、蝶阀以及其它需要压力油作为能源的设备提供压力油源。为保证油压系统运行可靠，通常每套油压装置均配备2台油泵，1台为工作油泵，另1台为备用油泵，二者定期轮换。组合阀位于油泵附近，是集逆止、卸载、安全、卸荷等功能于一体的设备，不仅可以稳定压力油罐的油压，而且具有保护油泵、电机和压力油罐安全运行的作用。为防止压力过高，组合阀通常需设定两个压力等级，即卸荷压力和安全压力，而目前传统的组合阀通常只有安全阀，只设定一个安全压力，因此对于三峡水电厂和向家坝水电厂这样压力油罐容积较大的项目，传统组合阀难以满足高压、大流量的要求。

1 插装式组合阀的特性

1.1 组合阀工作流程

当油压达到最大工作油压时，卸荷阀开启将油泵输出的油排入回油箱，当油压达到卸荷阀整定值的110%以上时，安全阀开启，将油泵输出的油排入回油箱，安全阀的容量应能达到油泵输送的总油量。应提供必需的手动操作阀，以便任意1台油泵与油压系统可分开检修。此外，为使油泵平稳启动，应设置一台启动减载阀，在油泵刚启动时，液压油经过此阀排入回油箱，当油压建立起来后，自动关闭此阀，油泵正常工作[1]。

1.2 插装式组合阀的技术特性

插装式组合阀由液压二通插装阀构成，二通插装阀是符合ISO 7368/ GB/T 2877/DIN 24342的标准元件，插装阀的阀芯和阀套之间靠锥面密封，动作快速，通流能力强，如DN160插装阀最大通流量可以达到20 000 L/min，满足水电厂压力油罐充油需要大流量的要求。插装阀的阀芯和阀套带有1～4个节流窗口，不仅对组合阀慢速关闭的节流精度更加精细，对系统的压力缓冲也可以起到一定作用。

对插装阀控制腔油流的控制可实现阀芯关闭的多样性。如用液动换向阀或电磁阀对插装阀控制腔的有压和无压控制，插装阀能做到快速开启和关闭；如果对插装阀控制腔的油流变流量控制，可以实现插装阀的阀芯变速，实现插装阀阀芯快关和慢关变化，降低了系统的压力冲击。插装阀有常开型和常闭型，针对水电厂工作压力低的特点，我们已研发了常开型插装阀的组合阀，常开型插装阀液流流经插装阀无需克服弹簧力，从而可降低系统压力损失。目前大多数水电厂都将组合阀布置于油泵附近，装在管道上。具有安全阀和逆止阀功能的插装阀方便地集成在一个阀体中，可减少安装管道，互换性好，便于维修[2]。

2 插装式组合阀的类型

二通插装阀式组合阀具有电加载和机械式延时加载两种方式。

2.1 电加载插装式组合阀

电加载插装式组合阀由2个插装阀、3个先导阀、阀体及法兰构成。它包含了逆止阀、卸载阀、安全阀和电加载阀的功能。其结构如图1所示。

图1 电加载插装式组合阀结构图

组合阀设有3个油口，分别为与泵相连的油口P、与压力罐相连的油口P1以及与回油箱相连的回油口T。如图2电加载插装式组合阀工作原理图中，2个插装阀（1个调压阀和1个逆止阀）及3个先导阀的表示符号为：CV1—调压阀、CV2—逆止阀、YV1—卸载阀先导控制、YV2—安全阀先导控制、YV3—加载电磁阀[3-4]。

图2 电加载插装式组合阀工作原理图

2.1.1 加载电磁阀（简称加载阀）

加载电磁阀是将泵从卸荷状态带上负载的电磁阀。由于大功率螺杆泵的电动机惯量大，所以从启动到稳定状态需要一定的时间。如果在螺杆泵达到额定流量之前带上负载，则对螺杆泵、液压系统均十分不利。采用加载电磁阀可以使螺杆泵启动时处于卸荷状态，直到电动机达到额定转速后，才使螺杆泵输出额定工作压力和流量的压力油。油泵启动时，由于P1的作用，逆止阀CV2处于关闭状态。调压阀CV1上腔通过电磁加载阀与回油相同，处于导通状态，油泵流过的油通过CV1油口回到回油箱。当电磁阀YV3通电，调压阀CV1上腔通与回油关闭。此时压力油进入CV1控制腔，使CV1关闭。从而P口压力把止回阀打开，向压力罐供油。当停泵后，卸载阀又恢复起始状态。

2.1.2 安全阀

安全阀是为保证压力罐内油压不超过允许值而设置的泄放装置，以防止螺杆泵与压力罐过载，并保护其安全。当发生故障时，螺杆泵仍然运转，油压继续升高，当压力作用于先导控制阀YV2的推力大于整定弹簧力时，则YV2动作，使CV1控制的油排泄。此时，在P口压力作用下调压阀CV1被推开，使油泵的油液回到回油箱，压力罐及螺杆泵都能保持在额定的压力下工作。

2.1.3 卸荷阀

卸荷阀由卸荷先导阀YV2与主阀CV1组成。它是为螺杆泵作连续运行而设置的。螺杆泵采用连续工作时，压力罐内的压力随流量而变化，当输入流量大于输出流量时，压力随之升高：当压力高于工作压力上限时，卸荷先导控制阀YV3控制腔压力克服弹簧力而动作，CV1控制腔泄油，使CV1活塞被推开，使油泵的油液回到回油箱，逆止阀CV2处于关闭状态，使螺杆泵在低压下工作。随着系统的消耗，压力罐内油压逐渐降低，当压力罐的压力达到工作油压下限时，卸荷先导阀YV3在弹簧力作用下关闭。CV1控制腔随着建压而关闭调压阀，螺杆泵恢复向压力罐供油。安全阀和卸荷阀动作压力，可以分别通过YV2、YV3的弹簧预紧力来调整。

2.1.4 逆止阀

在压力油通往系统前设有一逆止阀CV2。由于P1压力的作用，逆止阀处于关闭状态。油泵启动后，经卸载阀YV1的卸载作用，直到主阀CV1关闭，P口的压力上升到一定压力克服逆止阀背压，打开逆止阀向压力罐充油。

2.1.5 电加载组合阀对控制电源的要求

（1）厂用交流电源：～220 V±10%，50 Hz，≤1 000 VA；厂用直流电源：220 V±10%，≤100 W；

（2）电加载组合阀使用的开关电源：输入电压AC 85～264 V，输出电压DC 24 V。

2.2 机械加载插装式组合阀

机械加载插装式组合阀由2个插装阀、2个先导阀、机械式延时加载阀、阀体和法兰构成，其结构如图3所示。

图3 机械加载插装式组合阀结构图

图4 机械加载插装式组合阀工作原理图

如图4机械加载插装式组合阀工作原理图所示，当油泵启动后，泵打出的油经过安全阀排回油箱，当油泵启动3～5 s后，机械式延时加载阀YV1加载，插装式主阀CV1闭合，油流经逆止阀CV2打入油罐直到工作压力达到安全阀设定的压力值。

如金沙峡水电厂压油罐容积2.5 m3，工作压力4.0 MPa，最大使用压力4.4 MPa，泵流量3 L/s，安全阀要求4.2 MPa完全排空。针对上述要求，改造时采用二通插装阀式组合阀，将力士乐DN32系列插装阀作为安全阀和逆止阀，设定最大压力为4.2 MPa，机械式延时加载阀3 s后油泵带压工作，现场实测当油压高于工作压力4.2 MPa时，安全阀完全开启，且压力油罐中的压力不再升高，满足金沙峡水电厂的改造要求。

3 插装式组合阀的技术优势

3.1 减小油泵供油时的震动

油泵在向压力罐供油过程中，由于油流速度和压力的变化会引起震动。插装式组合阀的逆止阀采用插装阀，插装阀的阀芯和阀套带有1～4个节流窗口，对组合阀慢速关闭的节流精度更加精细，对流速可以起到缓变作用。另外通过对插装阀控制腔油流的控制，可实现阀芯关闭速度的变化，减小压力剧变，系统的震动自然就消除了。

如广西红花水电厂采用插装式组合阀后，在该厂50 m多超长操作油管且无特殊加固管卡的工作条件下，设备依然工作平稳，回油箱和油管路系统无任何明显冲击或震动，显著降低了厂房内的噪音。

3.2 保护油泵

对于普通的油泵安全阀和逆止阀，当油泵启动供油时，油压急速上升至工作油压，产生的压力冲击将破坏油泵密封，降低其使用寿命，而插装式组合阀则可以通过延缓建压时间来有效减小压力冲击，从而保护油泵。

3.3 保护电机

3.3.1 有效防止电机反转

当油罐压力达到工作压力时，加载阀断电，油泵卸载，油泵油流排入回油箱，3～5 s后油泵停止运行，由于插装阀的阀芯和阀套之间为锥面密封，动作快速，开启压力设定为0.4 MPa，可保证逆止阀可靠关闭，有效防止压力罐油液倒流，从而保证电机不会反转。

3.3.2 有效减小电机启动电流

不论是电加载插装式组合阀，还是机械加载插装式组合阀，均有延时加载的功能，因而可以延缓油泵的建压时间，当电机在无负载的情况下从零转速运行到额定转速时，可以降低压力冲击，从而有效减小电机启动电流。如竹篙滩水电站压油罐容积2.5 m3，工作压力4.0 MPa，最大使用压力4.4 MPa，泵流量6 L/s，改造前启动电流为79 A，当采用插装式组合阀后，电机启动电流减小至63 A。

3.4 保证压力油罐安全运行

根据GB/T 9652.2-2019《水轮机调速系统试验》中第6.3.2.1条的规定，调整安全阀的调节螺栓，使油压高于工作油压上限2%时，安全阀开始排油，油压高于工作油压上限的10%以前，安全阀应全部开启，且压力油罐中油压不再升高[5]。

目前国内大多数压力油罐设计压力均为工作油压上限的10%，在实际使用时出于对安全的考虑，在油压高于工作压力上限5%～8%以前安全阀应全部开启，高于GB/T 9652.2-2019的要求，无疑对组合阀的性能提出了更高要求，插装阀式组合阀则以其动作迅速、压力调节灵敏稳定的特性可完全满足这一要求。

如甘肃莲麓水电厂压油罐容积1.6 m3，工作压力4.0 MPa，最大使用压力4.4 MPa，泵流量3 L/s，安全阀要求4.2 MPa完全开启。改造时采用二通插装阀式组合阀，将力士乐DN32系列插装阀作为安全和逆止阀，设定最大压力为4.2 MPa，现场实测当油压高于工作油压4.2 MPa时，安全阀完全开启，压力油罐中的压力不再升高，满足水电厂对压力油罐安全运行的要求。