第三节 进水阀的操作方式和操作系统
一、进水阀的操作方式
进水阀的操作按操作动力不同,一般分为液压、电动和手动操作三种类型。直径较大并做事故用的进水阀,为保证能迅速关闭,绝大多数都用液压操作;低水头、小直径及仅作检修用的进水阀,可采用电动操作;对于不要求远方操作的小型进水阀,因操作力较小,可采用手动操作。
液压操作一般采用油压或水压通过配压阀、接力器来实现。
当电站水头大于120~150m时,可采用压力钢管中的高压水来操作,以简化能源设备,但配压阀和接力器中与压力水接触的部分需采用耐磨和防锈材料,并保证水质清洁,为此一般需设置专门的滤水器。
当电站水头小于120~150m时,通常采用油压操作,以缩小接力器尺寸。压力油源可由专门的油压装置、油泵或调速器的油压装置取得,一般要根据电站的实际情况而定。由于进水阀的操作用油容易混入水分,使油质变差,故采用与调速系统共用油压装置时,对调速系统的油质是有影响的,需采取措施防止水分混入压力油。
常用的液压操作机构主要有如下几种:
(1)导管式接力器:图1-15所示为装在立轴进水阀上的导管式接力器。由于导管占据了部分工作空间,因而增大了接力器的活塞直径。根据操作力矩的大小,可采用一个或两个接力器,布置在一个盆状的控制箱上,控制箱固定在阀体上,常用于立轴进水阀中。
图1-15 导管式接力器
图1-16 摇摆式接力器
(2)摇摆式接力器:图1-16所示为装在卧轴进水阀上的摇摆式接力器。为适应缸体的摆动,缸体下部用铰链与地基连接,管接头常用高压软管或铰链式刚性管。有的还在活门轴头上装有重锤,以利于机组紧急事故时的动水关闭,增加操作可靠性。该接力器工作时随着转臂摆动,不需要导管,故在同样的操作力矩下,活塞直径比导管式要小,广泛用于大中型卧轴进水阀中。
(3)刮板接力器:图1-17为刮板接力器,其缸体固定在阀体上,缸内用隔板分成三个腔体,活塞体装在阀轴上,其上有三个刮板,刮板在压力油的驱动下使活塞体转动,从而操作活门。该接力器结构紧凑,外形尺寸小,重量轻,在阀体上布置较方便,应用广泛,但零件较多,精度要求较高,制造难度较大。
图1-17 刮板接力器
图1-18 环形接力器
(4)环形接力器:图1-18为环形接力器,其缸体固定在阀体上,接力器的活塞和转臂做成(或装配成)一体。该接力器零件少,应用较广泛。但精度要求较高,工艺较复杂,外形尺寸较大,操作时缸体和活塞变形量大,漏油量也大。
二、进水阀的操作系统
大中型电站进水阀的操作系统一般采用自动控制方式,由控制元件、放大元件、执行元件及连接管道等组成。当接收动作信号后,即按一定的程序进行关闭或开启的自动操作。以前常用继电器实现自动控制功能,现在则多采用计算机(如PLC)来完成自动控制。
(一)继电器控制方式
1.蝶阀的液压操作系统
图1-19所示为水电站采用较多的蝶阀机械液压系统图(各元件位置相应于蝶阀全关状态),采用继电器控制方式时的动作过程如下:
(1)开启蝶阀:当发出开启蝶阀的信号后,开启继电器使电磁配压阀13(1DP)动作,活塞向上移动,使与油阀12(YF)相连的管路与回油接通,油阀上腔回油,使油阀开启,压力油通至四通滑阀11(STHF)的中腔。同时,由于电磁配压阀13(1DP)的活塞向上移动,压力油进入液动配压阀9(YP)的顶部,将其活塞压下,使压力油进入旁通阀活塞的下腔,而旁通阀活塞的上腔接通回油,该活塞上移,旁通阀开启,蜗壳充水。与此同时,锁锭1(SD)的活塞右腔接通压力油,左腔接通排油,于是将锁锭1(SD)拨出。压力油经锁锭通至电磁配压阀14(2DP)。待蜗壳水压上升至压力信号器4(YX)的整定值时,电磁空气阀6(DKF)动作,活塞被吸上,空气围带排气。排气完毕后,反映空气围带无压的压力信号器7(YX)动作,使电磁配压阀14(2DP)动作,活塞被吸上,压力油进入四通滑阀11(STHF)的右端,并使四通滑阀的左端接通回油,四通滑阀的活塞向左移动,从而切换油路方向,压力油经四通滑阀通至蝶阀接力器开启侧,将蝶阀开启。当开至全开位置时,行程开关3(1HX)动作,使全开位置的红色信号灯点亮,并将蝶阀开启继电器释放,从而使电磁配压阀13(1DP)复归,旁通阀关闭,锁锭1(SD)落下,同时关闭油阀12(YF),切断总油源。
图1-19 蝶阀机械液压操作系统图
1—锁锭SD;2、3—行程开关HX;4、7—压力信号器YX;5—节流阀JL;6—电磁空气阀DKF;8、10—压力表;9—液动配压阀YP;11—四通滑阀STHF;12—油阀YF;13、14—电磁配压阀DP
(2)关闭蝶阀:当发出关闭蝶阀的信号后,关闭继电器使电磁配压阀13(1DP)励磁,活塞被吸上,油阀12(YF)开启,旁通阀开启,锁锭1(SD)拨出,随即电磁配压阀14(2DP)复归,活塞落下,压力油进入四通滑阀11(STHF)的左端,推动活塞向右移动,从而切换油路方向,压力油进入蝶阀接力器关闭侧,将蝶阀关闭。当蝶阀关至全关位置后,行程开关2(2HX)动作,使全关位置的绿色信号灯点亮,并将蝶阀关闭继电器释放。电磁空气阀6(DKF)复归,围带充入压缩空气。同时电磁配压阀13(1DP)复归,关闭旁通阀,锁锭1(SD)投入,并关闭油阀12(YF),切断总油源。
蝶阀的开启和关闭时间,可通过节流阀5(JL)进行调整。
2.球阀的液压操作系统
图1-20所示为一种常用的球阀机械液压系统图(各元件位置相应于球阀全关状态),它采用继电器控制方式,可在现场手动操作,现场或机盘自动操作,以及在中控室与机组联动操作。其动作程序如下:
(1)开启球阀:发出球阀开启命令后,开启继电器使电磁配压阀1DP、2DP的活塞提起,压力油经A1、B1作用到卸压阀的左腔,同时其右腔经C1、D1排油,卸压阀开启,密封盖内腔开始降压。这时,油阀上腔经C1、D1排油,油阀在下部油压作用下自动打开,向球阀操作系统提供压力油。压力油经A2、B2到旁通阀的下腔,其上腔通过C2、D2排油,旁通阀打开,向蜗壳充水。蜗壳充满水后与压力钢管平压,这时密封盖的外侧压力大于内侧压力,故自动缩回,与阀体上的密封环脱离接触。当球阀前后压力平衡后,电接点压力信号器YX接通,使电磁配压阀3DP的活塞提起,压力油经A3、B3通向四通滑阀右侧,其左侧经C3、D3排油,四通滑阀左移,压力油通过四通滑阀的中腔进入接力器开启腔,而其关闭腔则经四通滑阀排油,球阀开启。待球阀全开后,行程开关1QX动作,使全开位置红色指示灯亮,并将电磁配压阀1DP、2DP复归,卸压阀与旁通阀关闭,压力油经A1、C1至油阀上腔,油阀关闭,切断油源。
图1-20 球阀机械液压操作系统图
(2)关闭球阀:当发出球阀关闭命令后,关闭继电器动作,使电磁配压阀1DP的活塞提起,卸压阀打开,密封盖缩回,油阀开启,操作油源接通。复归电磁配压阀3DP,压力油经A3、C3使四通滑阀右移,压力油经四通滑阀进入接力器关闭腔,并使开启腔经四通滑阀排油,球阀关闭。待球阀全关后,行程开关2QX动作,使全关位置绿色指示灯亮,并将关闭继电器释放,电磁配压阀1DP复归,卸压阀及油阀关闭,压力水经密封盖与活门缝隙进入密封盖内腔,这时如果蜗壳中水压有所下降,密封盖将自动压出,与阀体上的密封环紧贴而止水。若蜗壳中水压未降低,可将蜗壳排水阀或水轮机导叶略微打开,使密封盖内外造成压差而压出。
球阀的开启和关闭时间,可通过节流阀进行调整。
3.电动操作系统
电动操作装置分为Z型和Q型两种。Z型的输出轴能旋转多圈,适用于闸阀;Q型的输出轴只能旋转90°,故适用于蝶阀和球阀。主要由以下几部分组成:
(1)专用电动机:以适应阀门开启之初扭矩最大和关闭末了迅速停转的要求,其特点是启动转矩大,转动惯量小,短时工作制。
(2)减速器:结构型式很多,其中蜗轮传动结构简单,传动比较大。
(3)转矩限制机构:为一种过载安全机构,用以保证操作机构输出转矩不超过预定值,蜗杆窜动式工作可靠,适用扭矩范围大。
(4)行程控制机构:保证阀门启闭位置的准确性,要求灵敏、精确、可靠和便于调整,其中计数器式精度高,调整方便。
(5)手动-电动切换机构:用于改变操作方式,分全自动、半自动和全人工三种,半自动结构简单,工作可靠。
(6)开度指示器:用来显示阀门在启闭过程中的行程位置,有直接机械指示部分和机电信号转换部分,前者供现场操作时观察用,后者供远距离操作时使用。
(7)控制箱:用以安装各种电气元件和控制线路,可装在现场或控制室内。
图1-21 Z型电动操作装置传动原理图
1—转矩限制机构;2—蜗杆套;3—行程控制器;4—中间传动轮;5—控制蜗杆;6、10—带离合器齿轮;7—离合器;8—活动支架;9—卡钳;11—圆销;12—专用电动机;13—手轮;14—偏心拨头;15—弹簧;16—花键轴;17—蜗轮;18—输出轴;19—齿轮;20—蝶形弹簧
图1-21所示为用于闸阀的Z型电动操作装置传动原理图,采用继电器控制方式时的动作过程如下:
(1)开启阀门:向开阀控制回路发出信号,接通电动机电源,电动机向开阀方向旋转,经带离合器齿轮10、离合器7、花键轴16、蜗杆套2、蜗轮17、输出轴18,带动阀杆转动,使阀门开启。当阀门达到全开位置时,行程控制器3中的微动开关动作,切断电动机电源。若在开启过程中阀门卡住,或者到达全开位置时因行程控制机构失灵而不能切断电源,将会产生过载情况。此时,输出转矩超过转矩限制机构1由蝶形弹簧20预先整定的限制转矩,则蜗轮17不能转动,而使蜗杆套2所受向右方向的轴向力大于蝶形弹簧的弹力,蜗杆套2在花键轴16上向右移动,经齿轮19使双向扭矩开关中的微动开关动作,切断电动机电源,使保护操作装置免遭破坏。
(2)关闭阀门:动作过程与开启阀门相同,仅通过关阀控制回路发出信号、传动机构动作方向相反而已。
(3)手动操作:Z型电动操作装置设有手动-电动切换机构。当需手动操作时,转动手轮13,即自动切断电动机电源,继续转动手轮13,则偏心拨头14拨动活动支架8,使离合器7右移,压缩弹簧15而与带离合器齿轮6啮合,经花键轴16使阀门动作,进入手动状态。离合器7的位置靠卡钳9撑住活动支架8来保持。当需恢复电动操作时,只要接通电动机电源,带离合器齿轮10转动,使其上面的圆销11在离心力作用下将卡钳9左端向外顶起,则右端收缩,离合器7在弹簧15作用下自动左移,重新与带离合器齿轮10啮合,进入电动操作状态。
如图1-22所示为Q型电动蝶阀结构图。
(二)可编程控制器(PLC)控制方式
1.蝶阀的液压操作
由于蝶阀的控制较为简单,需要的开关量输入输出点数较少,故可采用整体式PLC,如开关量输入点数选16点,输出点数选8点,其就地操作的PLC控制系统接线原理如图1-23所示。
(1)蝶阀的开启条件:蝶阀处于全关位置,其全开位置常开触点SBV1断开(X1:5),全关位置常开触点SBV2闭合(X1:6),全关位置绿色信号灯PL1点亮(X2:5);水轮机导叶处于全关位置,即导叶全关位置行程开关SGV常闭触点闭合(X1:13);机组无事故,即出口继电器KOU3常开触点断开(X1:14)。
(2)蝶阀的开启:将运行/试验选择开关SAH转为运行位置(X1:3),使PLC控制系统投入运行;将控制开关SAC拧向开启侧,其触点1、2闭合(X1:1),PLC控制继电器K1常开触点闭合(X2:1),使YV1动作,其常闭触点1、2断开(X1:7),常开触点3、4闭合(X1:8),相关油路接通,旁通阀开启,锁锭拔出,PLC控制K1复归;当锁锭拔出后,锁锭解除常开触点SLA1闭合(X1:11),待水轮机蜗壳充满水后,压力信号器SP常开触点闭合(X1:15),PLC控制继电器K3常开触点闭合(X2:3),使YV2开启,其常闭触点1、2断开(X1:9):常开触点3、4闭合(X1:10),蝶阀接力器向开启侧动作,PLC控制K3复归,并使蝶阀全开位置红色信号灯PL2闪烁(X2:6);当蝶阀开至全开位置时,全开位置常开触点SBV1闭合,PLC控制继电器K2常开触点闭合(X2:2),使YV1动作,其常闭触点1、2闭合,常开触点3、4断开,相关油路接通,旁通阀关闭,锁锭投入,PLC控制K2复归,并熄灭PL1和点亮PL2;当锁锭投入后,锁锭投入常开触点SLA2闭合(X1:12),PLC控制黄色信号灯PL3点亮(X2:7)。
图1-22 Q型电动蝶阀结构图
1—手动操作手柄;2—减速箱;3—电动机;4—螺杆;5—螺母;6—转臂;7—行程开关
图1-23 蝶阀的PLC控制系统接线原理图
(3)蝶阀的关闭:将控制开关SAC拧向关闭侧,其触点3、4闭合(X1:2),PLC控制K1常开触点闭合,使YV1动作,其触点1、2断开,触点3、4闭合,相关油路接通,旁通阀开启,锁锭拔出,PLC控制K1复归;当锁锭拨出后,SLA1闭合,PLC控制继电器K4常开触点闭合(X2:4),使YV2关闭,其触点1、2闭合,触点3、4断开,蝶阀接力器向关闭侧动作,PLC控制K4复归,并使PL1闪烁;当蝶阀关闭至全关位置时,SBV2闭合,PLC控制K2常开触点闭合,使YV1动作,其触点1、2闭合,触点3、4断开,相关油路接通,旁通阀关闭,锁锭投入,PLC控制制K2复归,并点亮PL1和熄灭PL2;当锁锭投入后,SLA2闭合,PLC控制PL3点亮。
(4)控制系统说明:若需要实现远方操作功能,则可增加就地/远方操作切换开关和远方启闭操作开关,并加上远方指示信号;如需与机组开停机实现联动,则可在开启控制开关(X1:1)上并联开机继电器KST的常开触点和在关闭控制开关(X1:2)上并联停机继电器KSP的常开触点;由于蝶阀的控制系统较为简单,故当机组具有计算机控制系统时,可不设置独立的蝶阀控制系统,而直接由机组计算机控制系统实现蝶阀控制,以简化控制系统结构。
(5)控制系统特点:与继电器控制方式相比,PLC控制方式由于逻辑功能由软件完成,故外部接线简单,调试维护方便,同时,可实现与上位计算机的数据通信。
2.筒形阀的液压操作
筒形阀的液压操作系统主要由一套控制阀组、一个分流模块、多套配油模块和多套接力器组成,如图1-24所示。系统运行时,压力油罐内的压力油经控制阀组和分流模块产生多路等流量的液压油,进入配油模块,最后进入接力器,实现筒形阀的启闭操作,如图1-25所示。
图1-24 筒形阀液压系统结构图
图1-25 筒形阀液压控制原理图
控制阀组主要由速控阀605、稳压阀组606、减压阀组610、球阀815、液压同步马达805、电磁阀620.1和电磁阀620.2组成,用于筒形阀开启和关闭过程中不同过程的控制,并实现压力油在多套接力器中的平均分配。
分流模块用于实现控制管路的集成布置。
配油模块用于精确调整进入每个接力器油缸的油量,从而保证多套接力器的运动保持同步。以一个接力器为例,配油模块主要包括电气同步电磁阀705.1(微调)和705.2(粗调)、电磁阀755.1和液控单向阀725.1等,实现对接力器的精确调整,每个配油模块服务于一台接力器。
(1)开启筒形阀:筒形阀在全关位置时,需要较大的提升力才能使其开始运动。PLC发出开启筒形阀命令后,电磁阀755.1和电磁阀620.1励磁,压力油不经速控阀直接进入接力器下腔,以较大的压力提升筒形阀,使其阀体与密封脱离。密封脱离后,电磁阀620.1失磁关闭,同时速控阀605开始工作,其开启线圈励磁,根据PLC输入信号大小控制提升速度。筒形阀全开后,速控阀605失磁,回复中位。
(2)关闭筒形阀:PLC发出关闭筒形阀命令后,速控阀605动作使关闭线圈励磁,阀芯向关闭侧移动。同时电磁阀620.2励磁,液控单向阀725.1全开。速控阀605根据PLC输入信号,控制接力器下腔的回油速度。筒形阀全关后,速控阀605失磁,回复中位。
(3)紧急关闭筒形阀:筒形阀紧急关闭分两种情况:
当机组发生事故、油压装置工作正常时,速控阀605动作使关闭线圈励磁,阀芯向关闭侧移动,同时电磁阀620.2励磁,其输出油压作用于液控单向阀725.1使其全开,接力器下腔快速回油,使筒形阀在动水中快速关闭。
当机组发生事故且油压装置失压时,手动打开球阀815,电动操作(当PLC失电时可手动操作)电磁阀620.2,电磁阀620.2的供油管与一储压罐相连,所以此时仍可输出压力油,打开液控单向阀725.1,将接力器下腔油直接排入回油箱,回油箱中的油将沿着一根装有单向阀的油管进入接力器上腔,消除接力器上腔的真空,使筒形阀在动水中靠自重快速关闭。
三、进水阀的选型
1.确定进水阀型式
根据电站的情况和各种进水阀的特点,确定进水阀的型式。其中蝶阀适用于水头小于250m、直径较大的情况;球阀适用于水头大于200m、直径较小的情况;闸阀适用于水头小于400m、直径小于1m的情况,特别适用于小型电站的卧式机组。
2.确定阀门直径
根据蜗壳进口断面直径确定阀门直径。
(1)蝶阀:蝶阀的有效断面积应大于或等于蜗壳进口的断面积,可用式(1-1)或式(1-2)计算:
表1-1 蝶阀活门相对厚度b/D、α、β与水头H的关系
(2)球阀和闸阀:直径等于蜗壳进口断面直径,即D=D0。
进水阀的直径应按表1-2的直径系列选取。
表1-2 进水阀直径系列
3.确定操作方式
根据所选阀门,确定阀门的操作方式,并得到相关数据,如阀门采用油压操作,需确定接力器、油压装置等。