摘要：快速開關(guān)閥與邏輯插裝閥組件在水輪機(jī)調(diào)速器中的成功應(yīng)用，以的思路創(chuàng)造性地開辟了調(diào)速器發(fā)展的新路子，并為調(diào)速器的發(fā)展帶來了新的活力。本文將介紹數(shù)字邏輯插裝技術(shù)的發(fā)展、技術(shù)特征及組合機(jī)理，從幾個方面對邏輯插裝技術(shù)在調(diào)速器使用中的某些問題進(jìn)行初步探討。
水輪機(jī)調(diào)速器誕生至今已有一個世紀(jì)的歷史，也是率先采用液壓控制系統(tǒng)的領(lǐng)域之一。但隨著液壓技術(shù)的不斷發(fā)展，許多其他行業(yè)及時采用液壓技術(shù)的成果，采用標(biāo)準(zhǔn)液壓元件/組件，取得了良好的成效;唯獨(dú)水輪機(jī)調(diào)速器行業(yè)的液壓技術(shù)習(xí)慣于另搞一套，長期游離于現(xiàn)代液壓技術(shù)之外，制約著液壓新技術(shù)在調(diào)速器中的應(yīng)用，值得反思。
中國水利水電科學(xué)研究院自動化所率先在上采用的數(shù)字邏輯插裝枝術(shù)，開發(fā)成功了以邏輯插裝閥組件為基礎(chǔ)的數(shù)字開關(guān)閥調(diào)速器，以的思路創(chuàng)造性地開辟了調(diào)速器發(fā)展的新路子，并為調(diào)速的發(fā)展帶來了新的活力，徹底解決了長期困擾水電廠運(yùn)行的調(diào)速器發(fā)卡、漏油等問題。有力地推動了行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，為水電廠無人值班、減人增效提供了新的有力的技術(shù)保證措施。
本文將介紹數(shù)字邏輯插裝技術(shù)的發(fā)展、技術(shù)特征及組合機(jī)理，后對其在調(diào)速器應(yīng)用中的幾個關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行初步探討。
1 邏輯插裝閥簡介
邏輯插裝閥的出現(xiàn)有效地發(fā)展了傳統(tǒng)液壓控制技術(shù)，就水輪機(jī)調(diào)速器行業(yè)而言，目前在油泵組合閥、分段關(guān)閉閥、折向器液壓控制系統(tǒng)、輪葉/導(dǎo)葉位置隨動系統(tǒng)中得到了一定的應(yīng)用，并取得了的效果。邏輯插裝閥在歐洲初叫"流體邏輯元件"、"液壓邏輯閥"，后根據(jù)DLN24342統(tǒng)一稱"二通插裝閥"，即CV閥(cartridge valves)。我國由于譯名與理解的原因，叫法很多，有錐閥、邏輯閥、插入閥等。值得關(guān)注的是，國外一些知名廠商又在邏輯插裝閥的基礎(chǔ)上派生并推出了比例插裝閥，這為我們的設(shè)計選型增加了許多選擇的余地。
對于油壓裝置、水輪機(jī)調(diào)速器液壓控制部分而言，其基本職能可概括為壓力調(diào)節(jié)、流量調(diào)節(jié)、方向與位置控制。由此就會有壓力閥、流量/-A"向閥(如"主配")，傳統(tǒng)液壓控制技術(shù)的基本組合是"四通滑閥"(如"主配")，加雙向可控執(zhí)行器(接力器)。主配系具有多臺肩圓柱滑閥閥芯和多沉割槽鑄造或鍛造閥體的配磨對稱結(jié)構(gòu)，為非標(biāo)準(zhǔn)大通徑閥(形式的大流量—.棚I液操縱比例/伺服閥)。由于采用間隙密封且軸向結(jié)構(gòu)尺寸大，其抗油污能力、換向可靠性受到局限;此外，換向時間、泄漏量、換向沖擊、動態(tài)響應(yīng)等方面也有諸多不足。從液壓阻尼控制工程的觀點(diǎn)看，它是一種剛性牽連的"四臂液阻"構(gòu)成一個"液壓全橋"，它簡單通用，應(yīng)用歷史悠久。它無法進(jìn)行"單臂控制"、"可控性"受到局限，難以實現(xiàn)多形式、廣范圍和靈活多變的集成化。顯然難以滿足現(xiàn)代水輪機(jī)調(diào)速器對液壓技術(shù)日益增高的要求。本行業(yè)中也出現(xiàn)了要求變革調(diào)速器幾十年一成不變的傳統(tǒng)液壓模式的呼聲。
德國Ba&教授和我國學(xué)者路甬祥教授等人的研究表明，傳統(tǒng)液壓控制的基本組合可進(jìn)一步分割為由兩個可控液阻和一個"受控腔"組合的"液壓半橋"。大部分的液壓控制系統(tǒng)及回路都可含有若干個這種組合。這一新概念使液壓控制系統(tǒng)的組合機(jī)理發(fā)生了根本變化，對傳統(tǒng)液壓控制技術(shù)的變革起了很大推動作用;邏輯插裝閥作為"單個控制液阻"的出現(xiàn)，地豐富和發(fā)展了液壓控制技術(shù)。
2 邏輯插裝技術(shù)的特征及組合機(jī)理
邏輯插裝技術(shù)的基本特征可歸納為：先導(dǎo)控制、閥座主級、插裝式聯(lián)接。同"四通滑閥"相比，它采用微型結(jié)構(gòu)的先導(dǎo)控制，可以不受限制地接受各種形式的開關(guān)、模擬和數(shù)字信號控制，并進(jìn)行包括機(jī)械、液壓參量的反饋和比較，在同一主級上復(fù)合壓力、流量及方向諸多功能，并和比例閥、數(shù)字閥兼容，若先導(dǎo)信號是連續(xù)或按比例調(diào)節(jié)，閥座主級就可實現(xiàn)伺服閥/比例閥的控制功能，具有佳的"可控性"與靈活性。閥座結(jié)構(gòu)上克服了滑閥工藝性差及徑向間隙泄漏的缺點(diǎn)，其閥座主級系"線密封"和"零遮蓋"，加之軸向結(jié)構(gòu)尺寸短、閥芯質(zhì)量小。這為提高動態(tài)品質(zhì)、實現(xiàn)多形式、大范圍、靈活多變的集成化提供了可能。
邏輯插裝閥從原理上講，是一種"單個控制液阻"。該液阻通過先導(dǎo)控制可以實現(xiàn)各種不同的控制功能。同時由于先導(dǎo)控制具有容易復(fù)合的特點(diǎn)，因此一個主級單元可以具有多種功能。從控制方式看，插裝閥單元有利于采用邏輯控制、比例控制、數(shù)字控制等復(fù)雜的控制形成。可稱之為"軟控制"。由此可見，"多功能"、"軟控制"是邏輯插裝閥的一個特點(diǎn)。
邏輯插裝閥的主要優(yōu)點(diǎn)包括：適于高壓、大流量工況;適用于各種工作介質(zhì)，包括高水基甚至純水液壓系統(tǒng);結(jié)構(gòu)緊湊，適于集成化、組合化;可實現(xiàn)無泄漏控制;具有大流量、低液阻特性，系統(tǒng)效率高;既具有快速的開啟與關(guān)閉特性，又可對開、并特性進(jìn)行控制;流量控制特性好;抗油污能力強(qiáng)，性能可靠，壽命長。
3 快速開關(guān)閥調(diào)速器的關(guān)鍵技術(shù)
由邏輯插裝閥組成水輪機(jī)調(diào)速器液壓系統(tǒng)與采用主配等傳統(tǒng)液壓元件組成系統(tǒng)的基本原則是一致的，但由于邏輯插裝閥本身的多機(jī)能和組合靈活的特點(diǎn)，使設(shè)計過程較傳統(tǒng)系統(tǒng)要復(fù)雜一些。
3.1 主閥單元的工作特性
一般來說，插入元件的工作狀態(tài)由作用在閥芯上的合力大小和方向決定的。當(dāng)合力大于零，閥芯關(guān)閉;當(dāng)合力小于零，閥芯開啟;當(dāng)合力等于零，閥芯停留于某一平衡位置。應(yīng)當(dāng)指出。其閥芯實際的受力狀態(tài)、開關(guān)過程遠(yuǎn)比有關(guān)資料的分析復(fù)雜得多。不過A、B、C三腔的奪力關(guān)系仍是起主導(dǎo)作用的，由于工作腔A/B的壓力是由工作負(fù)載條件決定的，不能任意改變，所以一般只能通過對控制腔C壓力的改變來實現(xiàn)對邏輯插裝閥的控制。控制腔C壓力必須始終大于工作腔A或B中的任何一個壓力，才能邏輯插裝閥在使用時可靠關(guān)閉。
3.2 先導(dǎo)控制供油的選擇
先導(dǎo)控制供油可分為內(nèi)供、外供、內(nèi)外聯(lián)合供油?？刂朴鸵y內(nèi)部，稱內(nèi)供，這種方式主閥關(guān)閉緩慢，情況下影響到主閥關(guān)閉的可靠性、甚至有反向開啟的可能性。對調(diào)速器液壓隨動系統(tǒng)而言，要求邏輯插裝閥的開啟/關(guān)閉動作高度可靠與快捷，顯然，應(yīng)盡可能采用外供或內(nèi)外聯(lián)合供油，情況下，也可考慮設(shè)置小型蓄能器，以保證先導(dǎo)控制油的工作壓力盡可能的穩(wěn)定可靠。
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3.3 主控回路設(shè)計
根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)的初步設(shè)計以及主機(jī)對調(diào)節(jié)保證、過渡過程的要求，確定主控回路的構(gòu)成以及各邏輯插裝閥單元的規(guī)格、結(jié)構(gòu)形式、面積比等參數(shù)。
3.4 先導(dǎo)回路與主回路設(shè)計注意事項
根據(jù)邏輯插裝閥單元的規(guī)格不同，對先導(dǎo)回路及先導(dǎo)閥的通流能力的要求也不盡相同。
起調(diào)節(jié)作用的先導(dǎo)閥的選用可以有比例閥、比例伺服閥、高速開關(guān)閥或其他類型的數(shù)字閥等供選擇，我們主要選用快速開關(guān)閥作為調(diào)節(jié)用的先導(dǎo)閥;不起調(diào)節(jié)作用的輔助性先導(dǎo)閥，如緊急停機(jī)閥，則可直接采用普通用途的標(biāo)準(zhǔn)電磁球閥或電磁滑閥。
必須高度重視壓力干擾問題。由于邏輯插裝閥實質(zhì)上是一種壓力控制型元件，所以在用于調(diào)速器液壓控制回路時必須經(jīng)過嚴(yán)格計算，了解接力器位置隨動控制過程中每個局部油路的壓力變化情況，注意邏輯插裝元件各口的壓力變化情況、閥的開關(guān)速度;注意分析接力器換向過程及小波動過渡過程中壓力變化的影響，充分重視先導(dǎo)油路中單向閥、梭閥的作用及其功能的巧妙應(yīng)用。如果只是簡單照抄某些應(yīng)用場合的系統(tǒng)圖，而未作必要細(xì)致的分析計算，則可能影響接力器的運(yùn)動狀態(tài)，導(dǎo)致局部誤動或動作失調(diào)，嚴(yán)重時將導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。
4 快速開關(guān)閥調(diào)速器的應(yīng)用與特點(diǎn)
快速開關(guān)閥調(diào)速器自1999年首次研制成功實驗室樣機(jī)。首臺調(diào)速器于2001年5月在黑龍江黑河西溝水電站18 MW機(jī)組投入運(yùn)行，同年在北京密云投運(yùn)1臺15 MW機(jī)組的調(diào)速器。2002年5月在湖南柘溪水電站1臺75 MW的機(jī)組上投運(yùn)。2001年-2002年，運(yùn)用本產(chǎn)品部分組件取代電液轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，解決了福建水口水電站7臺220 MW機(jī)組長期存在的接力器難以穩(wěn)定的問題。
快速開關(guān)閥調(diào)速器的成功應(yīng)用，獲得了越來越多的用戶青睞，在包括世界銀行貸款招標(biāo)項目的一系列水電建設(shè)工程中使用，已出口緬甸，機(jī)組單機(jī)容量已達(dá)125 MW，總裝機(jī)臺數(shù)已達(dá)100多臺套，產(chǎn)品系列已涵蓋了混流、軸流、沖擊、貫流等機(jī)型，呈現(xiàn)了良好的發(fā)展勢頭。
大量現(xiàn)場應(yīng)用實例表明，快速開關(guān)閥調(diào)速器具有許多不可多得的優(yōu)點(diǎn)：
(1)利用插裝閥優(yōu)化組合，取消了傳統(tǒng)的主配壓閥、電液轉(zhuǎn)換器等問題較多部件，從根本上消除了調(diào)速器發(fā)卡的機(jī)理。
(2)由于采用標(biāo)準(zhǔn)件，元器件的互換性好，密封可靠，無連接桿件、管路，無泄漏現(xiàn)象。
(3)運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)節(jié)質(zhì)量高，維修工作量小，調(diào)整方便。 '
(4)速動性好，快速開關(guān)閥動作時間為3～5 InS，調(diào)節(jié)迅速可靠，對發(fā)揮大型機(jī)組在電力系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)作用十分有利。
(5)油壓裝置油泵動作次數(shù)明顯減少，啟動間隔比目前其他好的調(diào)速器長20倍以上。
(6)設(shè)備緊湊，可根據(jù)現(xiàn)場靈活設(shè)計布置，現(xiàn)場安裝調(diào)試十分便捷。
2004年5月水利部科技司對該產(chǎn)品組織了技術(shù)鑒定，認(rèn)為成果首次提出了的機(jī)械液壓柜模式，其核心部件為高速開關(guān)閥和邏輯插裝閥，由邏輯插裝閥組件實現(xiàn)主配壓閥的功能、無需"中間位置"、而作為先導(dǎo)級的控制元件則由高速開關(guān)閥組件實現(xiàn)，能實現(xiàn)全容錯、直接數(shù)字控制，取消了沿用幾十年的傳統(tǒng)的電液轉(zhuǎn)換元件，因此在設(shè)計理念上是一次根本的變革，使用調(diào)速器技術(shù)取得了突破性進(jìn)展。鑒定委員會一致認(rèn)為該項技術(shù)達(dá)到了水平。
應(yīng)當(dāng)指出，目前該型調(diào)速器是類似產(chǎn)品中唯一獲國家授權(quán)的產(chǎn)品。
5 結(jié)束語
本文的目的僅在于拋磚引玉，大量的工業(yè)應(yīng)用證明，數(shù)字邏輯插裝技術(shù)特別適合與現(xiàn)代的電子技術(shù)相組合，實現(xiàn)邏輯控制、隨動控制、數(shù)字控制、比例控制等。專家們普遍認(rèn)為邏輯插裝技術(shù)的出現(xiàn)可能為液壓技術(shù)的發(fā)展開辟廣泛的前景，使液壓技術(shù)的發(fā)展提高到一個嶄新階段;而邏輯插裝技術(shù)在水輪機(jī)調(diào)速器中的應(yīng)用與逐漸普及無疑將對促進(jìn)調(diào)速器的技術(shù)進(jìn)步提供強(qiáng)大動力。如何更合理有效地采用邏輯插裝技術(shù)構(gòu)成水輪機(jī)調(diào)速器液壓系統(tǒng)，其涉及的問題還有許多、還有大量深入細(xì)致的工作要做?？梢钥隙ǖ卣f，采用邏輯插裝技術(shù)無疑也是水輪機(jī)調(diào)速器液壓系統(tǒng)與現(xiàn)代液壓技術(shù)接軌的快捷方式之一，且很有可能是迅速提高我國調(diào)速器工業(yè)技術(shù)水準(zhǔn)的有效徑之一。