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摘要：通过对平班水电站调速系统分段关闭阀结构、工作原理的分析，结合液压系统中常见的气穴现象及其危害，最终判断出引起#3机组调速器空载扰动试验过程中分段关闭阀温度升高的原因，并结合平班水电站调速系统的控制逻辑及实际运行情况，制定出初步解决该问题的措施。
关键词：分段关闭阀；结构；温度升高；原因；危害；措施
中图分类号： TM622 文献标识码： A 文章编号：
1 引言
平班水电站位于广西壮族自治区与贵州省界河-南盘江上，是红水河综合利用规划的第三个梯级电站，上游与天生桥二级电站尾水衔接，下游与龙滩水电站正常蓄水位衔接，正常蓄水位440m，水库总库容2.78亿m3，具有日调节性能，电站安装三台单机容量为13.5万kW的轴流转桨式水轮发电机组。机组调速器为自复中型双可编程微机调速器，具备机械手动操作、电手动操作和自动操作三种方式，其机械液压部分由电液转换装置、主配压阀、事故配压阀、紧急停机电磁阀、分段關闭装置、油过滤器、管路等组成。
本文通过平班水电站调速系统分段关闭装置的结构及原理等方面分析了#3机组调速系统分段关闭阀运行中温度升高的原因。
2 平班水电站调速系统分段关闭装置结构及工作原理
2.1 分段关闭装置的作用
分段关闭装置的作用是组停机过程中使导叶分段关闭，以保证机水轮机转速上升和流道压力上升在规定的范围内。平班水电站导叶分两段关闭，将导叶20%开度时设计为导叶分段关闭的拐点，即第一段为导叶100%开度至20%开度，所需时间为6.4s，第二段为导叶20%开度至导叶全关，所需时间为10s。
2.2 分段关闭装置的结构
平班水电站调速系统分段关闭装置由分段关闭阀、分段关闭先导阀及控制管路组成，分段关闭先导阀为两位四通液压阀，用于控制分段关闭阀活塞的上升及下降，分段关闭阀在导叶第二段关闭过程中实际起到节流阀的作用。
2.3 分段关闭装置的工作原理
平班水电站调速系统分段关闭阀安装于导叶接力器开腔油管上，当开导叶时压力油自主配压阀经分段关闭阀进入导叶接力器开腔，关闭导叶时导叶接力器开腔内的透平油自分段关闭阀经主配压阀（事故停机时经事故配压阀）回流至回油箱。图1所示分段关闭装置为复归状态（导叶开度为第一段），此时安装于导叶接力器活塞杆上的滑块脱离分段关闭先导阀，分段关闭先导阀阀芯在弹簧作用下向上移动，压力油接通控制油管1，控制油管2接通回油，分段关闭阀小活塞在压力油作用下向下移动，活塞也随小活塞一起向下移动，分段关闭阀的过流面积达到最大值，这时可以以较快的速度关闭导叶；当导叶关闭至拐点位置时，安装于导叶接力器活塞杆上的滑块重新接触到分段关闭先导阀，使先导阀阀芯向下移动，压力油接通控制油管2，控制油管1接通回油，分段关闭阀小活塞向上移动直至顶到调节杆，活塞在压力油及弹簧作用下也向上移动，分段关闭阀过流面积减小，处于动作状态，实现分段关闭功能。对于第二段关闭时间的长短需要通过调节调节杆进行调整，调节杆向上调节时分段关闭阀的过流面积减小，当调节至活塞上端面接触到阀体时过流面积达到最小值，此时透平油仅能通过活塞中间的小孔流动。
当在拐点以下开导叶时，来自主配压阀的压力油进入分段关闭阀，活塞在压力油作用下向下移动，分段关闭阀过流面积达到最大值，主配压阀关闭后活塞上下腔压力平衡，活塞在弹簧作用下重新顶到小活塞的活塞杆，所以分段关闭阀仅在第二段关闭导叶时起到节流作用。
图1：平班水电站分段关闭装置结构及原理图
3 平班水电站调速系统分段关闭阀温度升高现象的发现
2012年1月平班水电站#3机组检修后进行调速器空载扰动试验（导叶开度约为5%）时，由于频繁调节导叶开度，约40min后测量分段关闭阀及其进出口管路温度发现其温度已上升至56℃，而当时调速系统的油温约32℃。
4 平班水电站调速系统分段关闭阀温度升高原因分析
4.1 机械装配方面的原因
调速器空载扰动试验时导叶开度为5%，此时分段关闭阀处于动作状态，每开一次导叶活塞便上下运动一次，初步判断为活塞与活塞缸配合间隙过小，间隙之间未产生油膜，活塞频繁动作时因摩擦产生热量，从而导致分段关闭阀温度升高。但在分解分段关闭阀后检查活塞及活塞缸未发现磨损、划伤等现象，可基本排除因机械装配原因造成的温度升高。
再次试验时，试验人员重点加强了对分段关闭阀及其进出口管路温度的监测，发现空载扰动试验时，每调节一次导叶开度，温度便会有明显的上升。若为机械装配原因，分段关闭阀阀芯需多次动作摩擦后才会导致温度升高，与再次试验时的监测结果不符，这也进一步排除因机械装配造成温度升高的原因。
4.2 气穴引起的温度升高
4.2.1气穴现象的概念
油液中不可避免地含有一些空气，一部分呈气泡状态，一部分溶于油液中，油液溶解空气的能力与油液的压力成正比，在常温和大气压下，一般矿物油能溶解约6%～12％的空气。当液压系统中的油液流动时，流速高的区域压力很小，当压力小于工作温度下油液的空气分离压时，溶解于油液中的空气将大量的被分离出来形成气泡，这些气泡以原来呈现气泡状的空气泡为核心不断地生长长大形成大气泡。此外，当油液中某局部点的压力低于当时温度下的饱和蒸汽压时，油液将沸腾气化，也在油液中形成气泡。上述两种情况形成的气泡混杂在油液中，使原来充满在液压管道或液压元件中连续流动的油液成为不连续状态，这种现象称为气穴（或空穴）现象〔1〕。
4.2.2气穴的危害
油液中产生的气泡进入高压区时，在高压的作用下急剧收缩，气泡中心将产生很高的压力，直至气泡溃灭，在溃灭中心可产生150～200 MPa的压力，局部压力的急剧升高发生在一瞬间，以压力波的形式向四周传播，冲击管路或液压元件，产生强烈的振动和噪声〔2〕。
油液中气泡被压缩时放出大量热量，局部燃烧氧化液压油，造成液压油的劣化变质。
液压系统中气穴发生部位的管壁和液压元件表面长期承受液压冲击和高温作用，并且从油液中游离出来的空气中所含的氧气也具有较强的氧化作用，造成零部件表面逐渐腐蚀，严重时剥落成小坑，呈蜂窝状，使元件的力学性能和使用寿命降低。
4.2.3分段关闭阀气穴现象引起温度升高的分析
经计算平班水电站导叶第一段关闭时分段关闭阀内的透平油流量为0.02 m3/s，为保证导叶第二段关闭时间，必须将第二段关闭时的流量调节为0.003 m3/s，这导致第二段关闭时需将分段关闭阀的过流面积调节至极小，当在空载扰动试验过程中关导叶时，流经分段关闭阀的透平油流速升高，压力降低，因而产生节流气穴，产生的气泡聚集在分段关闭阀至主配压阀之间的管路内。当开导叶时，来自主配压阀的压力油流经分段关闭阀，聚集在分段关闭阀至主配压阀之间的管路内的气泡急剧收缩，气泡表面和表面外的透平油以很高的速度向气泡中心流动，当气泡半径达到极限小时，透平油停止流动，透平油的动能有一部分转化为热能，使周围透平油温度升高，温度升高后的透平油进入分段关闭阀与导叶接力器之间的管路。但在做调速器空载扰动试验时导叶开度变化较小，开导叶的用油量很少，在主配压阀关闭后，管路内的透平油便停止流动，流经分段关闭阀的透平油只能做短距离运动，关导叶时温度升高的透平油再次因流经分段关闭阀而产生气穴，在频繁调节导叶过程中，透平油在分段关闭阀附近做拉锯式运动，最终导致分段关闭阀及进出口管路温度升高。
5 采取的措施
因暂时未找到彻底解决调速系统分段关闭阀温度升高的方法，目前仅能从调速系统控制及人为调整导叶开度方面解决这一问题。
通过优化调速器主配开/关方向死区补偿设定单元及闭环控制放大系数设定单元相关参数，使导叶开度跟随PID计算开度更加合理，降低导叶调节频繁程度。
由于分段关闭阀仅在拐点以下位置调节导叶开度时才会产生气穴现象，而机组正常情况下带最小负荷（20MW）运行时导叶开度刚好在拐点位置附近，可采用适当增大机组负荷的方法避开拐点位置，使分段关闭装置处于复归状态运行。
6 结语
液压系统中经常设置节流阀、节流孔、节流板等液压元件，在此类液压系统中也经常出现节流气穴，会引起液压系统工作性能恶化，除了产生振动和噪声外，还会损坏零件，缩短液压元件和管道的寿命。目前，很多液压系统中常采用二级或三级节流代替一级节流的优化方式减少节流气穴的危害，水轮机调速系统也有采用分三段关闭的分段关闭装置。而对于平班水电站调速系统分段关闭装置的优化还需从调保计算等方面进行综合考虑。
参考文献：
[1] 向清然.谈液压元件中节流阀的气穴现象及控制方法[J]，科技展望，2010（6）：54.
[2] 汪宝明.液压系统的气穴现象及其检测处理[J]，液压与气动，1999（5）：41-42.
The heat analysis for speed regulation system segment closing valve of Pingban Hydropower Station
Zhen Hui
(Guangxi Pingban Hydropower Development Co.,Ltd,Nanning 530022)
Abstract：Through to Pingban Hydropower Station speed regulation system section closing valve structure, principle of work analysis, combined with the hydraulic system common cavitation phenomenon and its harm, ultimately determine cause #3 governor disturbing test process section closing valve temperature rising, and the combination of Pingban Hydropower Station speed regulation system control logic and the actual operation, a preliminary solution to the problem.
Keywords：segments shut-off valve; structure; temperature rises; reason; hazards; measures
作者簡介：
甄辉（1983-），男，河北灵寿人，助理工程师，学士学位，主要从事水电站机械专业工作。
关键词：分段关闭阀；结构；温度升高；原因；危害；措施
中图分类号： TM622 文献标识码： A 文章编号：
1 引言
平班水电站位于广西壮族自治区与贵州省界河-南盘江上，是红水河综合利用规划的第三个梯级电站，上游与天生桥二级电站尾水衔接，下游与龙滩水电站正常蓄水位衔接，正常蓄水位440m，水库总库容2.78亿m3，具有日调节性能，电站安装三台单机容量为13.5万kW的轴流转桨式水轮发电机组。机组调速器为自复中型双可编程微机调速器，具备机械手动操作、电手动操作和自动操作三种方式，其机械液压部分由电液转换装置、主配压阀、事故配压阀、紧急停机电磁阀、分段關闭装置、油过滤器、管路等组成。
本文通过平班水电站调速系统分段关闭装置的结构及原理等方面分析了#3机组调速系统分段关闭阀运行中温度升高的原因。
2 平班水电站调速系统分段关闭装置结构及工作原理
2.1 分段关闭装置的作用
分段关闭装置的作用是组停机过程中使导叶分段关闭，以保证机水轮机转速上升和流道压力上升在规定的范围内。平班水电站导叶分两段关闭，将导叶20%开度时设计为导叶分段关闭的拐点，即第一段为导叶100%开度至20%开度，所需时间为6.4s，第二段为导叶20%开度至导叶全关，所需时间为10s。
2.2 分段关闭装置的结构
平班水电站调速系统分段关闭装置由分段关闭阀、分段关闭先导阀及控制管路组成，分段关闭先导阀为两位四通液压阀，用于控制分段关闭阀活塞的上升及下降，分段关闭阀在导叶第二段关闭过程中实际起到节流阀的作用。
2.3 分段关闭装置的工作原理
平班水电站调速系统分段关闭阀安装于导叶接力器开腔油管上，当开导叶时压力油自主配压阀经分段关闭阀进入导叶接力器开腔，关闭导叶时导叶接力器开腔内的透平油自分段关闭阀经主配压阀（事故停机时经事故配压阀）回流至回油箱。图1所示分段关闭装置为复归状态（导叶开度为第一段），此时安装于导叶接力器活塞杆上的滑块脱离分段关闭先导阀，分段关闭先导阀阀芯在弹簧作用下向上移动，压力油接通控制油管1，控制油管2接通回油，分段关闭阀小活塞在压力油作用下向下移动，活塞也随小活塞一起向下移动，分段关闭阀的过流面积达到最大值，这时可以以较快的速度关闭导叶；当导叶关闭至拐点位置时，安装于导叶接力器活塞杆上的滑块重新接触到分段关闭先导阀，使先导阀阀芯向下移动，压力油接通控制油管2，控制油管1接通回油，分段关闭阀小活塞向上移动直至顶到调节杆，活塞在压力油及弹簧作用下也向上移动，分段关闭阀过流面积减小，处于动作状态，实现分段关闭功能。对于第二段关闭时间的长短需要通过调节调节杆进行调整，调节杆向上调节时分段关闭阀的过流面积减小，当调节至活塞上端面接触到阀体时过流面积达到最小值，此时透平油仅能通过活塞中间的小孔流动。
当在拐点以下开导叶时，来自主配压阀的压力油进入分段关闭阀，活塞在压力油作用下向下移动，分段关闭阀过流面积达到最大值，主配压阀关闭后活塞上下腔压力平衡，活塞在弹簧作用下重新顶到小活塞的活塞杆，所以分段关闭阀仅在第二段关闭导叶时起到节流作用。
图1：平班水电站分段关闭装置结构及原理图
3 平班水电站调速系统分段关闭阀温度升高现象的发现
2012年1月平班水电站#3机组检修后进行调速器空载扰动试验（导叶开度约为5%）时，由于频繁调节导叶开度，约40min后测量分段关闭阀及其进出口管路温度发现其温度已上升至56℃，而当时调速系统的油温约32℃。
4 平班水电站调速系统分段关闭阀温度升高原因分析
4.1 机械装配方面的原因
调速器空载扰动试验时导叶开度为5%，此时分段关闭阀处于动作状态，每开一次导叶活塞便上下运动一次，初步判断为活塞与活塞缸配合间隙过小，间隙之间未产生油膜，活塞频繁动作时因摩擦产生热量，从而导致分段关闭阀温度升高。但在分解分段关闭阀后检查活塞及活塞缸未发现磨损、划伤等现象，可基本排除因机械装配原因造成的温度升高。
再次试验时，试验人员重点加强了对分段关闭阀及其进出口管路温度的监测，发现空载扰动试验时，每调节一次导叶开度，温度便会有明显的上升。若为机械装配原因，分段关闭阀阀芯需多次动作摩擦后才会导致温度升高，与再次试验时的监测结果不符，这也进一步排除因机械装配造成温度升高的原因。
4.2 气穴引起的温度升高
4.2.1气穴现象的概念
油液中不可避免地含有一些空气，一部分呈气泡状态，一部分溶于油液中，油液溶解空气的能力与油液的压力成正比，在常温和大气压下，一般矿物油能溶解约6%～12％的空气。当液压系统中的油液流动时，流速高的区域压力很小，当压力小于工作温度下油液的空气分离压时，溶解于油液中的空气将大量的被分离出来形成气泡，这些气泡以原来呈现气泡状的空气泡为核心不断地生长长大形成大气泡。此外，当油液中某局部点的压力低于当时温度下的饱和蒸汽压时，油液将沸腾气化，也在油液中形成气泡。上述两种情况形成的气泡混杂在油液中，使原来充满在液压管道或液压元件中连续流动的油液成为不连续状态，这种现象称为气穴（或空穴）现象〔1〕。
4.2.2气穴的危害
油液中产生的气泡进入高压区时，在高压的作用下急剧收缩，气泡中心将产生很高的压力，直至气泡溃灭，在溃灭中心可产生150～200 MPa的压力，局部压力的急剧升高发生在一瞬间，以压力波的形式向四周传播，冲击管路或液压元件，产生强烈的振动和噪声〔2〕。
油液中气泡被压缩时放出大量热量，局部燃烧氧化液压油，造成液压油的劣化变质。
液压系统中气穴发生部位的管壁和液压元件表面长期承受液压冲击和高温作用，并且从油液中游离出来的空气中所含的氧气也具有较强的氧化作用，造成零部件表面逐渐腐蚀，严重时剥落成小坑，呈蜂窝状，使元件的力学性能和使用寿命降低。
4.2.3分段关闭阀气穴现象引起温度升高的分析
经计算平班水电站导叶第一段关闭时分段关闭阀内的透平油流量为0.02 m3/s，为保证导叶第二段关闭时间，必须将第二段关闭时的流量调节为0.003 m3/s，这导致第二段关闭时需将分段关闭阀的过流面积调节至极小，当在空载扰动试验过程中关导叶时，流经分段关闭阀的透平油流速升高，压力降低，因而产生节流气穴，产生的气泡聚集在分段关闭阀至主配压阀之间的管路内。当开导叶时，来自主配压阀的压力油流经分段关闭阀，聚集在分段关闭阀至主配压阀之间的管路内的气泡急剧收缩，气泡表面和表面外的透平油以很高的速度向气泡中心流动，当气泡半径达到极限小时，透平油停止流动，透平油的动能有一部分转化为热能，使周围透平油温度升高，温度升高后的透平油进入分段关闭阀与导叶接力器之间的管路。但在做调速器空载扰动试验时导叶开度变化较小，开导叶的用油量很少，在主配压阀关闭后，管路内的透平油便停止流动，流经分段关闭阀的透平油只能做短距离运动，关导叶时温度升高的透平油再次因流经分段关闭阀而产生气穴，在频繁调节导叶过程中，透平油在分段关闭阀附近做拉锯式运动，最终导致分段关闭阀及进出口管路温度升高。
5 采取的措施
因暂时未找到彻底解决调速系统分段关闭阀温度升高的方法，目前仅能从调速系统控制及人为调整导叶开度方面解决这一问题。
通过优化调速器主配开/关方向死区补偿设定单元及闭环控制放大系数设定单元相关参数，使导叶开度跟随PID计算开度更加合理，降低导叶调节频繁程度。
由于分段关闭阀仅在拐点以下位置调节导叶开度时才会产生气穴现象，而机组正常情况下带最小负荷（20MW）运行时导叶开度刚好在拐点位置附近，可采用适当增大机组负荷的方法避开拐点位置，使分段关闭装置处于复归状态运行。
6 结语
液压系统中经常设置节流阀、节流孔、节流板等液压元件，在此类液压系统中也经常出现节流气穴，会引起液压系统工作性能恶化，除了产生振动和噪声外，还会损坏零件，缩短液压元件和管道的寿命。目前，很多液压系统中常采用二级或三级节流代替一级节流的优化方式减少节流气穴的危害，水轮机调速系统也有采用分三段关闭的分段关闭装置。而对于平班水电站调速系统分段关闭装置的优化还需从调保计算等方面进行综合考虑。
参考文献：
[1] 向清然.谈液压元件中节流阀的气穴现象及控制方法[J]，科技展望，2010（6）：54.
[2] 汪宝明.液压系统的气穴现象及其检测处理[J]，液压与气动，1999（5）：41-42.
The heat analysis for speed regulation system segment closing valve of Pingban Hydropower Station
Zhen Hui
(Guangxi Pingban Hydropower Development Co.,Ltd,Nanning 530022)
Abstract：Through to Pingban Hydropower Station speed regulation system section closing valve structure, principle of work analysis, combined with the hydraulic system common cavitation phenomenon and its harm, ultimately determine cause #3 governor disturbing test process section closing valve temperature rising, and the combination of Pingban Hydropower Station speed regulation system control logic and the actual operation, a preliminary solution to the problem.
Keywords：segments shut-off valve; structure; temperature rises; reason; hazards; measures
作者簡介：
甄辉（1983-），男，河北灵寿人，助理工程师，学士学位，主要从事水电站机械专业工作。