（机械工程专业论文）水轮机筒阀电液控制系统联合仿真与试验研究.pdf

中文摘要 本文紧密结合天津市科技支撑重点项目“水轮机筒阀及电液控制系统开发与 应用”，以研究筒阀电液控制系统在开启、关闭和机组飞逸紧急关闭等过程中的 动态特性为目的，对水轮机筒阀机电液系统进行了建模和仿真分析。论文主要 研究内容和成果如下： ( 1 ) 在介绍水轮机筒阀的作用、特点以及国内外应用现状的基础上，提出 了一种机械、液压、电气相结合的电液同步控制方式，并介绍了该系统的组成 和控制策略。 ( 2 ) 结合多缸同步控制研究和筒阀仿真的现状，采用相关动力学理论知识 对筒阀本体部分进行了分析，并分析了筒阀多个接力器同步误差产生的原因， 为仿真模型的建立奠定基础。 ( 3 ) 在介绍筒阀工作原理的基础上，为解决筒阀接力器负载较难确定和多 个接力器耦合的问题，采用了联合仿真的方式进行分析。运用a m e s i m 软件建 立筒阀液压系统模型，运用l m s r t u a l l a b 建立了筒阔机械结构的模型，并建 立了筒阀本体和活塞杆的弹性体模型，通过设置接口模块参数建立两个软件之 间的联系。仿真分析了接力器缸径误差和内泄漏对筒阀开启、关闭和机组飞逸 紧急关闭过程的影响，重点分析了动水关闭筒阀时由水动力产生的下拉力和倾 覆力矩对机组飞逸紧急关闭筒阀过程的影响。 ( 4 ) 通过将仿真结果与筒阀在云南南沙水电站和马堵山水电站试验结果对 比分析，表明本文建立的仿真模型与实际情况相符。同时也验证了该筒阀电液 控制系统满足设计要求。 关键词：水轮机筒阀，多缸同步，电液控制，动水关闭，联合仿真 i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，at i a n j i ns c i e n c ea n d t e c h n o l o g ys u p p o r tk e yp r o j e c ti nr i n g g a t ef o rh y d r a u l i ct u r b i n e ( t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fr i n gg a t ef o rh y d r a u l i c t u r b i n ea n di t se l e c t r o h y d r a u l i cs y s t e m ) i ss t u d i e d t h em e c h a t r o n i c sa n dh y d r a u l i c s s y s t e mo fr i n gg a t ei sm o d e l e da n da n a l y z e do nt h ep u r p o s eo f s t u d y i n gt h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r o - h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mo fr i n gg a t ei nt h e o p e n i n g ，c l o s i n g a n de m e r g e n c ys h u t d o w np r o c e s s i n g t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dr e s u l t s a r e s h o w nb e l o w ： ( 1 ) ac o n t r o lm e t h o d ，c o m b i n i n gw i t hm e c h a n i c s ，e l e c t - d e sa n d h y d r a u l i c s ，i sp u t f o r w a r dw h i c hb a s e do nt h ef u n c t i o n ，c h a r a c t e r i s t i c sa n d a p p l i c a t i o ns i t u a t i o no fr i n g g a t ef o rh y d r a u l i ct u r b i n e t h ec o m p o s i t i o n sa n dc o n t r o ls t r a t e g i e so f s y s t e ma r ea l s o s t u d i e d ( 2 ) c o m b i n i n gw i t hs t a t u sq u oo fs y n c h r o n i z a t i o nc o n t r o la n ds i m u l a t i o no fr i n g g a t e ，t h eb o d yo ff i n gg a t ei sa n a l y z e d 坶d y n a m i cm e t h o d t h er e a s o n s n d u c et o s y n c h r o n i z a t i o ne r r o ra r ea n a l y z e d ，w h i c ha r ei m p o r t a n t 蕾a rt h ec o n s 仃u c t i o no f s i m u l a t i o nm o d e l ( 3 ) 3 b a s eo nt h eo p e r a t i o n a lp r i n c i p l eo fr i n g g a t ef o rh y d r a u l i ct u r b i n e a c o 。s i m u l a t i o na p p r o a c hi su s e dt or e s o l v i n gt h ep r o b l e m so fa s c e r t a i n l o a da n d c o u p l i n go fc y l i n d e r s h y d r a u l i cm o d e lo fr i n g g a t ei se s t a b l i s h e db ya m e s i m s o f t w a r ea n dm e c h a n i c a lm o d e li se s t a b l i s h e db yl m s v i r t u a l l a bs o f t w a r e a n dt h e b o d yo ff i n gg a t ea n dp i s t o nr o d so fc y l i n d e r sa r et r e a t e dw i t hf l e x i b l ep r o c e s s i n g t o m a k et h el i n k a g eb e t w e e na m e s i mw i t hl m s v i r t u a l l a b ，t h ei n t e r f a c ep a r a m e t e r s a r es e t t h ee f f e c to fc y l i n d e rd i a m e t e re r r o ra n di n t e r n a l l e a k a g eo nt h eo p e n i n g ， c l o s i n ga n de m e r g e n c ys h u t d o w np r o c e s s i n g ，a r ea n a l y z e d ，e s p e c i a l l yo nt h ee f f e c to f d o w n w a r dp u l la n d o v e r t u m i n gm o m e n t ，w h i c ha r eg e n e r a t e db yh y d r o d y n a m i cf o r c e i nt h ee m e r g e n c ys h u t d o w n p r o c e s s i n g ( 4 ) t h r o u g ht h ec o n t r a s tt h es i m u l m i o nr e s u l t sw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so f r i n gg a t ea tn a n s h aa n dm a d u s h a nh y d r o p o w e rs t a t i o ni ny u n n a np r o v i n c e ，o n e c o n c l u s i o ni sc o m et ot h a tt h es i m u l a t i o nm o d e lc a nm a t c ht h ef a c tw e l l i ta l s ov e r i f y t h a tt h ee l e c t r o 。h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mo f r i n gg a t em e e t t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ：r i n gg a t e ，m u l t i - c y l i n d e rs y n c h r o n i z a t i o n ，e l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o l ， e m e r g e n c ys h u t - d o w np r o c e s s i n g ，c o s i m u l a t i o n 第一章绪论 1 1 课题研究背景弄i ：1 意义 第一章绪论 随着社会和经济的发展，人类对能源的需求呈增长的趋势。水力发电作为 一种可持续发展的能源，具有无污染、成本低、规模大、调节性强、效益显著 等优点，欧美经济发达国家水电开发程度都已达到4 0 - - 5 0 。我国地域辽阔， 水能资源蕴藏量丰富，理论蕴藏量6 7 6 亿k w ，可经济开发容量3 7 8 亿k w 1 1 。 从1 9 1 0 年在云南石龙坝兴建了我国第一座水电站至今，我国水电从无到有、从 小到大、从弱到强，已走过了百年的历程，为国民经济和社会发展做出了重要 贡献。建国前，全国的水电装机容量仅为3 6 万k w ，水平十分低下；新中国成 立后，我国水电开发规模不断迈上新台阶，截至2 0 1 0 年8 月，中国水电装机突 破2 亿k w ，居世界第一l 引。 水轮机是把水流的能量转换为机械能的动力机械，主要有反击式和冲击式 两种。其中属于反击式的混流式水轮机在世界上使用最为广泛，其主要部件有： 蜗壳、进水阀、座环( 含固定导叶) 、活动导叶、顶盖、转轮、主轴、尾水管等 d j 。由于电站水轮机运行与检修的需要，在水轮机蜗壳前装设有进水阀。进水阀 在机组停机时能起到减少因漏水所造成导叶的空蚀与磨损和缩短机组重新启动 时间的作用；同时当机组和调速系统发生故障，需要紧急停机时可以迅速关闭 进水阀，截断水流，防止机组飞逸时间超过允许值，避免事故扩大【4 】。目前，水 轮机进水阀常采用球阀、蝶阀、筒阀和闸阀等【5 】。 球阀和蝶阀在中小型电站中使用较多，两者还常用于公共取水的支管道上， 其安装位置均在厂房内蜗壳进水口处 6 1 。球阀具有密封严密、全开时几乎没有流 阻等优点，但是随着转轮直径的增加，球阀体积将迅速增大，造价也随之增高； 蝶阀具有体积小、重量轻、操作方便等优点，但其结构会造成一定的水力损失， 且启闭噪声大。在安装快速闸门和球阀或蝶阀的水电站，当导水机构发生故障 需停机时，必须投入快速闸门，在快速闸门关闭的过程中仍有高压水，且压力 钢管直径大、长度长，有可能使事故扩大【_ 7 1 。同时，由于我国江河多属于泥沙河 流，停机时通过水轮机导叶立面和上、下端面间隙的高速含沙水流将造成导叶 的间隙空蚀和泥沙磨损，由此损坏的导叶、顶盖及底环造成维护费用升高，工 作量大，检修期长【8 】。从刘家峡开始，继而在盐锅峡、龚嘴、丹江口、乌江渡、 第一章绪论 凤滩、柘溪、白山等大批电站，由于停机占用时间过长，出现不同程度导叶端 面、里面密封腐蚀漏水过大，导致水轮机无法正常运行【9 1 。正因为传统的球阀、 蝶阀存在着以上这些局限性，随着筒阀技术的应用和推广，其优良的性能被设 计和管理人员所接受，许多新建的中高水头大中型水电站得到应用，其外观如 图l 一1 所示。 图l - 1 筒阀外观图 筒阀作为一种新型的进水阀，安装于固定导叶与活动导叶之间。在水轮机 正常开停机流程中，筒阀的开启在活动导叶打开前开启，筒阀的关闭在活动导 叶关闭机组停机后再关闭。在开启位置时，提升至座环和顶盖形成的空腔内； 在全关位置时，可以截断导水机构和座环之间的水流通道，具有结构紧凑、操 作方便、水力损失小、密封性好等特点 1 0 - 1 1 j 。因此，使用筒阀作为进水阀的电站 能够有效缩短机组开停机时间( 只有球阀或蝶阀的1 2 1 3 ) ，减少漏水量，增 加有效电量，产生的经济效益可很快收回筒阀自身的初期投资【1 2 1 。此外，筒阀 还能降低机组制动转速，作为机组的防飞逸装置之一【1 3 - 1 4 1 。 与蝶阀、球阀相比，筒阀的应用历史相对较短，在国内尤其如此，其应用 仍然存在很多问题。例如生产厂家制造难度大，部分零部件需要进口，水轮机 的造价相应提高；由于筒阀靠近活动导叶，当有较长异物卡住活动导叶时，筒 体关闭时容易被卡住，对机组造成损坏；此外，国家目前没有筒阀设计、制造、 安装等方面的标准，可借鉴的经验相对较少。因此，需要在这些方面加以解决 和完善。 由于筒阀电液控制系统存在响应滞后、死区等非线性因素的影响，液压系 统存在泄露、元件制造误差、管道布置、温度变化等因素的影响，同时筒阀执 2 第一章绪论 行机构存在相互耦合且受负载实时变化的影响等问题，为了满足筒阀在实际工 程中的应用，常规的数学建模不够精确，因此本文采用一种机电液联合仿真的 方法【15 1 ，分别对筒阀机械结构部分、同步控制系统以及液压系统进行建模和仿 真，所得到的结论对简阀的实际应用具有很大的参考价值和指导意义。 1 2 水轮机简阀国内外现状 1 2 1 国外应用现状 水轮机筒阀的第一个专利是由法国奈尔匹克( 现阿尔斯通，a l s t o m ) 公 司于1 9 4 7 年提出。世界上第一台筒阀是由奈尔匹克公司于1 9 6 2 年为法国蒙台 纳尔( m o n t e y n a r d ) 电站制造，当时采用简阀的主要目的是减小位于大坝中间的 厂房宽度和防止机组渗水，而不是为了截断流向水轮机的水流【1 6 】。1 9 7 9 年，加 拿大的多米宁公司( g e ) 和玛林工业公司( m i l ) 分别为当时加拿大最大的水 电站l ag r a n d e - 2 生产8 套筒阀之后，筒阀的应用开始引起各国的注意，许多优 点得到业界公认。8 0 年代末，苏联也对筒阀技术进行了开发应用，先后在泽连 丘和罗贡水电站上应用了筒阀。苏联的哈尔科夫水轮机厂( x t 3 ) 为德聂斯特洛 夫斯克蓄能水电站生产了世界上最大的、直径达1 l m 的巨型筒阀。 到目前为止，筒阀己在国外许多个国家的水电站得到应用，应用情况见表 】一】【1 7 - 1 9 1 。 表1 1 国外筒阀应用情况统计表 单机容量水头外径壁厚高度投运 序号电站名称国别台数 ( m w )( m )( m m )( m m )( m m )年份 1 m o n t e y n a r d 法国 48 31 2 73 5 6 07 59 8 01 9 6 2 2t e i l e ta r g e n t y 法国 4 1 73 4 1 03 07 4 61 9 6 5 30 u t a r d e s3 加拿大 41 9 01 4 46 4 5 01 0 09 4 61 9 6 9 4 l a g r a n d e 2加拿大 1 6 3 3 91 3 7 27 8 4 61 2 71 4 6 01 9 7 9 5s a r r a n s法国l6 3 58 47 8 4 61 2 71 4 6 01 9 8 1 6s t e t i e n c e法国 1 3 8 5 6 2 4 0 7 48 59 0 01 9 8 1 7 l - a i g l e 法国 l1 3 37 76 2 4 01 2 01 4 0 01 9 8 2 8 s t g u i l l e n n e法国 25 82 7 53 1 5 01 0 01 2 5 81 9 8 2 9泽连丘原苏联 4 8 22 3 42 5 4 01 0 03 6 01 9 8 2 1 0l a g r a d e 4 加拿大 93 0 01 1 6 77 6 4 01 2 01 4 4 41 9 8 4 第一章绪论 1 】 罗贡原苏联 6 1 53 2 09 8 0 04 0 08 6 01 9 8 4 1 2t o r r a o 葡萄牙 27 4 55 1 88 0 4 01 4 51 4 2 41 9 8 6 德聂斯特洛 1 3 原苏联 73 8 81 5 51 1 0 2 52 7 81 0 4 91 9 9 3 夫斯克 1 4 c h i c o a s e n墨西哥33 1 87 66 3 7 62 0 0 0 1 2 2 国内应用现状 自东方电机厂于1 9 8 6 年引进加拿大多米宁公司( g e ) 的水轮机筒阀技术为 云南漫湾水电站制造五套筒阀设备之后，筒阀作为水轮机进水阀正式应用于我 国的水电站。随后，东方电机厂先后在大朝山、石泉二期、小湾、滩坑等多个 水电站的水轮机上采用了筒阀。哈尔滨大电机研究所于1 9 8 7 年开始与哈尔滨工 业大学联合共同开展筒型阀的试验研究工作，掌握的筒阀的设计制造技术通过 了国家级鉴定并成功地应用于光照水电站【2 0 】德国伏依特公司也为黄河小浪底 水电站生产了6 套8 3 9 m 的大型筒阀。近年，天津市天发重型水电设备制造有 限公司与天津大学联合研制并开发了6 套筒阀，先后应用于云南南沙和马堵山 水电站。由于我国河流多泥沙，筒阀技术迅速在我国西部山高坡陡的多泥沙河 流上迅速得到推广应用，筒阀在我国的应用情况见表1 - 2 。 表1 - 2 国内筒阀应用情况统计表 单机容量水头外径壁厚 高度 投运 序号电站名称台数 ( m w )( m ) ( r a m ) ( r a m )( m m )年份 1漫湾 52 5 01 0 07 4 5 01 0 81 4 5 01 9 9 3 2 小浪底 63 0 61 1 28 3 9 01 4 51 7 1 0 1 9 9 9 3石泉24 54 7 55 3 7 51 2 01 4 8 52 0 0 0 4 大朝山 62 2 5 8 5 6 37 9 3 71 2 01 8 1 52 0 0 1 5光照42 8 01 6 4 4 26 5 9 01 3 01 3 4 02 0 0 7 6南沙35 01 0 05 8 6 01 1 01 4 0 52 0 0 8 7滩坑 32 0 01 2 76 6 2 81 2 01 2 0 32 0 0 8 8小湾67 0 02 5 l8 6 9 01 8 0 1 3 7 02 0 0 9 9瀑布沟36 0 01 8 19 3 4 81 8 01 6 3 02 0 1 0 4 第一章绪论 1 3 筒阀相关技术现状 1 3 1 多缸同步控制技术 随着液压技术应用日益扩大以及大型设备负载能力增加或因布局的关系， 需要多个液压缸同时驱动一个工作部件，多缸同步运动就显得更为重要。多缸 同步技术发展到目前为止，主要有机械同步、液压阀同步和电液同步三种具体 形式【2 1 l 。机械同步系统采用机械约束构件将多个液压缸的运动硬性连接起来实 现同步，具有结构简单、可靠等优点，缺点是结构复杂、系统可控性差、偏载 荷不能过大。液压阀同步系统式完全依靠液压控制元件( 如同步阀、各类节流 阀或调速阀) 本身的精度来控制执行元件的同步，一般采用开环控制的形式， 具有结构简单、成本低的优点，但它不能消除或抑制影响高精度同步的不利因 素，故其多应用在同步控制要求不高的场合。电液同步控制采用各种比例阀、 伺服阀或数字阀构成闭环控制系统，以实现多个液压缸的同步运动。由于电液 同步控制对输出量实现闭环控制，可获得很高的同步精度，国内外对电液同步 的研究也较多1 2 2 - 2 4 。 由于筒阀本体的质量较大，在筒阀启闭过程中需采用多个液压缸( 下文称 为接力器) 共同操作，在启闭过程中要保持筒阀本体的平稳运行，不能产生发 卡现象。由于筒阀电液控制系统存在各种因素的影响，往往使多个接力器的运 动不同步。因此需采用一定的控制方案来保证多个接力器同步运动。目前，筒 阀电液控制广泛采用机械同步和电液同步两种方式。 机械同步是将滚动旋转螺母与接力器活塞做成一个整体，通过滚动丝杠将 接力器活塞的竖直运动转变为滚动丝杠的旋转运动，采用同步链轮保证滚动丝 杠的同步旋转，从而保证多个接力器的同步运动，其驱动方式主要包括液压马 达驱动和接力器驱动两种，如图1 - 2 所示。液压马达驱动是将液压马达输出轴下 端连接丝杠，上端采用同步链轮将每个液压马达的输出轴连接在一起，通过液 压马达输出轴的同步旋转实现多个接力器的同步运动。接力器驱动采用推力轴 承作为支撑，简化了同步机构的结构。机械同步系统具有控制简单、操作方便 的特点，但接力器的运行速度不能调节、布置所需空间大、噪声大，机构有待 改善。目前，漫湾、大朝山、石泉等水电站的筒阀采用该种方式。 第一章绪论 ( a ) 液压马达驱动机械同步( b ) 接力器驱动机械同步 图1 2 筒阀机械i 司步结构图 电液同步由液压系统和电气控制系统构成闭环控制，液压系统采用多个啮 合等排量分流马达保证通往每个接力器的油液近似相等；电气控制系统采集各 个接力器= 臼勺位移，通过一定的控制方案控制液压系统的调节阀实现对多接力器 同步的精确控制。同时，能够通过电液比例换向阀控制筒阀的运动速度。电液 同步虽然提高了控制设备成本和液压系统结构复杂程度，同时对系统油液的清 洁度要求较高，但具有控制方法灵活、同步精度高、运动速度可控、占地空间 小、噪音低等优点，使越来越多的水电站采用该种控制方式，如小浪底、光照、 漫湾二期、小湾、南沙、马堵山等水电站。 随着计算机技术和数字技术的快速发展，出现了一种新型的数字液压缸技 术并得到广泛的应用。数字液压缸将步进或伺服电机、液压滑阀、闭环位置反 馈设计组合在液压缸内部，接通液压油源，通过数字液压缸控制器、计算机或 可编程逻辑控制器( p l c ) 发出的数字脉冲信号来完成液压缸的运动。筒阀电液 控制系统中采用数字液压缸后，能够大大的简化液压系统和电气控制系统【2 5 1 ， 被誉为第二代筒阀电液控制系统。但由于其存在一些局限，如数字液压缸价格 较高、筒阀和数字缸的安装精度要求高、对油液的清洁度要求很高等，目前主 要运用在滩坑3 群机改造、锦屏一级、溪洛渡右岸等少数水电站，仅滩坑3 群机投 入运行 2 6 1 。 6 第一章绪论 1 3 2 筒阀试验与仿真技术 随着筒阀应用于越来越多的水电站，由于缺少相关的标准与经验，筒阀的 结构设计大都采用试验与仿真相结合的形式来确定。 在试验方面，各筒阀厂家都进行了大量的试验研究。2 0 世纪7 0 、8 0 年代阿 尔斯通进行了筒阀模型试验，准确测定了水力负荷。在模型试验中，针对不同 筒阀位置和导叶开度，测量了筒阀本体周围压力波动，流量、出力和飞逸转速 间的关系以及四象限图，筒阀本体的位置和导叶水力矩关系等数据【2 7 】。我国哈 尔滨大电机研究所建立了永久性的水轮机筒阀大尺寸模型结构的试验装置，对 液压马达驱动和接力器驱动两种驱动方式及与之相配套的密封结构、导向机构、 机械同步保护机构和筒阀控制系统进行了研究，并在0 3 5 0 m m 模型试验装置上 对筒阀的水力性能进行了研究【2 8 1 。漫湾二期【2 9 1 、光照【3 0 】、瀑布沟【3 1 1 、小湾吲等 水电站的筒阀阀体的上、下游间隙以及下端面形状，都是通过在试验室的能量 台上进行水力试验确定的。 在仿真方面，俄罗斯的o vp o t e t e n k 0 1 3 3 1 学者对水轮机筒阀区的流体运动进 行了数学建模：i s v e r e m e e n k o 蚓和s d k o s t o m o y 3 5 】两位学者对作用在水轮机 筒阀上的水动力进行了分析计算。我国哈尔滨大电机研究所的王燕【3 6 】运用a n s y s 对筒阀的刚强度及屈曲进行了分析与研究。本人所在试验室之前有郭春立【3 刀、 李明郾睫；用计算流体力学数值模拟韵方法，对水轮机筒饲韵动水关闭过程的动 态水力特性进行了部分研究：宋伟科【3 9 】采用m a t l a b 对筒阀液压系统进行了数学 建模和同步控制策略进行研究；靳光永【加 运用a m e s i m 软件对水轮机筒阀的电 液控制系统进行建模并对同步性能进行了仿真分析。 1 4 本文主要研究内容 水轮机筒阀作为一种新型的进水阀，在我国新建的中高水头的水电站中具 有广阔的应用前景。本文针对采用电液同步控制方式的筒阀同步控制系统，为 解决接力器负载较难确定和多接力器之间存在相互耦合的难题，采用a m e s i m 与l m sv i r t u a l l a b 软件联合仿真的方法建立筒阀机电液一体化仿真分析模型， 分析筒阀电液系统在开启、关闭和机组飞逸紧急关闭等过程中的相关特性，并 重点分析筒阀在动水关闭过程中水动力产生的下拉力和倾覆力矩对筒阀电液系 统的影响。全文内容编排如下： 第一章，阐述课题的研究背景和意义，介绍水轮机简阀的国内外现状及筒 阀相关技术的发展现状，提出本文的主要研究内容。 第一章绪论 第二章，在叙述筒阀同步系统的技术要求的基础上，介绍由天津大学研制 的筒阀电液系统的组成和同步控制策略。采用相关的动力学理论对筒阀机械部 分进行理论分析，并分析产生筒阀多个接力器同步误差的原因，为仿真模型的 建立奠定基础。 第三章，利用a m e s i m 软件建立筒阀液压系统的模型，利用l m sv i r t u a l l a b 建立简阀机械部分的动力学模型，并建立筒阀本体和接力器活塞杆的弹性体模 型，通过对接口模块的设置，实现两个软件的联合仿真。最后，提出联合仿真 时应注意的几点事项。 第四章，对筒阀开启、关闭和紧急关闭过程进行仿真，分析缸径误差和接 力器内泄漏对以上三个过程的影响，并重点分析动水关闭筒阀时由水动力产生 的下拉力和倾覆力矩对筒阀紧急关闭过程的影响，并给出在上述三个过程中同 步误差最大时，简阀本体及活塞杆应力分布图。 第五章，通过筒阀电液控制系统在云南红河南沙水电站和马堵山水电站的 成功应用，对仿真结果与试验结果进行比较分析，验证了仿真结果，同时表明 该筒阀电液控制系统满足设计要求。 第六章，对全文主要研究内容进行总结，提出今后的工作展望。 第二章水轮机筒阀电液控制系统简介 2 1 引言 第二章水轮机筒阀电液控制系统简介 本章主要介绍由天津大学研制并在云南南沙和马堵山水电站推广应用的筒 阀电液控制系统。该简阀电液控制系统按照水电站提出的一系列要求并结合水 电站的土建结构以及筒阀作用和结构特点等因素设计而成，具有控制性能良好 和同步精度高等特性。 水轮机筒阀作为新型进水阀，具有操作灵活、方便、机构紧凑等优点。根 据水电站土建结构和监控系统的布置特点，并结合筒阀的作用及其自身结构特 点，对筒阀电液控制系统提出了如下技术要求： ( 1 ) 分层布置和集中控制 为适应水电站集中管理和土建结构分层布置的特点，需要将筒阀本体和接 力器布置在最下层，泵站及油泵电机控制柜在中间层，筒阀控制柜布置于最上 层。同时也需考虑安全、操作方便等要求，使操作人员在现地和远程都能实时 监测现场的各种重要参数，并都能进行操作。 ( 2 ) 同步控制 由于筒阀的质量较大( 约2 3 t ) ，行程较长( 1 3 2 7 m m ) ，在其启闭过程中需 由6 个均匀布置的接力器带动。在筒阀启闭过程中，必须保持筒阀本体在竖直 方向上运动的平稳，不能出现发卡现象。一旦6 个接力器的同步误差超过系统 设置的发卡报警值，将影响筒阀的正常启闭过程。 ( 3 ) 速度控制 在蜗壳中有水的情况下，筒阀启闭过程始终受到水动力的影响，筒阀本体 在启闭过程的不同位置所受的作用力均不相同，同时为了防止筒阀在其行程的 始端和末端段同步误差过大而撞击相邻部件，筒阀在不同位置时的运行速度也 不相同。筒阀启闭过程的速度应按一定的速度控制曲线进行控制，保证筒阀启 闭过程的安全。 ( 4 ) 事故关机 9 第二章水轮机筒阀电液控制系统简介 当水轮机在发电过程中出现飞逸或其他事故需要紧急停机时，筒阀电液控 制系统在接到紧急关闭信号后，应能迅速地动水关闭筒阀，减少机组所受的损 害。 ( 5 ) 发卡处理 在筒阀启闭过程中，当6 个接力器的同步误差超过系统设定的发卡报警值 时，筒阀控制系统能够及时地进行反向调整运动。反向调整后，如果6 个接力 器的同步误差仍超过发卡报警值，筒阀将停止启闭运动并发出发卡报警信号， 以防止筒阀机械卡死。 2 3 筒惘系统总体方案 根据上述筒阀系统的技术要求，本文提出一种机械、液压、电气共同控制 的方式。图2 1 所示为筒阀电液控制系统的总体构成，该控制方式由电气监控系 统和液压系统两部分组成。电气监测控制部分主要由西门子p l c 及触摸屏组成 的控制柜完成，通过对系统各个参数进行实时监测，通过一定的同步控制算法 实现同步控制；同时与中央控制室通过m o d b u s 串口通讯线进行通讯，实现远程 监控。液压控制系统部分采用模块化布置，简化了液压系统结构，同时实现筒 阀启闭过程中的速度控制与同步控制的功能。 图2 1 筒阀电液同步控制系统的总体构成 1 0 第二章水轮机筒阀电液控制系统简介 2 3 1 液压系统组成 液压控制系统主要由泵站系统、控制阀组、分流模块( 同步分流马达) 和 配油模块等组成。筒阀多缸同步系统液压原理图如图2 2 t 4 1 】所示，该系统主要由 控制阀组i 、分流模块i i 和配油模块( 共6 个) 三部分组成。 b p p t s i i 1 一电液比例换向阀；2 一平衡阀；3 一单向减压阀；4 _ 初始启动电磁阀：5 一液动阀； 6 - 系统安全阀；7 _ 液控回路电磁阀；8 一手动换向阀；乳飞逸控制液动阀；l o _ 畜能 器；1 l 一梭阀：1 2 - ；液控单向阀；1 3 一同步分流马达；1 4 - 单向阀；1 5 一节流阀； 1 6 - 液控单向阀：1 7 一微调球阀；1 8 一粗调球阀；1 9 - - 宅) j 始启动回油电磁阀；2 0 - 安全 阀；2 l 一压力传感器；2 2 位移传感器；2 3 一接力器 图2 - 2 筒阀液压系统原理图 控制阀组i 主要在筒阀启闭过程中对油液进行分配和控制，控制筒阀的运 行速度。同时，在水轮机组发出飞逸或事故信号后，控制阀组能迅速做出反应， 动水关闭筒阀，保证水轮机机组的安全。平衡阀组2 能够防止接力器及其联动 的简阀因自重自由下落或下落时出现速度失控现象，保证液压系统的安全。分 流模块i i 由6 个相互啮合的相同规格的同步马达组成，主要实现控制管路的油 液进行集流和分流的作用，保证进出每个接力器的油量近似相同，实现初步的 第二章水轮机筒阀电液控制系统简介 同步。每个接力器都有一个配油模块与之对应，每个配油模块上有粗调、微 调电磁球阀各一个，对进出接力器下腔的油液进行进一步控制，实现筒阀同步 控制的精确调整。配油模块的安全阀能够保证接力器上下腔的压力不超过允许 值，尤其是在动水关闭时，对接力器下腔起到一定的保护作用。同时，配油模 块上还单向阀1 4 和节流阀1 5 等与初始启动相关的阀，能够调整初始启动的速 度。 2 3 2 电气系统组成 电气系统主要包括监测系统、控制系统和通讯系统。监测系统主要完成对 系统参数的采集与显示，主要有各个接力器位移、各接力器上下腔压力、油泵 出口处压力、油罐液位和压力等参数；控制系统主要是对监控系统采集的数据 进行实时处理，通过一定的控制方案控制液压系统中各个阀的动作以及油泵电 机的启停，同时控制筒阀启闭过程的运行速度和同步精度，实现筒阀系统的自 动控制；通讯系统主要完成与水电站监控系统的通讯，将筒阀运行过程中的重 要参数反馈到中央控制室，实现远程监测，同时接受中央控制室的控制信号， 实现筒阀系统的远程操作。 在控制系统中，最重要的是筒阀的同步控制和速度控制。在筒阀启闭过程 采用了一种内环同步控制，外环速度控制的双闭环控制策略，其控制流程如图 2 3 所示。该控制策略采用“主从控制”方式，通过p l c 对各接力器位移进行采集， 选取位置最低的接力器作为基准，基准接力器的位移和速度作为基准位移和基 准速度。由于位置最低的接力器实时变化，因此所选基准也实时变化。其它接 力器位移与基准位移作比较，得出每个接力器的同步误差，图2 4 显示了选取的 基准在不同位置时允许的同步误差值，筒阀开启或关闭都按照此同步误差进行 控制。在筒阀启闭过程，筒阀本体位移乙为0 表示简阀处在全关位置，乙为1 3 2 7 m 时筒阀处在全开位置。在某时刻，当某个接力器的同步误差超过此时允许同步 误差的3 0 且小于7 0 时，与该接力器对应配油模块上的微调电磁球阀动作； 当某个接力器的同步误差超过此时允许同步误差的7 0 时，与该接力器对应配 油模块上的粗调电磁球阀动作。经过微调和粗调达到同步调整的目的，进而实 现了对多个接力器同步的精确控制。 筒阀启闭过程中的运行速度按照图2 5 所示的速度控制曲线进行控制。在接 力器行程的始端和末端，筒阀的运动速度小于中间段的运动速度，是为了防止 筒阀在其行程的起始段和终止段运动速度过快造成同步误差过大而产生发卡或 撞击相邻部件。通过基准速度与速度控制曲线速度值的实时比较，得出每一时 1 2 第二章水轮机筒阀电液控制系统简介 刻筒阀本体的速度误差，速度误差经p i d 调节转化为电液比例换向阀1 的实时 控制信号，进而实现筒阀启闭过程的速度控制。 图2 - 3 筒阀系统控制策略 p 毫 暑 堇 魁 镧 】j = 删 匿 垣 图2 - 4 允许同步误差曲线图图2 5 速度控制曲线 2 4 简润各种工况工作原理 根据筒阀运行的工作情况，所设计的筒阀电液同步系统能够完成筒阀的五 种工况，分别是初始提升、正常开启、正常关闭、断电关闭、机组飞逸紧急关 闭【4 2 1 ，这五种工况的工作原理如下： ( 1 ) 初始启动 此时，油液经换向阀4 、单向阀1 4 1 、节流阀1 5 直接进入接力器下腔；接 力器上腔油液经初始启动回油电磁阀1 9 直接回油箱。粗调、微调球阀以及同步 分流马达不起同步调节作用。提升1 0 m m 后，完成初始提升。 ( 2 ) 正常开启 初始启动完成后，筒阀进入正常开启阶段。此时换向阀4 和1 9 关闭，油液 经比例换向阀1 、稳压阀2 进入同步分流马达1 3 ，经分流后，由液控单向阀1 6 进入接力器下腔；接力器上腔油液经过b 环管、液控单向阀1 2 1 、单向减压阀3 、 比例换向阀1 流回油箱。同时，微调球阀和粗调球阀开始起作用。 第二章水轮机筒阀电液控制系统简介 ( 3 ) 正常关闭 正常关闭时，比例换向阀l 换向，油液经减压阀3 、液控单向阀1 2 1 进入 接力器上腔；稳压阀组2 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1 6 通过液控回路电磁阀7 打开，接力器下腔油液经液控单向阀1 6 、同 步马达1 3 、稳压阀组2 的节流口、比例换向阀1 回油箱。 ( 4 ) 断电关闭 在断电情况下，操作手动换向阀8 ，油液经梭阀1 1 1 开启液控单向阀1 2 2 ， 同时油液经梭阀1 1 2 打开液控单向阀1 6 ，接力器下腔油液经液控单向阀1 6 、同 步马达1 3 、液控单向阀1 2 2 回油箱。同时开启液动阀4 ，压力油经液动阀4 右 位进入接力器上腔，筒阀在压力油作用下快速关闭。 ( 5 ) 机组飞逸紧急关闭 筒阀控制系统收到紧急关闭信号后，液动阀9 换向，油液经梭阀11 1 开启 液控单向阀1 2 2 ，同时油液经梭阀1 1 2 打开液动单向阀1 6 ，接力器下腔油液经 液控单向阀1 6 、同步马达1 3 、液控单向阀1 2 2 回油箱；液动阀9 的动作同时打 开液控阀5 ，此时压力油经液控阀5 进入接力器上腔，接力器在压力油的作用下 迅速关闭简阀。 2 5 筒润相关理论分析 为了对筒阀机电液系统进行建模仿真，首先需要对筒阀机械结构模型进行 分析，通过分析模型确定各构件的参数，便于进行仿真分析与验证模型的正确 性。同时，结合模型以及筒阀液压系统与机械结构的特征，分析产生筒阀同步 误差的原因，在仿真时给予考虑。此外，通过参照简阀水动力仿真分析的结果， 确定筒阀在动水关闭时所受的水动力。 2 5 1 筒阀本体动力学分析 简阀在启闭过程中，采用六个接力器协同驱动，其结构简图如图2 - 6 所示。 图中的筒阀模型处于全关位置，虚线表示筒阀全开时的位置，图中c 点为此时 筒阀本体质心所在位置，x 轴为过质心c 且垂直于接力器活塞杆的轴线，y 轴为 过质心c 且与接力器活塞杆和x 轴垂直的轴线，z 轴为过筒阀质心c 且竖直向上 的轴线，模型的主要参数见表2 1 。由于各接力器之间的安装间距要远大于各缸 之间的同步偏差，并且竖直方向的运动同步是主要考虑的问题，从而可以做出 以下约定： 1 4 第二章水轮机筒阀电液控制系统简介 ( 1 ) 筒阀本体主要沿z 轴方向运动，沿x 轴和y 轴方向的平动忽略不计。 在产生同步误差时，筒阀本体可绕x 轴和y 轴转动，不存在绕z 轴转动的自由度， 可将其视为弹性体； ( 2 ) 每个接力器活塞杆与z 轴平行，不能沿x 轴和y 轴移动，只能沿z 轴 上下移动，接力器活塞不在接力器缸筒内旋转； ( 3 ) 由于各接力器活塞杆与筒阀本体之间连接部分面积要远小于筒阀本体 上端面面积，考虑以上两条的约定，各接力器活塞杆与筒阀本体之间的固定连 接可近似看成点接触，同时各接力器对筒阀本体输出的作用力石( 净1 ，6 ) 与z 轴的夹角近似为o ； 图2 - 6 筒阀机械结构理论分析模型 表2 1 筒阀机械结构模型主要参数 编号符号参数名称参数值单位 1 h j ，p 1 南接力器1 中心线在x o y 平面投影坐标 ( 2 8 6 7 ，o ) m 2 h ，p2 a接力器2 中心线在x o y 平面投影坐标 ( 1 4 3 3 ，2 4 8 3 ) m 3 盱3 。 p3 0接力器3 中心线在x o y 平面投影坐标( - 1 4 3 3 2 4 8 3 ) m 4( 尸么，剀接力器4 中心线在x o y 平面投影坐标 ( - 2 8 6 7 ，0 ) m 5 5 x ，p 5 0接力器5 中心线在x o y 平面投影坐标i - 4 3 3 ，2 4 8 3 ) m 第二章水轮机筒阀电液控制系统简介 6缸曲妾力器6 中心线在x o y 平面投影坐标( 1 4 3 3 ，- 2 4 8 3 )m 7m 筒阀本体质量 2 2 0 5 0 k g 8 五 筒阀本体对x 轴的转动惯量 9 4 8 0 3 1 0 4 k g m 2 9 j y 筒阀本体对y 轴的转动惯量 9 4 8 0 3 x 1 0 4 k g m 2 1 0m 活塞杆质量 2 7 3 6 k g 根据理论力学的知识，在筒阀本体沿z 轴方向的运动采用牛顿第二定律；在 筒阀本体绕x 轴和y 轴运动可近似采用刚体绕定轴转动定律，得到如下动力学 方程： 乃一尥一c = 胞。 i = 1 6 - zf t p 哆七mx = j3 x f = l 6 氕p 讧+ m y = jy 百y ( 2 - 1 ) 式中z c 一筒阀本体质心在z 轴的位置，乙等于0 表示筒阀处在全关位置，磊等于 1 3 2 7 m 表示筒阀处在全开位置。 尸扛一尸，点的x 轴坐标分量； p f y - - p ，点的y 轴坐标分量； 文一筒阀本体绕x 轴的转角； 巩一筒阀本体绕y 轴的转角； 足一筒阀本体所受的下拉力，与本体在2 轴方向的位置乙有关； 尥一筒阀本体所受的绕x 轴的倾覆力矩，与本体在z 轴方向的位置磊有关； 屿一简阀本体所受的绕y 轴的倾覆力矩，与本体在z 轴方向的位置磊有关。 同时，以各个接力器活塞杆为研究对象，运用牛顿第二定律可以得到活塞 杆在竖直方向的运动方程： p f 2 a i 2 一p f l a f l 一z m f g b p i t , f = m f 艺f ( 2 2 ) 式中彳，厂一第i 个接力器的无杆腔面积； 彳旧一第i 个接力器的有杆腔面积； 万一第i 个接力器对筒阀本体的作用力； m ，一第f 个接力器的活塞杆质量； b p , 一第i 个接力器的阻尼系数； z ，一第i 个接力器活塞杆与筒阀本体接触点的位置，其零点的选取与磊相同。 由式( 2 2 ) 可得，在测得各接力器位移以及上下腔的压力值后，便可通过下 1 6 第二章水轮机筒阀电液控制系统简介 式得到每个接力器对筒阀本体的作用多j f i i f i = p i 2 a i 2 一p i l a i l m i g b p i z i m i z i ( 2 - 3 ) 2 5 2 同步误差产生原因分析 参考文献2 1 ，多液压缸产生同步误差的根本原因是各个同步子通道的系统 性能受系统非线性、参数不确定性以及扰动的影响。具体到筒阀电液控制系统 并结合现场调试碰到的实际情况，造成筒阀同步误差的原因可归纳为机械和电 气两个方面的原因。在现场调试时，可能是某个原因或者是由多个原因造成筒 阀不同步，要根据具体情况具体分析。 这里，筒阀机械部分包括液压系统、筒阀本体和接力器等方面，主要是由 以下几个方面的原因造成同步误差【4 3 - 4 4 ： ( 1 ) 筒阀水平度超差 为了筒阀本体运输方便，制造时为分为两瓣，运到现场后两部分再采