大型贯流式水轮机调速器机械系统

大型贯流式水轮机调速器机械系统摘要本文介绍的大型贯流式水轮机调速器机械液压系统，应用电液比例技术、液压集成、流量控制、桨叶电气协联控制技术，在电气控制信号或系统电源消失的情况下，该机械液压系统会自动关机，避免事故扩大，从而保护水轮发电机组的安全;在大型主配压阀设计上首次采用卧式结构，具有整机结构简单、零部件加工工艺性好的特点，通过优化控制级参数，从系统整体设计上降低了产品成本.关键词：贯流式水轮机调速器机械液压系统伺服比例阀主配压阀目录1引言…………12机械液压系统结构设计特点………………12.1主要元件功能……………12.1.1伺服比例阀工作原理…………………12.1.2主阀传感器……………32.1.3主配压阀………………32.1.4紧急停机电磁阀………42.1.5压力表…………………42.1.6测压接头………………42.1.7虑油器…………………43液压系统工作原理…………44关键零部件加工工艺………55结论…………76参考文献……………………87致谢…………91引言艺性好、成本低，电厂调试简单、维护工作量小等特点。随着水电机组操作油压等级的提高，其调速系统中的电液随动系统也必须更新换代，以适应机组的要求。由于我公司过去的调速器机械液压系统只有2.5MPa和4.OMPa油压等级的产品，为了改善这一状况，适应市场的需要，以桐子壕电厂3x36MW大型贯流式水轮机调速器产品设计为契机，研发了油压等级为6.3MPa的新一代HGS-H2431型调速器机械液压系统，该机械液压系统是在研究了美国GE公司FC阀结构特点的基础上结合我们自己的技术优势而设计出的产品，在经历了液压系统方案优化设计、元件对比选型、设计评审、全套施工图纸和产品说明书等技术资料完工、关键零部件图纸按工艺要求更改、产品厂内调试、试验等过程后，生产出了高质量的63MPa主配压阀直径为1SOmm的调速器机械液压系统，该产品不但填补了公司63MPa调速器产品空白，而且系统具有技术先进、可靠性高、静态和动态品质优异，结构设计简单合理，零部件加工工。2机械液压系统结构设计特点该机械液压系统采用电液伺服比例控制、液压集成、流量控制、桨叶电气协联控制等当今行业最前沿技术，拥有自主知识产权。主配压阀采用优质钢件，全面采用标准液压元件，系统具备了承受高油压的能力，滤油器、先导控制阀集成布置在主配压阀上，主配压阀组采用卧式结构设计，实现板式安装在回油箱上，产品外观简洁新颖(见图1)。2.1主要元件功能2.1.1伺服比例阀工作原理根据伺服比例阀的输人输出特性口=Al公，即伺服比例阀接受4-20mA的控制信号，经伺服比例阀功放板放大后，输出相应的电流信号，电流信号在线圈中产生的磁场驱动比例电磁铁移动相应的位移量，从而带动伺服比例阀的阀芯移动，输出相应的流量，输出流量与输人控制信号成比例线性关系。1图1桐子壕电厂调速器机械液压系统阀芯移动的同时，内置差动变压器式位移传感器检测阀芯位置，并将其信号反馈到比例放大器，与比例电磁铁形成闭环位置控制。伺服比例阀外形如图2所示，伺服比例阀剖面图如图3所示。图2伺服比例间外形图图3伺服比例阁刹面图由于先导控制信号是电流信号而不是电压信号，抗干扰性能好，还可以实现控制信号断线保护检测。22.1.2主阀传感器采用德国BOSCH公司生产的耐压型位移传感器。位移传感器是根据差动变压器的原理工作的，套在线圈中的铁心在耐压管内移动，耐压管可以承受最大到315bar的压力，能实现对压力介质中的某一区段进行位移测量，测量过程是无接触和无磨损的、分辨率也是不受限制的。放大器集成在阀体内，并根据相应的行程进行调节。传感器由DCt15V电源供电，并产生DC土lOV电压作为输出信号(DC/DC技术)，主阀传感器在控制回路中用于实现内环反馈。2.1.3主配压阀图4主配压阀3主配压阀(如图4所示)活塞与辅助接力器活塞在压力作用下作为一个整体运动，因此主配压阀活塞的动作将完全跟随辅助接力器活塞。在工作过程中，伺服比例阀输出的流量信号进人辅助接力器控制腔，控制辅助接力器活塞动作。主配压阀从结构原理上讲是二只三位四通阀，其作用是接受辅助接力器活塞的位移信号，并将其转换为流量信号输出，以控制导叶、桨叶接力器的动作。主配压阀上的开、关限位调节件和不动接点位置将根据调保计算在电厂整定。2.1.4紧急停机电磁阀本阀是一只二位四通单电磁铁换向阀，其上带有电感开关，用于检测阀芯的位置，电磁阀操作电压为DC/.20V。其作用是当机组或系统发生需要紧急停机的故障时，接受来自机组或系统的故障信号紧急关闭导叶开度，强迫机组停机。该阀的工作方式为上电停机，若电厂DC220V电源消失，将不能通过此阀实现紧急停机。2.1.5压力表用于指示滤油器过滤后油源的压力值。2.1.6测压接头用于连接压力表，该测压接头内带有单向阀，可直接装拆压力表而不会引起压力油的外泄。2.1.7滤油器采用高精度双联滤油器，互为备用，手动切换。当滤油器压差增大到规定值时，压差开关动作，发出报警信号。3液压系统工作原理导叶、桨叶伺服比例阀接受电气柜输出的相应电流信号，将其转换成流量信号后输出，输出的流量信号分别进人导叶、桨叶辅助接力器控制腔，控制导叶、桨叶辅助接力器活塞动作。因导叶、桨叶辅助接力器活塞在压力油的作用下分别与两个主配压阀活塞连成一体，也就推动了主配压阀活塞动作，分别输出的流量操作导叶、桨叶接力器，从而控制导叶、桨叶开度，达到调节机组运行的目的。同时，两个主配压阀活塞的位移通过两只传感器分别反馈到导叶、桨叶伺服比例阀，形成两路小闭环;另外，导叶、桨叶接力器位移经反馈信号装置(导叶、桨叶位移传感器)反馈到电气柜的综合放大回路，形成两路大闭环，分别使导叶、桨叶伺服比例阀、主配压阀活塞回到平衡位置，完成一次循环调节。机械液压系统如图5所示。4图5机械液压系统在电气控制信号或系统电源消失的情况下，伺服比例阀能进人安全的第四工位，该机械液压系统会自动关机，避免事故扩大，从而保护水轮发电机组的安全。自动停机将在关机令发出后，以正常的顺序实现机组停机。如果机组出现故障，自动保护系统发出紧急停机指令，使紧急停机电磁阀动作到停机位置时，控制油将通过紧急停机电磁阀排出导叶辅助接力器的控制腔，使主阀活塞向关方向动作，强迫机组停机，避免事故扩大。导叶自动控制方框图见图6。图6导叶自动控制方框图手动停机是在电手动运行状态下，通过手动操作控制按钮来实现的。通常调速器内反馈采用位移传感器采集主配压阀活塞位移量，然后通过电气调节器的刀D转换模块将此模拟量转换成数字量后进行数字综合运算，再控制伺服比例阀实现内环稳定。而本项目调速器内反馈采用模拟量信号直接传送到伺服比例阀的方式，而不需送到电气柜进行数字综合，系统速动性更好。4关键零部件加工工艺主阀壳体是机械液压系统中尺寸和重量最大的零件，以前采用的材料多为球墨铸铁件，在加工过程中难免出现铸造缺陷，为更好地保证主阀壳体的承压能力及加工质5量，现在已逐步改为"35锻钢件或铸钢件，本项目主配压阀壳体采用铸钢材料，既保证了设计强度，又降低了主配压阀壳体整体制造加工难度。其主要的加工工艺是钢件经正火加回火处理，然后粗加工再经超声波探伤及机械性能试验合格后，再精加工。机械性能试验的试块是在主阀壳体本体上取料，保证了其检验的性能真实反映主阀壳体的性能，从而保证了质量的真实可靠。主阀壳体的内孔尺寸精度和表面粗糙度直接影响主阀的漏油量及接力器的稳定性，因此，主阀壳体内孔加工在数控镬床上进行，并采用先进的浮动幢孔技术，能使内孔尺寸及表面粗糙度达到设计的要求，为保证内孔同轴度，在内孔精撞时均要求一次装夹连续加工完成。主阀衬套是机械液压系统中的重要液压元件，内孔及窗口的尺寸精度要求较高，表面粗糙度要求光洁度高，且内孔表面要求较高的硬度和较好的耐磨性。因此，为保证衬套的质量，采用热处理氮化性能最好的38CrMoAlA材料，经锻造正火一粗加工一调质一半精加工一稳定回火一半精加工一氮化一精加工一光整加工等工艺方法，使衬套机体内部具有足够强度的同时表面具有很高的硬度，检查硬度的试块是在衬套本体毛坯上取料，并与衬套同炉热处理后加工而成，保证了检验的真实可靠。其中衬套内孔的加工采取多次反复磨削后再经过专用听磨机进行听磨，由于听磨是用油石进行光整加工，因此能够获得较高的精度。衬套的圆周上有上中下3排各四个窗口，上下2排窗口之间的距离尺寸有较高的精度要求，以及同排四个窗口在同一平面内的误差要求小于0.04mm,因此，窗口用数控线切割机进行加工，此乃是目前行业中最为先进的方法，从而有效地保证了控制窗口的加工精度，为保证主阀衬套与主阀活塞搭叠量的精确性提供了保障。并且，在精加工前先对窗口进行一次线切割加工，主要目的是释放应力，再加上稳定回火处理，完全能够保证主阀衬套在加工及装配过程中及以后的使用过程中基本不变形，保证了产品质量的稳定可靠。主阀活塞的材料采用.45钢经锻造正火一加工一调质一加工一表面高频淬火一加工而成，使主阀活塞内部具有足够强度，表面具有较高的硬度(但低于衬套内孔的硬度)。主阀活塞外圆及阀盘侧面均经磨削加工而成，能很好地控制主阀活塞阀盘与主阀衬套窗口的搭叠量，从而保证了主阀的整体质量。6结论对于主配压阀直径为150mm级别的机械液压系统，通常采用的先导控制元件流量通径都比较大，相应地，其连接阀块和其他元件结构尺寸也比较大。本系统设计通过优化控制级参数，减小了控制级结构尺寸，这样可以选用公称通径更小的先导控制元件，从系统整体设计上降低了产品成本。3台调速器分别于2003年4月15日、2003年7月4日、2003年9月24日在桐子壕电厂投人商业运行，通过现场调速器静特性测试、机组开机、空载频率扰动和甩负荷等动态试验及实际运行表明该微机调速器性能良好，满足了贯流式机组对调速器的速动性与稳定性的要求，得到了安装公司及用户的好评。到目前为止，3台调速器运行稳定可靠，桐子壕电厂也成为了我公司向用户宣传介绍调速器产品的基地。7参考文献［1］王显正，范崇q控制理论基础.国防工业出版社，1984.6［2］水轮机调速器与油压装置技术条件.GB/T9652.1一1997.4.108致谢本论文是在导师的悉心指导下完成的。导师渊博的专业知识，严谨的治学态度，精益求精的工作作风，诲人不倦的高尚师德，严于律己、宽以待人的崇高风范，朴实无华、平易近人的人格魅力对我影响深远。不仅使我树立了