CN101624961A - 带飞逸关闭功能的水轮机筒阀机电液控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带飞逸关闭功能的水轮机筒阀电液控制系统，系统由控制阀组、分流马达和配油模块三部分组成，控制阀组油路的输出分别接于N个同步分流马达及相应的个配油模块。在每个配油模块末端分别设有一个接力器，作为液压系统的执行装置。分流马达采用径向柱塞式，对液压油进行分流，以保证每个接力器液压缸进出油量的基本相等。同时配油模块上配备两个微调粗调电磁球阀，通过PLC精确控制进入接力器的流量，保证相应接力器的同步控制达到设计要求。本发明通过控制电液比例方向阀的流量控制接力器的速度，实现高精度液压电气同步和速度控制。并且在机组过速时，在过速保护装置和带有飞逸关闭功能的控制系统的共同作用下可以迅速关闭机组。

Description

带飞逸关闭功能的水轮机筒阀机电液控制系统

技术领域

本发明属于机电液一体化控制技术，具体涉及一种多液压缸协同驱动机电液控制系统，尤其涉及到用于水轮机筒阀启闭的带飞逸关闭功能的水轮机筒阀机电液控制系统。

背景技术

筒阀作为一种断开阀，安装在水轮机固定导叶和活动导叶之间。因筒阀直径和质量大，其启闭由多执行机构完成。由于筒阀操作过程中本体结构需水平、平稳地运动，不能发生发卡现象，因此需要有可靠的同步系统保证多执行机构的同步运行。目前筒阀采用的同步运动方式主要是机械同步和电液同步。

机械同步控制系统主要由接力器驱动链条实现，将多个接力器通过杠杆和丝杠连接在一起，实现接力器同步运动。接力器油缸进油口无调节能力，链条同步对发生异步的油缸矫正能力差。同时由于油缸进油量由节流片调整同定，筒阀只能定速启闭。机械装置的布置空间较大，对水轮机的拆装起吊有影响。

现有的电液同步控制主要由电液伺服(比例)阀、接力器和位移传感器组成闭环控制系统实现，电液伺服阀控制接力器的运行速度，位移传感器测得的误差传给控制器，对伺服(比例)阀做出调整，从而实现多接力器同步运动。电液同步控制系统战地空间小、噪音低、运动速度可控，但由于系统在失电的状态下不能工作，所以应用也受到一定限制。本发明针对现有水轮机筒阀同步控制系统中存在的问题，提出了一种机械、液压、电气共同控制的模块化布置方案，使问题得到满意的解决。

发明内容

本发明提供一种由带飞逸关闭功能的多液压缸协同驱动机电液控制的水轮机筒阀控制装置，并且在机组飞逸的情况下能够快速关闭系统。

水轮机筒阀电液同步控制系统，具有柱塞泵、电液比例方向阀、平衡阀、单向减压阀、初始启动电磁阀、液动换向阀、溢流阀、手动换向阀、飞逸液动换向阀、蓄能器、梭阀、控制模块液控单向阀、马达、单向阀、节流阀、配油模块液控单向阀、粗调电磁球阀、微调电磁球阀、回油电磁换向阀、位移传感器和接力器、油罐以及过速保护装置等。电液同步控制系统由控制阀组、N个同步分流马达和N个配油模块三部分组成。控制阀组油路的输出分别接于N(3≤N≤8)个同步分流马达及相应的N(3≤N≤8)个配油模块，即每个分流马达均配有一个配油模块。所有电磁阀均采用PLC(可编程控制器)控制，实现同步和速度控制。机电液控制系统包括两个同步：液压机械同步和电气同步。

(1)液压机械同步

筒阀由液压缸接力器作为操作执行机构，数个柱塞液压马达的运动速度与数个液压缸接力器运动的速度基本相同，液压同步马达为纯机械形式，靠操作压力油流自动驱动，以实现均流功能。该控制环节是一个开环控制系统。

(2)电气同步

保持筒阀N(3≤N≤8)个接力器同步，是筒阀控制的重要环节。N(3≤N≤8)个接力器是否同步由位置测量单元与与位移变送器完成。该控制环节是闭环控制系统。

系统运行时，液压泵产生的压力油经过由电液比例方向阀、平衡阀、单向减压阀、初始启动电磁阀、液动换向阀、手动换向阀、飞逸液动换向阀、梭阀、控制模块液控单向阀组成的控制阀组和N(3≤N≤8)个分流马达，产生N(3≤N≤8)路等流量的液压油，进入“配油模块”(配油模块由单向阀、节流阀、配油模块液控单向阀、粗调电磁球阀、微调电磁球阀和回油电磁换向阀组成)进行精确流量调整，最后进入接力器，实现筒阀启闭动作。接力器的运动主要可以分为：初始提升、正常开启、正常关闭、断电关闭和机组飞逸紧急关闭等。

具体工作原理是：水轮机筒阀在上升或下降过程中，每个接力器顶端的位移传感器可以实时地将接力器的位置信号反馈至PLC，由PLC比较N(3≤N≤8)个接力器的位置，将位置最低的接力器的位置作为基准位置。然后分别将其它接力器的位置与之相比较，得出每个接力器的位置偏差。同时根据接力器允许位置偏差曲线得出基准位置的允许偏差。如果某个接力器的位置偏差超过允许偏差的30％但小于70％时，对应的微调电磁球阀励磁，将接力器下腔的油适量的排回油箱；当位置偏差超过允许偏差的70％时，粗调电磁球阀励磁，或者粗调电磁球阀和微调电磁球阀共同励磁调节，将该接力器下腔更多的油排回油箱。设计粗调、微调电磁球阀其目的是可作为电气同步调整环节。通过排油，减缓该接力器上升速度或加快其下降速度，与其他接力器运动速度渐趋一致，从而保证N(3≤N≤8)个接力器运动过程中的同步。

附图说明

附图为本发明系统原理图。

图中实线为工作油路管线，虚线为控制油路管线。

具体实施方式

为了进一步说明本发明的原理和结构，一下通过实施例并结合附图做详细说明。

水轮机筒阀电液同步控制系统由控制阀组(如附图中的I)、N个同步分流马达(如附图中的II)和N个配油模块(如附图中的III)三部分组成。分流马达采用径向柱塞式，对液压油进行分流，以保证每个接力器液压缸进出油量的基本相等。

控制阀组由电液比例方向阀2、平衡阀3、单向减压阀4、初始启动电磁阀5、液动换向阀6、溢流阀7、手动换向阀8和飞逸液动换向阀9、蓄能器10、梭阀11控制模块液控单向阀12组成；控制阀组油路的输出分别接于N个同步分流马达13-1～13-N及相应的N个配油模块。

每个配油模块均由单向阀14、节流阀15、配油模块液控单向阀16、粗调电磁球阀17、微调电磁球阀18和回油电磁换向阀19、溢流阀20、压力传感器21、位移传感器22和接力器23组成。

电液比例方向阀2的A口与平衡阀3的A口相接。电液比例方向阀2的B口和平衡阀3的X口接于单向减压阀4的进口。电液比例方向阀2的T口、初始启动电磁阀5的T口、溢流阀7的出油口、手动换向阀8的T口、飞逸液动换向阀9的T口、第二个控制模块液控单向阀12-2的出油口以及油箱24并接在一起。电液比例方向阀2的P口并联接于初始启动电磁阀5的P口、液动换向阀6的A口、飞逸液动换向阀9的P口、柱塞泵1、油罐25。同时电液比例方向阀2的P口串接单向阀14和手动换向阀8的P口。控制阀组中的梭阀11的PP口接于第二个控制模块液控单向阀12-2的X口和液动换向阀6的X口，梭阀11的A口与手动换向阀8的A口相接。梭阀11的B口与飞逸液动换向阀9的A口相接。第一个控制模块液控单向阀12-1的X口、平衡阀3的B口、溢流阀7的进油口、第二个控制模块液控单向阀12-2的P2口以及N个同步分流马达13-1～13-N并联，第一个控制模块液控单向阀12-1的P2口接至液压缸正常开启工作油口B。初始启动电磁阀5的A口接至液压缸初始提升工作油口S。

节流阀15的P2口并联接于微调电磁球阀18的进油口、粗调电磁球阀17的进油口、配油模块液控单向阀16的P2口、第一个溢流阀20-1的P1口、第一个压力传感器21-1的P端以及接力器23的下腔。配油模块中的单向阀14的P2口与节流阀15的P1口串接，配油模块中的单向阀14的P1口接至液压缸初始提升工作油口S。配油模块液控单向阀16的控制油路接至液压缸正常开启工作油口B。工作油路接至与该配油模块所对应的第一个同步分流马达13-1。位移传感器22与第二个压力传感器21-2的P端、第二个溢流阀20-2的P1口、回油电磁换向阀19的P口并联后接至液压缸正常开启工作油口B。第一个溢流阀20-1的P2口、粗调电磁球阀17的P2口、微调电磁球阀18的P2口及回油电磁换向阀19的A口并联后接至主回油口T。位移传感器22与接力器23连接在一起，接力器23带动筒阀做同步运动。飞逸液动换向阀9的K口与二位二通阀26的A口相接；过速保护装置27和二位二通阀26连接。

电液比例方向阀2、初始启动电磁阀5、手动换向阀8、飞逸液动换向阀9均为两位四通阀；回油电磁换向阀19为两位三通阀。同步分流马达个数与接力器设置的个数对应相同。

对于本实施例，系统接有一个同步分流马达和一个配油模块，具体工作过程如下：

初始提升：由于液动力的存在，提升力较正常时大，这时通过控制初始启动电磁阀5、开启回油电磁换向阀19，油液经初始启动电磁阀5、配油模块中的单向阀14、节流阀15直接进入接力器23下腔；接力器上腔油液经回油电磁换向阀19直接回油箱24，一定位移后完成初始提升，使筒阀下端密封脱离。

正常开启：筒阀和下端密封脱离后进入正常开启，此时初始启动电磁阀5、回油电磁换向阀19关闭，油液经电液比例方向阀2、平衡阀3进入分流马达，再经配油模块液控单向阀16进入接力器23的下腔；接力器上腔油液经过单向减压阀4的单向阀、电液比例方向阀2返回油箱24。

正常关闭：正常关闭时，电液比例方向阀2换向，反向供油，油液经单向减压阀4进入接力器23上腔；同时平衡阀3通过液动力将自身的平衡阀切换到反向节流状态；配油模块液控单向阀16通过液动换向阀6打开，接力器下腔油液经液控单向阀16、分流马达、平衡阀、电液比例方向阀返回油箱。

断电关闭：在断电情况下，换向阀2及微调粗调阀组均处于关闭状态，保证筒阀接力器23处于关闭或者全开状态，这时蓄能器10的压力油通过手动换向阀8、飞逸液动换向阀9和梭阀11打开液动换向阀6和控制模块液控单向阀12。油罐25中的压力油通过液动换向阀6进入接力器23上腔，并且同时打开配油模块液控单向阀16，接力器下腔油液经配油模块液控单向阀、同步马达、控制模块液控单向阀回油箱。

机组飞逸紧急关闭：当机组过速保护装置发出油压信号时，飞逸液动换向阀9换向，过速保护装置27在离心力的作用下端口Q口撞击二位二通阀26的M口，使二位二通阀26换向，同时在压力油的作用下，油液经梭阀11开启配油模块液控单向阀16、接力器下腔油液经配油模块液控单向阀16、分流马达、控制模块液控单向阀返回油箱；飞逸液动液动阀9的动作同时打开液动换向阀6，此时压力油经液动阀6进入接力器上腔，接力器23在压力油的作用下关闭筒阀。

水轮机筒阀在全关位置时，由于水力因素，需要较大的提升力才能使其开始运动，因此初始启动时，运动速度较小。同时为了防止筒阀在其行程的起始段和终止段产生发卡或撞击相邻部件，在每个接力器的起始段和终止段，筒阀的运动速度远小于中间段的运动速度。在筒阀的运动过程中，PLC(可编程程序控制)按照相应速度曲线向电磁比例方向阀发送调节信号，比例阀根据接收到的调节信号，控制开启侧或关闭侧的油口开度，进而控制接力器的启闭速度。

本发明的特点及有益效果体现于：(1)在机组飞逸、系统失电的情况下可自动关闭水轮机筒阀，安全性能好；(2)由于采用电液比例方向阀，水轮机筒阀启闭的运动规律可调，可以调整筒阀接力器活塞的运行速度，并且可以分段调整，满足筒阀中各类阀体运行速度的要求，并且可以保证接力器运动的同步误差在一定的范围之内；(3)接力器同步运动可由分流马达和电气同步调整电磁阀两级保证，同步运动精度高，能够保证系统的安全稳定运行；(5)由于机组在飞逸和系统断电的情况下采用蓄能器和油罐中的压力油打开液控阀，接力器关闭的过程中上腔供油的同时打开液控阀，使阀和管道的数量减少；(6)水轮机筒阀启闭的噪音较机械同步系统小，总体结构简单，便于维修和维护。其有益效果体现在，在功能齐全，安全可靠的基础上，通过控制电液比例方向阀的流量控制接力器的速度，通过同步马达和粗调微调球阀使接力器的运动误差控制在一定的范围之内，实现了高精度机械液压电气同步控制，同时满足了速度控制要求。

Claims (3)

1.带飞逸关闭功能的水轮机筒阀机电液控制系统，具有柱塞泵、电液比例方向阀、平衡阀、单向减压阀、初始启动电磁阀、液动换向阀、溢流阀、手动换向阀、飞逸液动换向阀、蓄能器、梭阀、控制模块液控单向阀、马达、单向阀、节流阀、配油模块液控单向阀、粗调电磁球阀、微调电磁球阀、回油电磁换向阀、位移传感器和接力器、油罐以及过速保护装置，其特征是电液同步控制系统由控制阀组、N个同步分流马达和N个配油模块三部分组成，

控制阀组由电液比例方向阀(2)、平衡阀(3)、单向减压阀(4)、初始启动电磁阀(5)、液动换向阀(6)、溢流阀(7)、手动换向阀(8)和飞逸液动换向阀(9)、蓄能器(10)、梭阀(11)控制模块液控单向阀(12)组成；控制阀组油路的输出分别接于N个同步分流马达(13-1～13-N)及相应的N个配油模块，

每个配油模块均由单向阀(14)、节流阀(15)、配油模块液控单向阀(16)、粗调电磁球阀(17)、微调电磁球阀(18)和回油电磁换向阀(19)、溢流阀(20)、压力传感器(21)、位移传感器(22)、接力器(23)组成，

电液比例方向阀(2)的A口与平衡阀(3)的A口相接；电液比例方向阀(2)的B口和平衡阀(3)的X口接于单向减压阀(4)的进口；电液比例方向阀(2)的T口、初始启动电磁阀(5)的T口、溢流阀(7)的出油口、手动换向阀(8)的T口、飞逸液动换向阀(9)的T口、第二个控制模块液控单向阀(12-2)的出油口以及油箱(24)并接在一起；电液比例方向阀(2)的P口并联接于初始启动电磁阀(5)的P口、液动换向阀(6)的A口、飞逸液动换向阀(9)的P口、柱塞泵(1)、油罐(25)；同时电液比例方向阀(2)的P口串接单向阀(14)和手动换向阀(8)的P口，控制阀组中的梭阀(11)的PP口接于第二个控制模块液控单向阀(12-2)的X口和液动换向阀(6)的X口，梭阀(11)的A口与手动换向阀(8)的A口相接；梭阀(11)的B口与飞逸液动换向阀(9)的A口相接；第一个控制模块液控单向阀(12-1)的X口、平衡阀(3)的B口、溢流阀(7)的进油口、第二个控制模块液控单向阀(12-2)的P2口以及N个同步分流马达(13-1～13-N)并联，第一个控制模块液控单向阀(12-1)的P2口接至液压缸正常开启工作油口B，初始启动电磁阀(5)的A口接至液压缸初始提升工作油口S，节流阀(15)P2口并联接于微调电磁球阀(18)的进油口、粗调电磁球阀(17)的进油口、配油模块液控单向阀(16)的P2口、第一个溢流阀(20-1)的P1口、第一个压力传感器(21-1)的P端以及接力器(23)的下腔，配油模块中的单向阀(14)的P2口与节流阀(15)P1口串接，配油模块中的单向阀(14)的P1口接至液压缸初始提升工作油口S，配油模块液控单向阀(16)的控制油路接至液压缸正常开启工作油口B、工作油路接至与该配油模块所对应的第一个同步分流马达(13-1)，位移传感器(22)与第二个压力传感器(21-2)的P端、第二个溢流阀(20-2)的P1口、回油电磁换向阀(19)的P口并联后接至液压缸正常开启工作油口B，第一个溢流阀(20-1)的P2口、粗调电磁球阀(17)的P2口、微调电磁球阀(18)的P2口及回油电磁换向阀(19)的A口并联后接至主回油口T，位移传感器(22)与接力器(23)连接在一起，接力器(23)带动筒阀做同步运动，飞逸液动换向阀(9)的K口与二位二通阀(26)的A口相接；过速保护装置(27)和二位二通阀(26)连接。

2.按照权利要求1所述的带飞逸关闭功能的水轮机筒阀机电液控制系统，其特征是所述电液比例方向阀(2)、初始启动电磁阀(5)、手动换向阀(8)、飞逸液动换向阀(9)均为两位四通阀；回油电磁换向阀(19)为两位三通阀。

3.按照权利要求1所述的带飞逸关闭功能的水轮机筒阀机电液控制系统，其特征是所述N个同步分流马达，其中3≤N≤8，所述接力器(23)设置的个数与同步分流马达个数对应相同。

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