水轮机筒阀电液同步控制系统研究.doc

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1、水轮机筒阀电液同步控制系统研究宋伟科， 肖聚亮， 王国栋天津大学机械工程学院，天津 （300072）E-mail：摘 要：根据筒阀的作用及其机构特点，提出筒阀同步控制系统的设计要求及技术指 标。在对比分析水轮机筒阀两种同步控制方式，即机械同步与电气液压同步的基础上， 提出了一种新的机械、液压、电气同步控制方式。针对该系统的组成和工作原理，具体 分析设计了液压同步控制系统的控制阀组、马达分流模块、配油模块；电气同步控制系 统的位置测量模块、PLC 控制模块等。该控制系统在云南红河南沙水电站得到实际应用， 其同步控制精度和速度控制指标均达到设计要求。关键词：水轮机筒阀；同步控制；速度控制中图分类号

2、：TH137TK730- 6 -1. 前言在许多中高水头和多泥沙的河流中，水 电站要求水轮机停机后必须立即关闭进口 阀，如果不设进口阀或不关进口阀，在导叶 的立面间隙和端面间隙处不可避免的存在 高速水流，使导叶上下抗磨板甚至转轮叶片 的进口易发生气蚀，对于高水头或多泥沙河 流尤为严重1。筒阀作为一种断开阀，安装 在水轮机固定导叶和活动导叶之间，很好的 解决了这个问题。筒阀关闭时，起到止水阀 的作用，阻止水流通过，以防导叶由于泥沙 磨损而漏水过大；筒阀开启时，整个筒体缩 紧水轮机支撑环和顶盖之间的腔室内，对过 机水流不造成干扰。此外，筒阀还具有在水 轮机飞逸时起到事故关闭的功能2 3。基于水轮机

3、筒阀在提升过程中对同步 精度和速度控制的要求，本文主要提出一种 新的机械、液压、电气同步控制系统，并对 其工作原理进行了详细研究，该系统已成功 应用在云南红河南沙水电站。2. 筒阀同步系统及技术要求筒阀同步机构广泛采用的方式有两种， 分别是机械同步和电液同步。机械同步主要 由接力器驱动链条实现，接力器活塞运动 时，通过固定在其上的滚动旋转螺母带动丝杠旋转，丝杠端部连接齿轮，将筒阀接力器 上下运动变为齿轮的旋转运动，带动其它接 力器上的齿轮同速旋转，从而带动其它丝 杠，实现多接力器同步运动。目前，国内漫 湾电站、大朝山电站、石泉电站和小湾电站 等均采用此种方式4。虽然机械同步控制简 单、操作方便

4、，但存在接力器速度不能调节、 链条易于胀断、布置空间大和噪声大等缺 点，因此，其应用受到一定的局限。电液同 步控制主要由电液伺服（比例）阀、接力器 和位移传感器组成闭环控制系统实现，电液 伺服（比例）阀控制接力器的运行速度，位 移传感器测得的误差传给控制器，对伺服（比例）阀做出调整，从而实现多接力器同 步运动。目前，国内仅小浪底电站采用了该 种方式4。电液同步控制系统占地空间小、 噪音低、运动速度可控，但系统在失电的状 态下不能工作，因此其应用也受到一定的局 限。无论是机械同步还是电液同步，现有水 轮机筒阀同步控制系统都存在一定的局限 性。为了解决这些问题，本文结合云南红河 南沙水电站具体应用

5、，提出了一种机械、液 压、电气并列的电液同步控制方式。在详细 分析该系统前，首先给出筒阀启闭对同步系 统的技术要求，主要有以下几点：(1) 同步控制 由于筒阀的质量较大（约23t），行程较长（1327mm），在启闭过程中必须保证 6 个均布的接力器位移同步。一旦 6 个接力器的相对位移偏差超过允许值， 将造成筒阀发卡影响正常开启和关闭2。(2) 速度控制 由于水动力的影响，筒阀在初 始启动、正常上升和下降、接近运动终点时 的受力状况均不相同，因此筒阀在不同位置 时的速度要求也不同，筒阀启闭的速度应能 按要求的速度曲线进行控制，保证筒阀的安 全启闭。(3) 发卡处理 在筒阀启闭过程中，当 6 个

6、接 力器的位移偏差超过允许值时，同步系统应 能进行及时调整，在调整不起作用的情况下 筒阀停止启闭，以防筒阀机械卡死。(4) 事故关机 当水轮机在发电过程中出现 飞逸时，筒阀同步控制系统在接到飞逸信号 后，应能动水关闭筒阀。3. 筒阀电液同步控制系统设计由于筒阀直径较大，需要多个液压执行 器来操作，操作过程中需要阀体水平、平稳 地动作，不能发生发卡别劲的现象，因此还 需要有可靠的同步控制机构，以保证多个液 压缸执行器同步运行5。系统采用了机械液 压同步和电气同步共同控制的方式。3.1 机械液压同步控制系统本液压控制系统主要由一套控制阀组， 一个分流模块（液压马达），六个配油模块 组成。液压控制系

7、统方块图如图 1 所示。本系统采用六个接力器作为液压系统 的执行装置。为了实现六个液压缸的同步控图 1 筒阀液压控制系统方框图控制阀组和分流模块原理图如图 2 所 示。图 2 控制阀组和分流模块原理图配油模块原理图如图 3 所示。位移传感器 接力器605.1606.1607.1制技术要求，可以通过保证每个液压缸进出油量的相等来实现。本系统采用六个径向柱 塞液压马达对泵站系统的液压油进行分流。每个液压马达有两个输油管，其中一个单独608.2609608.1607.2606.2605.2604602601B T PP YM S连至与其相应的一个接力器下腔，另一油管引向控制阀组。由于六个液压马达在机

8、械上 通过齿轮啮合实现同转速，基本上可以保证 每个液压马达输出相同的流量。由于该型号 的液压马达是可逆式的，所以无论在筒阀开 启和关闭过程中，均可实现机械同步。图 3 配油模块原理图控制阀组和分流模块主要由电液比例阀 301、平衡阀组 302、失压保护先导溢流 阀 304、减压阀 305、筒阀初始提升阀 303.1 和筒阀关闭梭阀 310 组成。实现筒阀开启和 关闭过程中不同过程的控制作用。分流模块 由相互啮合的同步马达组成，主要实现控制管路的集中布置。配油模块主要由电气同步微调电磁阀605.1 和电气同步粗调电磁阀 605.2，以及上 腔回油控制电磁阀 609 和液控单向阀 604 等 组成

9、，实现每个接力器的精确调整。系统运行时，液压泵产生的压力油经过 控制阀组和分流模块（图 2）产生六路等流 量的液压油，进入配油模块（图 3），最后 进入接力器中，实现筒阀的开启和关闭动 作。接力器的运动主要可以分为：初始提升、 正常开启、正常关闭、断电关闭和机组飞逸 紧急关闭等。(1) 初始提升筒阀初始提升时，由于有液动力的存 在，提升力较正常时大，这时通过控制初始 启动电磁阀 303.1、609 使其开启，这时油液 经换向阀 303.1、单向阀 601、节流阀 602 直接进入接力器下腔；接力器上腔油液经换 向阀 609 直接回油箱，一定位移后完成初始 提升，使筒阀和下端密封脱离。(2) 正

10、常开启筒阀和下端密封脱离后进入正常开启， 此时 303.1 和 609 关闭，油液经比例换向阀301、稳压阀组 302 进入同步马达 501，再经604 进入接力器下腔；接力器上腔油液经过 单向阀 305、比例换向阀 301 回油箱。(3) 正常关闭正常关闭时，比例换向阀 301 换向，反 向供油，油液经减压阀 305 进入接力器上腔； 同时稳压阀组 302 通过液动力将自身的平衡 阀切换到反向节流状态；液控单向阀 604 通 过换向阀 303.2 打开，接力器下腔油液经液 控单向阀 604、同步马达 501、稳压阀组 302 的节流口、比例换向阀 301 回油箱。(4) 断电关闭在断电情况下

11、，手动操作换向阀 308， 油液经梭阀 310.2 开启液控单向阀 604，同 时油液经梭阀 310.1 打开液控单向阀 309， 接力器下腔油液经液控单向阀 604、同步马 达 501、液控单向阀 309 回油箱。同时手动 换向阀 308 开启液动阀 312，压力油经液动阀 312 进入接力器大腔，筒阀在压力油作用下关闭筒阀。(5) 机组飞逸紧急关闭当机组过速保护装置发出油压信号时， 液动阀 307 换向，油液经梭阀 310.2 开启液 控单向阀 604，同时油液经梭阀 310.1 打开 液动单向阀 309，接力器下腔油液经液控单 向阀 604、同步马达 501、液控单向阀 309 回油箱；

12、液动阀 307 的动作同时打开液控阀312，此时压力油经 312 进入接力器大腔， 接力器在压力油的作用下关闭筒阀。3.2 电气同步控制系统由于液压系统比较复杂，电气控制系统 的可靠性至关重要，直接影响筒阀操作的可 靠性6。本电气同步控制系统由位置测量系统 和 PLC 组成，见图 4。图 4 电气同步控制系统3.2.1 位置测量系统位置测量系统由 PLC 控制系统中的位 置测量程序和与其配套安装在筒阀接力器 活塞内部的位移传感器组成。位移传感器选用巴鲁夫 BTL5-S163 型 号，该微脉冲位移传感器带同步 SSI 接口， 适合于动态控制的应用场合。传感器内部数 据的采集与外部时钟频率同步，保

13、证控制器 最优化的计算速率。该位移传感器采用 25 位二进制码上升型，系统分辨率 10 m m 。额 定检测长度 1400 mm ，采用插头方式连接。 该位移传感器可以直接将液压缸的位移值 转换为高精度、高可靠性和高线性度的模拟 量值，送入 PLC 进行后续处理。3.2.2 PLC 控制系统 结合筒阀接力器行程允许位置偏差曲线（见图 5），通过调整配油模块中的微调粗调电磁球阀实现六个接力器的精确位置 同步。E(mm)允许偏差1086420.45 1.20.5 11.3271.5S(m)终止段，筒阀的运动速度远小于中间段的运动速度。图 5 筒阀接力器允许位置偏差曲线图中的横坐标为六个接力器中活塞

14、位 置最低的接力器的位置。由图中可以看出， 在接力器行程的两端，允许位置偏差远小于 行程中段的允许偏差。在筒阀运动过程中， 如果接力器的位置偏差小于允许偏差，则认 为六个接力器是同步的。电气同步通过 PLC 和同步粗调微调电磁球阀来实现。为每个接 力器配置两个电磁球阀，它们的调节精度不 同，通过实时通断电磁球阀，改变管路的流 量，实现同步调整功能。此功能属于开关量 控制。在筒阀开启或关闭过程中，每个接力器 顶端的位置传感器实时地将接力器的位置 信号反馈至 PLC，由 PLC 比较六个接力器 的位置，将位置最低的接力器的位置作为基 准位置。然后分别将其它接力器的位置与之 相比较，得出每个接力器的

15、位置偏差。同时 根据接力器允许位置偏差曲线得出基准位 置的允许偏差。如果某个接力器的位置偏差 超过允许偏差的 30%小于 70%时，对应的微 调电磁阀励磁，将接力器下腔的油适量的排 回油箱；当位置偏差超过允许偏差的 70% 时，粗调电磁阀励磁，将该接力器下腔更多 的油排回油箱。通过排油，减缓该接力器开 启速度或加快其关闭速度，与其他接力器运 动速度渐趋一致，从而保证六个接力器运动 过程中的同步6。3.3 速度控制系统筒阀的运动速度曲线如图 6 所示。 筒阀在全关位置时，由于水力因素，需要较大的提升力才能使其开始运动。因此初 始启动时，运动速度较小。同时，为了防止 筒阀在其行程的起始段和终止段产

16、生发卡 或撞击相邻部件，在接力器运动的起始段和图 6 筒阀运行速度曲线在筒阀的运动过程中，PLC 按照这个速 度曲线向电磁比例方向阀发送调节信号，比 例阀根据接收到的调节信号，控制开启侧或 关闭侧的油口开度，进而控制接力器的开启 和关闭速度。4 筒阀控制系统操作方式筒阀控制系统的操作方式主要有远方 自动、现地自动和现地手动三种方式。初次 之外，在以上三种方式失灵的情况下，仍可 以通过手动操作电磁阀实现筒阀的开启和 关闭，在系统压力消失或控制系统控制信号 消失的情况下，仍可以手动操作电磁阀和截 止阀，使筒阀依靠自重平稳落下。4.1 发卡处理如果六个接力器任何一处的位置偏差 超过允许值（8 mm

17、），PLC 控制系统将停 止筒阀操作并将该接力器向相反方向移动 以纠正偏差，如果偏差得以纠正，则筒阀继 续沿原方向持续；如果仍不能消除偏差，将 再次向相反方向移动以纠正偏差，经过两次 调整均不能有效消除偏差，则发出筒阀发卡 的信号，同时在 PLC 内部逻辑中筒阀操作 被停止。可以通过控制输入电磁比例方向阀的 电压正负控制筒阀的运动方向。电压的正负 可以在 PLC 内部程序实现。4.2 PLC 控制系统的自诊断功能PLC 控制系统通过内部程序实现自诊 断功能。当一个筒阀接力器传感器失灵时， 系统报警，但筒阀仍然向原方向运动；当两 个或者两个以上的传感器失灵时，PLC 系统停止运行，禁止筒阀运动，

18、直至故障消除。4.3 紧急关机处理在紧急关机时，中控系统将给筒阀 PLC 紧急关机指令，此信号由机械飞摆测速装置 给筒阀控制系统以油压信号完成，筒阀将在6 秒内关闭到全行程的 70%，然后通过 20 秒时间关闭筒阀。如果此时筒阀超过 2 只传 感器失灵，PLC 将切除位置检测系统，按预 设好的程序打开接力器排油电磁阀，使筒阀 紧急动水分段关闭。5 实际应用本文所采用的机械液压电气同步控制 调整方式控制筒阀的开启和关闭已经在云 南红河南沙水电站得到具体应用。水轮机筒阀外观图如图 7 所示。图 7 水轮机筒阀外观图控制阀组和分流模块现场如图 8 所示。图 8 控制阀组和分流模块现场图配油模块现场如

19、图 9 所示。图 9 配油模块现场图5.1 实验结果筒阀实际操作过程中操作时间及同步误 差如表 1 所示。表 1 筒阀开启关闭时间及同步误差实验项目操作时间同步误差无水手动开启87s4mm关闭68s4mm无水自动开启85s3mm关闭66s4mm静水关闭67s3mm动水关闭63s4mm5.2 结果分析(1) 筒阀开启时间大于关闭时间。由于在 PLC 控制系统中采用六个接力器的最小位 移作为基准位移，在开启过程中，以最慢缸 为基准，在关闭过程中，以最快缸为基准。 (2) 筒阀动水关闭时间小于静水关闭。动水 情况下，筒阀底部会形成局部真空，在水力 下拉力作用下，关闭速度加快，关闭时间缩 短7。(3)

20、 筒阀在各项实验过程中均未出现发卡现 象，同步精度4mm，满足系统设计要求。 (4) 筒阀在关闭过程中，接力器下腔压力3MPa，小于系统额定压力 6.3MPa，满足 设计要求。云南红河南沙水电站的具体应用证明 本控制系统具备良好同步控制和速度控制 性能。同时很好的结合了机械和电气控制的 优点，在断电、机组过速、发卡等意外情况 下实现系统的自动调节，具备很高的实用价 值。参考文献1 吴次光.筒阀的应用J.能源部水利部昆明勘测设计研究院.2 Self-closing cylindrical gate for hydraulic turbo-machineP. U.S. Patent, NO: 44

21、34964.3 Ring gate control system for Francis turbineP. U.S. Patent, NO: 4434964.4 马新红，李涛，钟光华.小浪底电厂筒阀液压控制系统J.大电机技术，2006.2：67-70. 5 权君宗，谢俊.水轮机筒形阀控制方案的比较J.东方电机，2005.4：77-82.6 葛洪康，唐伯蓉.论筒形阀的操作控制方式J.四川水利发电，2004.12：63-65. 7 贺永成.漫湾电站筒形阀动水关闭实验研究J东方电气评论，1997.12：244-249.Research on electro-hydraulic synchronou

22、s control system of ring gate for hydraulic turbineSong Wei-ke, Xiao Ju-liang，Wang Guo-dong(School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072) Abstract：The design requirement and technology guideline of Electro-hydraulic Synchronous Control System is formulated based on the functi

23、on and structure characteristic of cylindrical gate. A new control mode, which combines mechanics, hydraulics and electrics, is presented to address the motion synchronization problem after contrasting two different synchronous control systems, namely mechanical synchronization and electro- hydrauli

24、c synchronization. On the subject of the composition and working principle of the proposed system, the control module, motor diffluence module and distribution module of hydraulic system, position detecting module and PLC control module of electric system are analyzed and designed. The synchronous p

25、recision and control capacity of velocity achieve design requirement of the proposed system by application in hydropower plant of Yunnan Honghe Nansha.Key words：Ring gate for hydraulic turbine; Synchronous control; Velocity control作者简介： 宋伟科(1983)，男，硕士研究生，主要研究方向为机电液一体化控制。 肖聚亮(1977)，男，讲师，博士主要研究方向为机电液一体化、数控技术等。 王国栋(1964)，男，副教授，主要研究方向为数控加工技术等。