摘要：快速开关阀与逻辑插装阀组件在水轮机调速器中的成功应用，以全新的思路创造性地开辟了调速器发展的新路子，并为调速器的发展带来了新的活力。本文将介绍数字逻辑插装技术的发展、技术特征及组合机理，从几个方面对逻辑插装技术在调速器使用中的某些问题进行初步探讨。
关键词：水轮机调速器逻辑插装技术先导控制 快速开关阀 液阻
水轮机调速器诞生至今已有一个世纪的历史，也是率先采用液压控制系统的领域之一。但随着液压技术的不断发展，许多其他行业及时采用液压技术的最新成果，采用标准液压元件／组件，取得了良好的成效；唯独水轮机调速器行业的液压技术习惯于另搞一套，长期游离于现代液压技术之外，制约着液压新技术在调速器中的应用，值得反思。
中国水利水电科学研究院自动化所率先在国际上采用先进的数字逻辑插装枝术，开发成功了以逻辑插装阀组件为基础的数字开关阀调速器，以全新的思路创造性地开辟了调速器发展的新路子，并为调速的发展带来了新的活力，彻底解决了长期困扰水电厂运行的调速器发卡、漏油等问题。有力地推动了行业的技术进步，为水电厂无人值班、减人增效提供了新的有力的技术保证措施。
本文将介绍数字逻辑插装技术的发展、技术特征及组合机理，最后对其在调速器应用中的几个关键技术问题进行初步探讨。
1 逻辑插装阀简介
逻辑插装阀的出现有效地发展了传统液压控制技术，就水轮机调速器行业而言，目前在油泵组合阀、分段关闭阀、折向器液压控制系统、轮叶／导叶位置随动系统中得到了一定的应用，并取得了令人满意的效果。逻辑插装阀在欧洲最初叫“流体逻辑元件”、“液压逻辑阀”，后根据DLN24342统一称“二通插装阀”，即CV阀(cartridge valves)。我国由于译名与理解的原因，叫法很多，有锥阀、逻辑阀、插入阀等。值得关注的是，国外一些知名厂商又在逻辑插装阀的基础上派生并推出了比例插装阀，这为我们的设计选型增加了许多选择的余地。
对于油压装置、水轮机调速器液压控制部分而言，其基本职能可概括为压力调节、流量调节、方向与位置控制。由此就会有压力阀、流量／-A"向阀(如“主配”)，传统液压控制技术的基本组合是“四通滑阀”(如“主配”)，加双向可控执行器(接力器)。主配系具有多台肩圆柱滑阀阀芯和多沉割槽铸造或锻造阀体的配磨对称结构，为非标准大通径阀(特殊形式的大流量—．棚I液操纵比例／伺服阀)。由于采用间隙密封且轴向结构尺寸大，其抗油污能力、换向可靠性受到局限；此外，换向时间、泄漏量、换向冲击、动态响应等方面也有诸多不足。从液压阻尼控制工程的观点看，它是一种刚性牵连的“四臂液阻”构成一个“液压全桥”，它简单通用，应用历史悠久。它无法进行“单臂控制”、“可控性”受到局限，难以实现多形式、广范围和灵活多变的集成化。显然难以满足现代水轮机调速器对液压技术日益增高的要求。本行业中也出现了要求变革调速器几十年一成不变的传统液压模式的呼声。
德国Ba&教授和我国学者路甬祥教授等人的研究表明，传统液压控制的基本组合可进一步分割为由两个可控液阻和一个“受控腔”组合的“液压半桥”。大部分的液压控制系统及回路都可含有若干个这种组合。这一新概念使液压控制系统的组合机理发生了根本变化，对传统液压控制技术的变革起了很大推动作用；逻辑插装阀作为“单个控制液阻”的出现，极大地丰富和发展了液压控制技术。
2 逻辑插装技术的特征及组合机理
逻辑插装技术的基本特征可归纳为：先导控制、阀座主级、插装式联接。同“四通滑阀”相比，它采用微型结构的先导控制，可以不受限制地接受各种形式的开关、模拟和数字信号控制，并进行包括机械、液压参量的反馈和比较，在同一主级上复合压力、流量及方向诸多功能，并和比例阀、数字阀兼容，若先导信号是连续或按比例调节，阀座主级就可实现伺服阀／比例阀的控制功能，具有极佳的“可控性”与灵活性。阀座结构上克服了滑阀工艺性差及径向间隙泄漏的缺点，其阀座主级系“线密封”和“零遮盖”，加之轴向结构尺寸短、阀芯质量小。这为提高动态品质、实现多形式、大范围、灵活多变的集成化提供了可能。
逻辑插装阀从原理上讲，是一种“单个控制液阻”。该液阻通过先导控制可以实现各种不同的控制功能。同时由于先导控制具有容易复合的特点，因此一个主级单元可以具有多种功能。从控制方式看，插装阀单元有利于采用逻辑控制、比例控制、数字控制等复杂的控制形成。可称之为“软控制”。由此可见，“多功能”、“软控制”是逻辑插装阀的一个突出特点。
逻辑插装阀的主要优点包括：适于高压、大流量工况；适用于各种工作介质，包括高水基甚至纯水液压系统；结构紧凑，适于集成化、组合化；可实现无泄漏控制；具有大流量、低液阻特性，系统效率高；既具有快速的开启与关闭特性，又可对开、并特性进行控制；流量控制特性好；抗油污能力强，性能可靠，寿命长。
3 快速开关阀调速器的关键技术
由逻辑插装阀组成水轮机调速器液压系统与采用主配等传统液压元件组成系统的基本原则是一致的，但由于逻辑插装阀本身的多机能和组合灵活的特点，使设计过程较传统系统要复杂一些。
3．1 主阀单元的工作特性
一般来说，插入元件的工作状态由作用在阀芯上的合力大小和方向决定的。当合力大于零，阀芯关闭；当合力小于零，阀芯开启；当合力等于零，阀芯停留于某一平衡位置。应当指出。其阀芯实际的受力状态、开关过程远比有关资料的分析复杂得多。不过A、B、C三腔的夺力关系仍是起主导作用的，由于工作腔A／B的压力是由工作负载条件决定的，不能任意改变，所以一般只能通过对控制腔C压力的改变来实现对逻辑插装阀的控制。控制腔C压力必须始终大于工作腔A或B中的任何一个压力，才能确保逻辑插装阀在使用时可靠关闭。
3．2 先导控制供油的选择
先导控制供油可分为内供、外供、内外联合供油。控制油引自主阀内部，称内供，这种方式主阀关闭缓慢，特殊情况下影响到主阀关闭的可靠性、甚至有反向开启的可能性。对调速器液压随动系统而言，要求逻辑插装阀的开启／关闭动作高度可靠与快捷，显然，应尽可能采用外供或内外联合供油，特殊情况下，也可考虑设置小型蓄能器，以保证先导控制油的工作压力尽可能的稳定可靠。
3．3 主控回路设计
根据调速系统的初步设计以及主机对调节保证、过渡过程的要求，确定主控回路的构成以及各逻辑插装阀单元的规格、结构形式、面积比等参数。
3．4 先导回路与主回路设计注意事项
根据逻辑插装阀单元的规格不同，对先导回路及先导阀的最大通流能力的要求也不尽相同。
起调节作用的先导阀的选用可以有比例阀、比例伺服阀、高速开关阀或其他类型的数字阀等供选择，我们主要选用快速开关阀作为调节用的先导阀；不起调节作用的辅助性先导阀，如紧急停机阀，则可直接采用普通用途的标准电磁球阀或电磁滑阀。
必须高度重视压力干扰问题。由于逻辑插装阀实质上是一种压力控制型元件，所以在用于调速器液压控制回路时必须经过严格计算，了解接力器位置随动控制过程中每个局部油路的压力变化情况，注意逻辑插装元件各口的压力变化情况、阀的开关速度；注意分析接力器换向过程及小波动过渡过程中压力变化的影响，充分重视先导油路中单向阀、梭阀的作用及其功能的巧妙应用。如果只是简单照抄某些应用场合的系统图，而未作必要细致的分析计算，则可能影响接力器的运动状态，导致局部误动或动作失调，严重时将导致系统瘫痪。
4 快速开关阀调速器的应用与特点
快速开关阀调速器自1999年首次研制成功实验室样机。首台调速器于2001年5月在黑龙江黑河西沟水电站18 MW机组投入运行，同年在北京密云投运1台15 MW机组的调速器。2002年5月在湖南柘溪水电站1台75 MW的机组上投运。2001年-2002年，运用本产品部分组件取代电液转换环节，解决了福建水口水电站7台220 MW机组长期存在的接力器难以稳定的问题。
快速开关阀调速器的成功应用，获得了越来越多的用户青睐，在包括世界银行贷款国际招标项目的一系列水电建设工程中使用，已出口缅甸，机组最大单机容量已达125 MW，总装机台数已达100多台套，产品系列已涵盖了混流、轴流、冲击、贯流等机型，呈现了良好的发展势头。
大量现场应用实例表明，快速开关阀调速器具有许多不可多得的优点：
(1)利用插装阀优化组合，取消了传统的主配压阀、电液转换器等问题较多部件，从根本上消除了调速器发卡的机理。
(2)由于采用标准件，元器件的互换性好，密封可靠，无连接杆件、管路，无泄漏现象。
(3)运行稳定，调节质量高，维修工作量极小，调整方便。 ’
(4)速动性好，快速开关阀动作时间为3～5 InS，调节迅速可靠，对发挥大型机组在电力系统中的调节作用十分有利。
(5)油压装置油泵动作次数明显减少，启动间隔比目前其他最好的调速器长20倍以上。
(6)设备紧凑，可根据现场灵活设计布置，现场安装调试十分便捷。
2004年5月水利部科技司对该产品组织了技术鉴定，认为成果首次提出了全新的机械液压柜模式，其核心部件为高速开关阀和逻辑插装阀，由逻辑插装阀组件实现主配压阀的功能、无需“中间位置”、而作为先导级的控制元件则由高速开关阀组件实现，能实现全容错、直接数字控制，取消了沿用几十年的传统的电液转换元件，因此在设计理念上是一次根本的变革，使用调速器技术取得了突破性进展。鉴定委员会一致认为该项技术达到了国际领先水平。
应当指出，目前该型调速器是类似产品中唯一获国家专利授权的产品。
5 结束语
本文的目的仅在于抛砖引玉，大量的工业应用证明，数字逻辑插装技术特别适合与现代先进的电子技术相组合，实现逻辑控制、随动控制、数字控制、比例控制等。专家们普遍认为逻辑插装技术的出现可能为液压技术的发展开辟广泛的前景，使液压技术的发展提高到一个崭新阶段；而逻辑插装技术在水轮机调速器中的应用与逐渐普及无疑将对促进调速器的技术进步提供强大动力。如何更合理有效地采用逻辑插装技术构成水轮机调速器液压系统，其涉及的问题还有许多、还有大量深入细致的工作要做。可以肯定地说，采用逻辑插装技术无疑也是水轮机调速器液压系统与现代液压技术接轨的快捷方式之一，且很有可能是迅速提高我国调速器工业技术水准的有效径之一。
参考文献
[1] 张建明等．逻辑插装技术在水轮机调速中的应用问题探讨．2004中国水电控制设备论文集，黄河水利出版社，2004．10．
10/14/2011
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