DN250主配壓閥國產(chǎn)化的研究
主配壓閥是水輪機調(diào)速系統(tǒng)的核心設(shè)備之一，通徑為DN150及其以下規(guī)格的主配壓閥，在國內(nèi)設(shè)計、生產(chǎn)、調(diào)試的技術(shù)已非常成熟，隨著國內(nèi)外700MW以上級特大型水輪發(fā)電機組的陸續(xù)興建，對DN250規(guī)格的主配壓閥的需求越來越多。目前已投入運行的DN250主配壓閥全為進口產(chǎn)品。近幾年內(nèi)，國內(nèi)外對DN250主配壓閥的需求量將會超過百套，因此，DN250主配壓閥的國產(chǎn)化已迫在眉睫。南瑞集團水利水電技術(shù)分公司調(diào)速專業(yè)技術(shù)人員，從2008年底開始進行這一項目的研究，在此就研究過程中的幾點想法與大家交流，拋磚引玉，希望能藉此為水電調(diào)速事業(yè)的發(fā)展盡一份綿薄之力。
1、引言
水輪機調(diào)速系統(tǒng)是水輪發(fā)電機組中最重要的核心控制系統(tǒng)之一，它擔負著控制水輪發(fā)電機組的開機、停機和實時轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)等許多重任。主配壓閥及其先導控制部件則是水輪機調(diào)速系統(tǒng)中的一個關(guān)鍵設(shè)備，該設(shè)備將接收到的電氣控制信號實時地轉(zhuǎn)換為液壓信號輸出，并經(jīng)過功率放大后操作接力器，進而推動水輪機進水口導葉，實施對進水流量的調(diào)節(jié)[1]。從而達到控制水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)速的目的。對水輪機調(diào)速系統(tǒng)來講，仔細分析主配壓閥的各項性能指標，比如輸入與輸出之間的線性度、回滯、響應頻率等，可以發(fā)現(xiàn)，主配壓閥實際就是一個超大號的伺服閥本體。因此，在設(shè)計和生產(chǎn)過程中，對于主配壓閥的流道結(jié)構(gòu)，閥盤結(jié)構(gòu)、泄漏量，死區(qū)，配合間隙，元件表面硬度，閥心自重等都要進行嚴格的計算和仿真，每一個拐角都要再三推敲。
2、同類進口主配壓閥介紹
在國內(nèi)已投入發(fā)電的特大型水輪發(fā)電機組，如三峽電站、龍灘電站和小灣電站30多臺單機600MW以上的機組，全部使用的是DN250進口主配壓閥，這些主配壓閥，主要集中在GE和ALSTOM兩個品牌。以三峽為例，左岸采用了ALSTOM產(chǎn)品，右岸用的是GE產(chǎn)品。這兩種主配的結(jié)構(gòu)形式見圖1所示。
圖1中可以看出兩種結(jié)構(gòu)的不同之處，ALSTOM采用的是立式三閥盤結(jié)構(gòu)，GE采用的是臥式兩閥盤結(jié)構(gòu)，它們都采用在主配壓閥的一端通恒壓力油，另一端通控制油的設(shè)計方式，而且，兩家都選用了在主閥體內(nèi)部嵌有主配壓閥套的結(jié)構(gòu)形式，自投入運行以來，實際運行情況良好。
圖 1
3、方案的分析
3.1、結(jié)構(gòu)型式選擇
通過對進口同類產(chǎn)品的比較，結(jié)合國內(nèi)多年來設(shè)計、生產(chǎn)、調(diào)試及現(xiàn)場運行主配壓閥的經(jīng)驗，我們認為在確定方案的結(jié)構(gòu)型式時，應重點關(guān)注下述幾個方面。
(1)主配壓閥體內(nèi)是否采用閥套，有閥套的主配壓閥結(jié)構(gòu)相對復雜，成本較高，同時由于增加了一層閥套過流孔，在主配壓閥活塞行程相同的條件下，閥的過流能力會減小。
(2)對于采用內(nèi)嵌閥套的方案，閥套與閥體之間的密封方式是采用間隙密封，還是采用密封件密封，如采用間隙密封，由于閥套與閥體之間的間隙較小，同無閥套的結(jié)構(gòu)一樣，在使用過程中，若加工制造或安裝外接油管過程控制不當，會造成主配壓閥本體的微量變形，易引起閥心卡阻。
(3)閥心是采用兩閥盤結(jié)構(gòu)，還是采用三閥盤結(jié)構(gòu)，兩閥盤結(jié)構(gòu)閥心的重量較輕，慣性小，對提高響應速度有好處，但是其導向性稍弱。反之，三閥盤結(jié)構(gòu)閥心的重量較大，慣性也較大，但是其導向性明顯優(yōu)于兩閥盤，尤其對于短閥心的情況效果明顯。
(4)閥心及其控制端是采用整體結(jié)構(gòu)形式還是分幾段。若采用整體結(jié)構(gòu)，則對加工件的形位公差要求高，裝配困難，但閥體總長度可縮短。若采用分段結(jié)構(gòu)，則裝配、檢修相對容易，總長度增加。
(5)主配壓閥的總體安裝方式采用立式還是臥式。對臥式結(jié)構(gòu)，在主配檢修時，可以在不拆卸管路的情況下，輕易的對主配壓閥進行解體、清洗。對立式結(jié)構(gòu)，因閥心垂直放置，所以控制性能在一定程度上會受到閥心自重影響。但是該結(jié)構(gòu)可以在失壓的情況下靠閥心自重保持偏關(guān)，同時橫向占用廠房空間小，布置方便。
(6)閥套的開口型式是采用圓孔，方孔或是全周環(huán)形槽。圓孔總過流面積偏小，孔周邊應力相對分散。方孔的總過流面積比圓孔略大，拐角處易出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象。全周環(huán)形槽軸向尺寸控制困難，經(jīng)熱處理過程后元件容易變形。
(7)閥體的形式是采用鑄件還是鍛件，鑄件易做出好的流道，孔徑大且流暢，但單位面積承載壓力稍低，生產(chǎn)過程中的報廢率高。鍛件強度高，流道復雜，過流面積相對較小。
3.2、受力分析
(1)閥心受力分析
圖2所示為三閥盤閥心和兩閥盤閥心在偏離中心位置的情況下，所受的油壓力示意圖。圖中三閥盤閥心的兩個外端部，即圖2中的M端和N端受到的都是接力器排出油形成的壓力，兩邊受力大小基本一致，而兩閥盤閥心中的Y端受到的是接力器排出油形成的壓力，而X端不受力，因此閥心兩端所受到的擾動力不一致。
圖 2
(2)閥套受力分析
圖3所示乃主閥心為兩閥盤結(jié)構(gòu)的主閥套一端受力示意圖，當閥心向左側(cè)運動一定位移，P腔壓力油進入A腔，對A腔閥套的外圓形成周向壓力，此時，閥套左側(cè)內(nèi)室T腔壓力很小，易引起閥套左端向內(nèi)凹陷變形。相比而言，主配壓閥心采用三閥盤結(jié)構(gòu)時，對應的主閥套在各種工況下，內(nèi)、外受力相對均衡。
圖 3
3.3、流態(tài)分析與仿真
主操作油的流態(tài)會直接影響到主配壓閥心的穩(wěn)定，過于紊亂的流態(tài)會導致主操作油管路本體，以及串接在管路中的液壓設(shè)備，如事故配壓閥、分段關(guān)閉裝置等產(chǎn)生震動，危及發(fā)電機組的安全穩(wěn)定運行。輸入主配壓閥的壓力油首先經(jīng)過主配壓閥的P-A閥口，送往接力器，然后再經(jīng)過主配B-T閥口流回油箱，在這整個循環(huán)過程中，油流還經(jīng)過了主配閥體的三個腔室和主配壓閥套的多個孔口，由于大多數(shù)電廠，通過調(diào)節(jié)保證計算后，在主操作油回路中串接了事故配壓閥，分段關(guān)閉裝置等，壓力油流經(jīng)過的管路長，環(huán)節(jié)多，流態(tài)紊亂。南瑞在進行主配壓閥結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，針對實際結(jié)構(gòu)進行了仿真。圖4及圖5所示，為雙閥盤結(jié)構(gòu)的主配壓閥，內(nèi)部流體的流態(tài)仿真示意圖。其中，圖4為流態(tài)跡線分步圖，圖5為流態(tài)跡線整體圖，這兩幅圖表示了當主配閥心移動10mm時，此時壓力油從P口流入主配壓閥，通過主配壓閥的A口流出到接力器進油腔，再從接力器出油腔返回至主配壓閥的B口流入閥體，通過主配壓閥的T口流回油箱，整個油流的瞬間流態(tài)和穩(wěn)定流態(tài)。
圖4 流態(tài)跡線分步圖
圖5 流態(tài)跡線整體圖
3.4、遮程、間隙與泄漏
遮程指當主配壓閥處于中位狀態(tài)時，閥心控制邊與閥套控制口之間的搭疊量，間隙則是指主配壓閥心的閥盤與閥套內(nèi)孔之間的徑向縫隙。若設(shè)計時要求主配壓閥產(chǎn)品的遮程大、間隙小，則產(chǎn)品的油流泄漏量會相對較少，但動作死區(qū)會增大，動態(tài)性能降低，同時，加工難度提高，成本顯著增加;反之，若設(shè)計時規(guī)定了主配壓閥的遮程小、間隙大，則產(chǎn)品的油流泄漏量會相對較大，但動作死區(qū)會減小，動態(tài)性能會提高，加工相對容易，成本降低。而且，隨著主配壓閥心直徑的增加，DN250的主配若要與小規(guī)格的主配保持相同的泄漏量及速動性，加工的難度會成倍增加。因此，針對不同規(guī)格的主配壓閥，選取一個合理的間隙與配合是設(shè)計的重要環(huán)節(jié)之一。
3.5、熱處理工藝
主配壓閥閥體、閥心、閥套的熱處理工藝與各部件所選用的材料，以及最終的精度要求密切相關(guān)，由于主配壓閥閥心與閥套之間的配合精度高，要求尺寸穩(wěn)定性好，表面硬度高，耐腐蝕，因此，在制造過程中需要進行多次人工時效去應力處理，以保證主配壓閥能真正實現(xiàn)一個大型伺服閥體的功能。
4、結(jié)論
通過對特大型主配壓閥結(jié)構(gòu)設(shè)計的分析，以及樣機的仿真，可以發(fā)現(xiàn)，DN250主配壓閥國產(chǎn)化既有實現(xiàn)的要求，又有實現(xiàn)的條件，以共同推動國內(nèi)水輪機調(diào)速事業(yè)的發(fā)展。
