水轮机筒阀电液控制系统联合仿真与试验研究

水轮机筒阀电液控制系统联合仿真与试验研究Research on Co-simulation and Experimentation of Electro-hydraulic Control System of Ring Gate for Hydraulic Turbine学科专业：机械工程研 究 生：何友辉指导教师：王国栋 副教授 肖聚亮 副教授天津大学机械工程学院二一一年十二月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 天津大学 或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 天津大学 有关保留、使用学位论文的规定。特授权 天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日摘 要本文紧密结合水轮机筒阀实际应用天津市科技支撑重点项目“水轮机筒阀及电液控制系统开发与应用”，以研究筒阀多缸同步控制系统在开启、关闭和机组飞逸紧急关闭等过程中的特性为目的，对水轮机筒阀机电液系统进行了建模和仿真分析。论文主要研究内容和成果如下：（1）在介绍水轮机筒阀的作用、特点以及国内外应用现状的基础上，参考国内外水轮机筒阀的具体应用，提出了一种机械、液压、电气相结合的同步电液同步控制方式，并介绍了该同步删除控制系统的组成和控制策略。（2）结合多缸同步控制研究和筒阀仿真的现状，采用相关动力学理论知识对筒阀机械本体部分进行了理论分析，并分析了产生筒阀多个接力器同步误差的原因，为仿真模型的建立奠定基础。（3）在介绍筒阀五种工况的删除工作原理的基础上，为解决筒阀接力器负载较难确认和多个接力器耦合的问题，采用了联合仿真的方式进行仿真删除分析。运用AMESim软件建立筒阀液压系统模型，运用LMS Virtual.Lab建立了筒阀机械结构本体的模型，并对筒阀本体及活塞杆进行了柔性化处理，通过设置接口模块参数建立两个软件之间的联系。仿真分析了接力器缸径误差和内泄漏对筒阀开启、关闭和机组飞逸紧急关闭过程的影响，重点分析了动水关闭筒阀时由水动力产生的下拉力和倾覆力矩对机组飞逸紧急关闭筒阀过程的影响。（4）通过在云南南沙水电站和马堵山水电站的应用，对仿真结果与试验结果进行比较分析，表明仿真模型基本可以反映实际工作情况。同时也验证了该筒阀同步控制系统满足设计要求。关键词：水轮机筒阀，多缸同步，AMESim，LMS Virtual.Lab，增加：电液控制，飞逸，动水关闭联合仿真ABSTRACTIn this dissertation, a practical engineering applied project in ring gate for hydraulic turbine(the development and application of ring gate for hydraulic turbine and is its electro-hydraulic system) is studied, the Mechatronics and Hydraulics system of ring gate for hydraulic turbine was molding and analysis on the purpose of study the characteristic of multi-cylinder synchronization system of ring gate in the open, close and emergency shutdown processing. The main content and research results is shown below:(1) Base on the introducing of role, characteristics and application status of ring gate for hydraulic turbine, a synchronous control method combine with mechanical， electrical and hydraulic is put forward under reference the application of ring gate for hydraulic turbine at home and abroad, and introduced the synchronous control system components and control strategies.(2) Combining with the study of synchronization control and the current situation of simulation of ring gate, the mechanical system of ring gate is analysed by using special dynamic theory. The reasons conduce to synchronization error are analyzed which lay the foundation for the simulation model.(3) Base on the introducing of operational principle of five kinds of working condition of ring gate for hydraulic turbine, a co-simulation approach is used for resolving the problem of ascertain the load and coupling effect of cylinders of ring gate. Hydraulic model is established by using AMESim software and mechanical model is established by using LMS Virtual.Lab, and the body of ring gate and piston rods are treat with flexible processing. The link between the two software is establish by setting the interface module parameter. The effect of diameter error and internal leakage of cylinder to the open, close and emergency shutdown processing are analyzed, the effect of downward pull and overturning moment, which are generated by hydrodynamic force water, to the emergency shutdown processing are selective analyzed.(4) The multi-cylinder synchronization system of ring gate for hydraulic turbine has been used at Nansha Hydropower Station and Masushan Hydropower Station in Yunnan province, the mode is proved valid by comparing simulation results with experimental results. It also verify that the synchronization control system of ring gate for hydraulic turbine meet the design requirements.Key words：Ring gate, Multi-cylinder synchronization, AMESim, LMS Virtual.Lab, Co-simulation目 录注意本部分的字体大小，黑体等情况第二章 水轮机筒阀电液控制系统原理2.5.3 筒阀动水关闭水动力分析5.3.2 整体性能试验摘 要ABSTRACT目 录IV第一章 绪论11.1课题研究背景和意义11.2水轮机筒阀国内外现状31.2.1国外研究与现状31.2.2国内研究与现状41.3筒阀相关技术现状41.3.1多缸同步控制技术41.3.2筒阀系统的试验与仿真技术61.4本文主要研究内容7第二章 水轮机筒阀同步控制系统原理82.1引言82.2筒阀电液同步系统技术要求82.3筒阀系统总体方案92.3.1液压系统组成102.3.2电气系统组成112.4筒阀各种工况工作原理122.5筒阀相关理论分析132.5.1筒阀本体动力学分析132.5.2同步误差产生原因分析162.5.2动水关筒阀时水动力分析172.6本章小结18第三章 筒阀机电液联合仿真建模193.1引言193.2筒阀液压系统建模193.3机械结构建模223.4联合仿真设置253.4.1联合仿真方式253.4.2联合仿真接口设置263.4.3联合仿真注意事项273.5本章小结28第四章 筒阀机电液联合仿真分析294.1引言294.2筒阀开启过程仿真分析294.2.1仿真结果分析294.2.2缸径误差对开启过程的影响314.2.3接力器内泄漏对开启过程的影响314.3筒阀关闭过程仿真分析334.3.1仿真结果分析334.3.2缸径误差对关闭过程的影响344.3.3接力器内泄漏对关闭过程的影响354.4机组飞逸紧急关闭过程仿真分析364.4.1仿真结果分析364.4.2下拉力对机组飞逸紧急关闭过程的影响374.4.3倾覆力矩对机组飞逸紧急关闭过程的影响384.4.4缸径误差对机组飞逸紧急关闭过程的影响414.4.5接力器内泄漏对机组飞逸紧急关闭过程的影响424.5本章小结43第五章 水轮机筒阀同步控制系统的试验研究445.1引言445.2水轮机筒阀电液同步控制系统组成445.2.1液压系统组成445.2.2机械结构部分的组成455.2.3电气系统组成465.3筒阀试验研究465.3.1同步控制和速度控制试验465.3.2整机性能试验495.4本章小结49第六章 结论与展望516.1结论516.2工作展望52参考文献53参加科研情况和发表论文说明56致 谢57VI第一章 绪论第一章 绪论1.1课题研究背景和意义随着社会和经济的发展，人类对能源的需求呈增长的趋势。水力发电作为一种可持续发展的能源，具有无污染、成本低、规模大、调节性强、效益显著等优点，欧美经济发达国家水电开发程度都已达到40%50%。我国地域辽阔，水能资源蕴藏量丰富，理论蕴藏量6.76亿kW，可经济开发容量3.78亿kW1。从1910年在云南石龙坝兴建了我国第一座水电站至今，中国水电从无到有、从小到大、从弱到强，已走过了百年的历程，为国民经济和社会发展做出了重要贡献。建国前，全国的水电装机容量仅为3.6万kW，水平十分低下；新中国成立后，我国水电开发规模不断迈上新台阶，截至2010年8月，中国水电装机突破2亿kW，居世界第一2。出于优化我国能源结构以及减轻环境压力的考虑，加大水电开发规模将是大势所趋。水轮机是把水流的能量转换为旋转机械能的动力机械，是水电站的核心设备，主要有反击式和冲击式两种类型。混流式水轮机是目前世界上使用最广泛的一种样式，属于反击式类型，其主要部件有：蜗壳、进水阀、座环(含固定导叶)、活动导叶、顶盖、转轮、主轴、导轴承、尾水管等3，结构如图1-1所示。为了电站水轮机运行与检修的需要，在水轮机蜗壳前装设有进水阀。进水阀在机组停机时能起到减少因漏水所造成导叶的空蚀与磨损和缩短机组重新启动时间的作用；同时当机组和调速系统发生故障时，需要紧急停机时可以迅速关闭进水阀，截断水流，防止机组飞逸时间超过允许值，避免事故扩大4。目前，水轮机进水阀常采用球阀、蝶阀、筒阀和闸阀等5。球阀和蝶阀在中小型电站使用较多，两者还多用于公共取水的支管道上，安装位置均在厂房内蜗壳进水口处6。球阀具有密封严密、全开时几乎没有流阻等优点，但是随着转轮直径的增加体积将迅速增大，造价昂贵；蝶阀具有体积小重、重量轻、操作方便等优点，但其结构造成一定的水力损失，启闭噪声大。在安装快速闸门和球阀或蝶阀的电站，如果导水机构发生意外故障需停机时，必须投入事故快速闸门，在闸门关闭的过程中仍有高压水，且压力钢管直径大、长度长，有可能使事故扩大；同时，由于我国江河多属于泥沙河流，停机时通过水轮机导叶立面和上、下端面间隙的高速含沙水流将造成导叶的间隙空蚀和泥沙磨损，损坏的导叶、顶盖及底环7，造成维护工作量大，检修期长，费用高。从刘家峡开始，继而在盐锅峡、龚嘴、丹江口、乌江渡、凤滩、柘溪、白山等大批电站8，由于停机占用时间过长，出现不同程度导叶端面、里面密封腐蚀漏水过大，导致水轮机无法正常运行。正因为传统的球阀、蝶阀存在着以上这些局限性，随着科技发展和国外先进技术的引进，许多新建的中高水头大中型水电站采用一种新型的筒阀作为进水阀，其优良的性能被设计和管理人员所接受，结构如图1-2所示。主轴蜗壳导叶尾水管 图1-1 水轮机部件图选择合适图替换，该图不是混流式水轮机图，用五号字图1-2 筒阀结构不要用哈机电的图，用五号字筒阀作为一种新型的进水阀，它删除安装于固定导叶与活动导叶之间。在水轮机正常开停机流程中，筒阀的开启在活动导叶打开前开启，筒阀的关闭在活动导叶关闭机组停机后再关闭。在开启位置时，提升至座环和顶盖形成的空间腔内；在全关位置时，可以截断导水机构和座环之间的水流通道，具有结构紧凑、操作灵活、水力损失小、密封性好等特点9-11。因此，使用筒阀作为进水阀的电站能够有效缩短机组开停机时间，减少漏水量，增加有效电量，产生的经济效益可很快收回筒阀自身的初期投资12。此外，筒阀还能降低机组制动转速，作为机组的防飞逸装置之一13。与蝶阀、球阀相比，筒阀的应用历史相对较短，在国内尤其如此，其中仍然存在很多问题。例如生产厂家制造难度加大，有些零部件需要进口，水轮机的造价相应提高；由于筒阀靠近活动导叶，当有较长异物卡住活动导叶时，筒体关闭时容易被卡住，对机组造成损坏；同时，国家目前没有筒阀设计、制造、安装等方面的标准，可借鉴的经验相对较少，因此这些方面需要加以解决和完善。由于筒阀同步控制系统存在响应滞后、死区等非线性因素的影响，液压系统存在泄露、元件制造误差、管道布置、温度变化等因素的影响，同时筒阀执行机构存在相互耦合且所受的负载实时变化，为了满足筒阀在实际工程中的应用，常规的数学建模不够精确，因此本文采用一种机电液联合仿真的方法，对筒阀机械结构部分、同步控制系统以及液压系统进行建模和仿真，对实际应用具有很大的参考价值和指导意义。1.2水轮机筒阀国内外现状1.2.1国外研究与现状水轮机筒阀的第一个专利是由法国奈尔匹克（现阿尔斯通，ALSTOM）公司于1947年提出的，之后在法国和葡萄牙的一些电站得到推广应用。世界上第一台筒阀是由奈尔匹克公司于1962年为法国蒙台纳尔(Monteynard)电站制造的，电站装机容量为483MW，水头137m。当时采用筒阀的目的主要是减小位于大坝中间的厂房宽度和防止机组渗水，而不是为了截断流向水轮机的水流。此后，筒阀在法国的一些电站得到了推广应用。随后，加拿大多米宁（GE）公司和玛林工业公司（NIL）先后分别为电站研制了不同尺寸和型式的大批筒阀。苏联对筒阀技术开发相对较晚，但发展迅速，80年代末为则连丘水电站制成了2.54m的筒阀，并为罗贡水电站615MW机组（水头310m）研制直径为10m的筒阀，又为德聂斯特洛夫斯克蓄能电站的混流可逆式水泵水轮机研制了直径大于11m的巨型筒阀，这是目前世界上最大直径的筒阀。到目前为止，筒阀已在国外如法国、加拿大、葡萄牙、原苏联等国家的多个水电站使用，国外采用筒阀作为进水阀的部分水电站及其筒阀的主要参数见表1-1。表1-1 国外部分电站筒阀的主要参数14-15序号电站名称国别台数单机容量(MW)水头(m)外径(mm)壁厚(mm)高度(mm)投运年份1Monteynard法国48312735607598019622Outardes 3加拿大4190144645010094619693La Grande 2加拿大16339137.27846127146019794St-Guillenne法国2582753150100125819825泽连丘原苏联482234254010036019826La Grade 4加拿大9300116.77640120144419847罗贡原苏联-615320980040086019848Torrao葡萄牙274.551.88040145142419869德聂斯特洛夫斯克原苏联738815511025278104919931.2.2国内研究与现状我国筒阀技术的发展相对较晚，东方电机厂自1986年引进加拿大多米宁（GE）公司水轮机筒阀技术，为云南漫湾水电站制造五套筒阀设备，标志着筒阀作为水轮机进水阀正式应用于我国的水电站。国内先后已有大朝山、小浪底、石泉二期等水电站的水轮机采用了筒阀，国内采用筒阀的部分水电站及筒阀的主要参数见表1-2。水轮机筒阀在漫湾电站应用成功后，筒阀技术在我国西部山高坡陡的多泥沙河流上得到推广应用，这在水电业防范泥沙方面是一种进步。筒阀作为先进的进水阀，满足调峰快速启闭、阻断水流保护导叶、减少漏水、提高效益等需求。技术性能和经济价值优化的筒阀，在我国水电站装备选型中有着广阔的发展和应用前景。表1-2 国内部分电站筒阀的主要参数序号电站名称台数单机容量(MW)水头(m)外径(mm)壁厚(mm)高度(mm)投运年份1漫 湾52501007450108145019932小浪底63061128390145171019993石 泉24547.55375120148520004大朝山622585.637937120181520015光 照4280164.426590130134020076南 沙3501005860110140520087滩 坑32001276628120120320088小 湾67002518690180137020099瀑布沟36001819348180163020101.3筒阀相关技术现状1.3.1多缸同步控制技术随着液压技术应用日益扩大以及大型设备负载能力增加或因布局的关系，需要多个液压缸同时驱动一个工作部件，多缸同步运动就显得更为突出。多缸同步技术发展到目前为止，主要有机械同步、液压阀同步和电液同步三种具体形式16。机械同步系统采用机械约束构件将多个液压缸的运动硬性连接起来实现同步，具有结构简单、可靠等特点，缺点是结构复杂、系统可控性差、偏载荷不能过大。液压阀同步系统式完全依靠液压控制元件（如同步阀、各类节流阀或调速阀）本身的精度来控制执行元件的同步，一般采用开环控制的形式，具有结构简单、成本低的优点，但它不能消除或抑制影响高精度同步的不利因素，应用在同步控制要求不高的场合。电液同步控制采用各种比例阀、伺服阀或数字阀构成闭环系统，以实现多个液压缸的同步运动。由于电液同步控制对输出量进行检测和反馈，实现对系统的闭环控制，在很大程度上消除或抑制不利因素的影响，可获得很高的同步精度。因此，电液同步控制应用的越来越广泛，人们对电液同步的研究也较多17-19。由于筒阀本体的质量较大，在筒阀启闭过程中需采用多个液压缸（下文称为接力器）共同操作，在启闭过程中要保持筒阀本体的平稳运行，不能产生发卡现象。由于筒阀同步控制系统存在各种因素的影响，往往使多个接力器的运动不同步。因此需采用一定的控制方案来保证多个接力器同步运动。目前，筒阀同步控制广泛采用机械同步和电液同步两种方式。机械同步又包括液压马达驱动和接力器驱动两种方式，如图1-3所示。液压马达驱动采用液压马达输出轴连接丝杠，丝杠丝杠螺母下端与阀体连接，通过丝杠将液压马达的回转运动转化为阀体的上下运动。同时每个液压马达上方安装有同步链轮，作为同步装置，保证每个液压马达同步回转，从而保证阀体的同步运动。接力器驱动将接力器的活塞与连接筒阀本体的提升杆做成一体，？接力器活塞的直线运动，能直接带动筒阀本体上下运动，实现同步控制。机械同步系统具有控制简单、操作方便的特点，但接力器的运行速度不能调节、布置所需空间大、噪声大，机构有待改善。目前，漫湾、大朝山、石泉等电站的筒阀采用该种方式。(a) 液压马达驱动机械同步(b) 接力器驱动机械同步图1-3 筒阀机械同步结构图电液同步由液压系统和电气控制系统构成闭环控制，液压系统采用多个啮合等排量分流马达保证通往每个接力器的油液近似相等；通过电气控制系统采集各个接力器的位移，通过一定的控制方案控制液压系统的调节阀实现对多接力器同步的精确控制。同时，能够通过电液比例换向阀控制筒阀的运动速度。电液同步虽然提高控制设备成本和液压系统结构复杂程度，对系统油液的清洁度要求较高，但具有控制方法灵活、同步精度高、运动速度可控、占地空间小、噪音低等优点，使越来越多的水电站采用该种控制方式，如小浪底、光照、漫湾二期、小湾、南沙、马堵山等水电站。随着计算机技术和数字技术的快速发展，出现了一种新型的数字液压缸并得到广泛的应用。数字液压缸将步进或伺服电机、液压滑阀、闭环位置反馈设计组合在液压缸内部，接通液压油源，通过数字液压缸控制器、计算机或可编程逻辑控制器（PLC）发出的数字脉冲信号来完成液压缸的运动。筒阀同步控制系统中采用数字液压缸后，能够大大的简化液压系统和电气控制系统20，但由于存在数字液压缸价格较高、筒阀和数字缸的安装精度要求高、油液的清洁度要求很高的等要求的局限性，目前主要运用在滩坑3#机改造、锦屏一级、溪洛渡右岸等电站，仅滩坑3#机投入运行21。1.3.2筒阀试验与仿真技术随着筒阀应用于越来越多的水电站，由于缺少相关的标准与经验，筒阀的结构设计大都采用试验与仿真相结合的形式来确定。在试验方面，各筒阀厂家都进行了大量的试验研究。20世纪70、80年代阿尔斯通进行了筒阀模型试验，准确测定了水力负荷。在模型试验中，针对不同筒阀位置和导叶开度，测量了筒阀本体周围压力波动、在筒阀本体在不同位置时的流量、出力和飞逸转速间的关系以及四象限图、筒阀本体的位置和导叶水力矩关系22。我国哈尔滨大电机研究所建立了永久性的水轮机筒阀大尺寸模型结构的试验装置，对液压马达驱动和接力器驱动两种驱动方式及与之相配套的密封结构、导向机构、机械同步保护机构和筒阀控制系统进行了研究，并在350mm模型试验装置上对筒阀的水力性能进行了研究23。漫湾二期24、光照25、瀑布沟26、小湾27等水电站的筒阀阀体的上、下游间隙以及下端面形状都是通过在试验室的能量台上，进行水力试验确定的。在仿真方面，俄罗斯的O.V. Potetenko28学者对水轮机筒阀区的流体运动进行了数学建模；I.S. Veremeenko29和S.D.Kostornoy30两位学者对作用在水轮机筒阀上的水动力进行了分析计算。我国哈尔滨大电机研究所的王燕31运用Ansys对筒阀的刚强度及屈曲进行了分析与研究。本人所在试验室之前有郭春立32、李明33运用计算流体力学数值模拟的方法，对水轮机筒阀的动水关闭过程的动态水力特性，进行了部分研究；宋伟科34采用Matlab对筒阀液压系统进行了数学建模和同步控制策略进行研究；靳光永35运用AMESim软件对水轮机筒阀的电液控制系统进行建模并对同步性能进行了仿真分析。1.4本文主要研究内容水轮机筒阀作为一种新型的进水阀，在我国新建的中高水头的水电站中具有广阔的应用前景。本文针对采用电液同步控制方式的筒阀同步控制系统，为解决接力器负载较难确定和多接力器之间存在相互耦合的难题，采用AMESim与LMS Virtual.Lab软件进行联合仿真的方法，建立筒阀机电液一体化仿真分析模型，分析了筒阀同步系统在开启、关闭和机组飞逸紧急关闭等过程中的相关特性，并重点分析筒阀在动水关闭过程中水动力产生的下拉力和倾覆力矩对系统的影响。全文内容编排如下：第一章，阐述课题的研究背景和意义，介绍水轮机筒阀的国内外现状及筒阀相关技术的发展现状，提出本文的主要研究内容。第二章，在叙述筒阀同步系统的技术要求的基础上，介绍了删除由天津大学研制的筒阀系统的组成和同步控制策略。采用相关动力学理论知识对筒阀机械部分进行了删除理论分析，并分析了删除产生筒阀多个接力器同步误差的原因，为仿真模型的建立奠定基础。第三章，运利用AMESim软件建立筒阀液压系统的模型；，运利用LMS Virtual.Lab建立筒阀机械部分的动力学模型，并对筒阀本体与接力器活塞杆进行了柔性化处理，通过对接口模块的设置，实现两个软件实现共仿真。最后，提出几点联合仿真时应注意的事项。第四章，对筒阀开启、关闭和紧急关闭过程进行了删除仿真，分析了删除缸径误差和接力器内泄漏对以上三个过程的影响，并重点分析了删除动水关闭筒阀时由水动力产生的下拉力和倾覆力矩对筒阀紧急关闭过程的影响，并给出在上述三个过程中同步误差最大时，筒阀本体及活塞杆应力分布图。第五章，通过筒阀电液同步系统在云南红河南沙水电站和马堵山水电站的成功应用，对仿真结果与试验结果进行比较分析，表明仿真模型基本可以反映实际工作情况。第六章，对全文主要研究结论进行汇总，提出今后工作展望。58第二章 水轮机筒阀同步控制系统原理第二章 水轮机筒阀同步控制系统原理2.1引言根据水电站的土建结构以及筒阀作用和结构特点等因素，对筒阀同步控制系统提出了一系列要求。因此，研制一套控制性能良好、同步精度高的筒阀同步控制系统具有重要意义。本章主要介绍由天津大学研制并在云南南沙水电站和马堵山水电站推广应用的筒阀电液同步控制系统。2.2筒阀电液同步控制系统技术要求水轮机筒阀作为一种新型进水阀，具有操作灵活、方便、机构紧凑等优点。根据水电站土建结构和监控系统的布置特点，并结合筒阀的作用及其自身结构特点，对筒阀同步控制系统提出了如下技术要求：(1) 分层布置和集中控制水电站控制设备众多，土建结构多采用分层布置、集中管理的监控方式。中央控制室和各控制柜位于最上层，各种电气、液压系统控制柜与泵站系统在中间层，而液压执行装置如接力器、筒阀等位于最低层。这种布置方式就要求筒阀控制系统也必须分层布置；同时考虑安全、操作方便等因素，要求筒阀控制系统能够满足操作人员在中央控制室进行集中控制和管理，且能实时监测现场的各种重要参数。(2) 同步控制由于筒阀的质量较大（约223t），行程较长（1327mm），在筒阀启闭过程中均由6个均匀布置的接力器带动。在筒阀启闭过程中，必须保持筒阀本体在竖直方向上运动的平稳，不能出现发卡现象。一旦6个接力器的同步误差超过系统设置的发卡报警值，将影响筒阀的正常启闭过程。(3) 速度控制在蜗壳中有水的情况下，筒阀启闭过程始终受到水动力的影响，筒阀本体在启闭过程的不同位置所受的作用力均不相同，同时为了防止筒阀在其行程的始端和末端段产生发卡或撞击相邻部件，因此筒阀处在不同位置时的速度要求也不同。筒阀启闭过程的速度应按一定的速度控制曲线进行控制，保证筒阀启闭过程的安全。(4) 事故关机当水轮机在发电过程中出现飞逸或其他事故需要紧急停机时，筒阀同步控制系统在接到信号后，应能迅速做出反应，迅速地动水关闭筒阀，减少机组所受的损害。(5) 发卡处理在筒阀启闭过程中，6个接力器的同步误差超过系统设定的发卡报警值时，筒阀控制系统能够及时地进行反向调整运动。反向调整后，如果6个接力器的同步误差仍超过发卡报警值，筒阀将停止启闭运动并发出发卡报警信号，以防止筒阀机械卡死。2.3筒阀系统总体方案根据上述筒阀系统的技术要求，设计了一种机械、液压、电气同步控制方式。图2-1所示为筒阀电液同步控制系统的总体构成，该控制方式由电气监控系统和液压系统两部分组成。电气监测控制部分主要由西门子PLC及触摸屏组成的控制柜完成，通过对系统各个参数进行实时监测，通过一定的同步控制算法实现同步控制；同时与中央控制室通过串口通讯线Modbus串行通讯（RS485）进行通讯，实现远程监控。液压控制系统部分采用模块化布置，简化了液压系统结构，同时实现筒阀启闭过程中的速度控制与同步控制的功能。中央控制室位移信号串口通行控制信号压力信号图2-1 筒阀电液同步控制系统的总体构成2.3.1液压系统组成液压控制系统采用模块化布置，主要由泵站系统、控制阀组、分流模块（同步分流马达）和配油模块等组成。筒阀多缸同步系统液压原理图如图2-2所示，该系统主要由控制阀组I、分流模块和配油模块（共6个）三部分组成。1电液比例换向阀；2平衡阀；3单向减压阀；4初始启动电磁阀；5液动阀；6系统安全阀；7液控回路电磁阀；8手动换向阀；9飞逸控制液动阀；10畜能器；11梭阀；12液控单向阀；13同步分流马达；14单向阀；15节流阀；16液控单向阀；17微调球阀；18-粗调球阀；19初始启动回油电磁阀；20安全阀；21压力传感器；22位移传感器；23接力器图2-2 筒阀液压系统原理图36控制阀组主要在筒阀启闭中，对油液进行分配和控制，控制筒阀在启闭过程中的运行速度。平衡阀组2能够防止接力器及其联动的筒阀因自重自由下落或下落时出现速度失控现象，保证液压系统的安全。同时，在水轮机组发出飞逸或事故信号，控制阀组能迅速做出反应，动水关闭筒阀，保证水轮机机组的安全。分流模块由相互啮合的相同规格的6个同步马达组成，主要实现控制管路的油液进行集流和分流的作用，保证进出每个接力器的油量近似相同，实现初步的同步。每个接力器都有一个配油模块与之对应，每个配油模块上有粗调、微调电磁球阀各一个，对进出接力器下腔的油液进行进一步控制，实现筒阀同步控制的精确调整。配油模块的安全阀能够保证接力器上下腔的压力不超过允许值，尤其是在动水关闭时，对接力器下腔起到一定的保护作用。同时，配油模块上还单向阀14和节流阀15等与初始启动相关的阀，能够调整初始启动的速度。2.3.2电气系统组成电气系统主要包括监测系统、控制系统和通讯系统。监测系统主要完成对系统参数的采集与显示，主要有各个接力器位移、各接力器上下腔压力、油泵输出压力、油罐液位和压力等参数；控制系统主要是对监控系统采集的数据进行实时处理，通过一定的控制方案控制液压系统中各个阀的动作以及油泵电机的启停，同时控制筒阀启闭过程的运行速度和同步精度，实现筒阀系统的自动控制；通讯系统主要完成与水电站监控系统的通讯，将筒阀运行过程中的重要参数反馈到中央控制室，实现远程监测，同时接受中央控制室的控制信，实现筒阀系统的远程操作。在控制系统中，最重要的是筒阀的同步控制和速度控制。在筒阀启闭过程采用了一种内环同步控制，外环速度控制的双闭环控制策略，其控制流程如图2-3所示。该控制策略采用“主从控制”方式，通过PLC对各接力器位移的采集，选取位置最低的接力器作为基准，基准接力器的位移和速度作为基准位移和基准速度。由于位置最低的接力器实时变化，因此所选基准也实时变化。其它接力器位移与基准位移作比较，得出每个接力器的同步误差，图2-4显示了选取的基准在不同位置时允许的同步误差值，筒阀开启或关闭都按照此同步误差进行控制。在开启过程，位移s为0表示筒阀在全关位置；在关闭过程，位移s为0表示筒阀在全开位置。如果某个接力器的同步误差大于此时允许同步误差的30%且小于70%时，则该接力器的配油模块的微调电磁球阀动作；当同步误差超过允许同步误差的70%时，粗调电磁球阀动作。经过微调和粗调达到同步调整的目的，进而实现了对多个接力器同步的精确控制。图2-3 筒阀系统控制策略筒阀运行过程中的速度控制曲线如图2-5所示。在接力器行程的始端和末端，筒阀的运动速度小于中间段的运动速度，是为了防止筒阀在其行程的起始段和终止段运动速度过快造成误差过大而发卡或撞击相邻部件。通过基准速度与PLC中理想速度作比较，得出系统的速度误差，速度误差经PID调节形成电液比例换向阀1的控制信号，实现筒阀启闭过程的速度控制。图2-4 允许同步误差曲线图图2-5 速度控制曲线2.4筒阀各种工况工作原理根据筒阀运行的工作情况，所设计的电筒阀液同步系统能够完成筒阀的五种工作情况，分别是初始提升、正常开启、正常关闭、断电关闭、机组飞逸紧急关闭37，这五种工况的工作原理如下：（1）初始启动为了克服水动力，筒阀初始提升时需要较大的提升力。此时油液经换向阀4、单向阀14.1、节流阀15直接进入接力器下腔；接力器上腔油液经初始启动回油电磁阀19直接回油箱。此时，粗调、微调球阀以及同步分流马达不起同步调节作用。提升10mm后，完成初始提升，筒阀和下端密封脱离。（2）正常开启筒阀和下端密封脱离后，进入正常开启阶段。此时换向阀4和19关闭，油液经比例换向阀1、稳压阀2进入同步分流马达13，经分流后，由液控单向阀16进入接力器下腔；接力器上腔油液经过B环管、液控单向阀12.1、单向减压阀3、比例换向阀1流回油箱。同时，微调球阀和粗调球阀开始起作用。（3）正常关闭正常关闭时，比例换向阀1换向，反向供油，油液经减压阀3、液控单向阀12.1进入接力器上腔；同时稳压阀组2通过液动力将自身的平衡阀切换到反向节流状态；液控单向阀16通过液控回路电磁阀7打开，接力器下腔油液经液控单向阀16、同步马达13、稳压阀组2的节流口、比例换向阀1回油箱。（4）断电关闭在断电情况下，操作手动换向阀8，油液经梭阀11.1开启液控单向阀12.2，同时油液经梭阀11.2打开液控单向阀16，接力器下腔油液经液控单向阀16、同步马达13、液控单向阀12.2回油箱。同时开启液动阀4，压力油经液动阀4右位进入接力器上腔，筒阀在压力油作用下快速关闭。（5）机组飞逸紧急关闭当机组过速保护装置发出油压信号时，液动阀9换向，油液经梭阀11.1开启液控单向阀12.2，同时油液经梭阀11.2打开液动单向阀16，接力器下腔油液经液控单向阀16、同步马达13、液控单向阀12.2回油箱；液动阀9的动作同时打开液控阀5，此时压力油经5进入接力器上腔，接力器在压力油的作用下关闭筒阀。2.5筒阀相关理论分析为了对筒阀机电液系统进行建模仿真，首先需要在理论上对筒阀本体的动力学模型进行分析，通过理论模型确定各构件的模型参数，便于进行仿真分析与验证模型的正确性。同时在理论模型上，结合筒阀液压系统与机械结构的特征，分析分析产生筒阀同步误差的原因，在仿真时给予考虑。此外，通过参照筒阀水动力仿真分析的结果，确定筒阀在动水关闭时所受的水动力。2.5.1筒阀本体动力学分析筒阀在启闭过程中，采用六个接力器协同驱动，其结构简图如图2-6所示。图中C点为筒阀本体的质心，x斜体轴为过质心C且垂直于接力器活塞杆的轴线，y轴为过C点且接力器活塞杆和x轴垂直的轴线，z轴为过筒阀质心且竖直向下的轴线，模型的主要参数见表2-1。由于各接力器之间的安装间距要远大于各缸之间的同步偏差，并且竖直方向的运动同步是主要考虑的问题，从而可以做出以下约定：（1）筒阀本体主要在沿z轴方向运动，沿x轴和y轴方向的平动忽略不计。在产生同步误差时，筒阀本体可绕x轴和y轴转动，不存在绕z轴转动的自由度，可将其视为柔性体；（2）每个接力器活塞杆与z轴平行，不能沿x轴和y轴移动，且只有沿z轴的自由度，同时接力器活塞不在缸筒内转动；（3）由于各接力器活塞杆与筒阀本体之间连接部分面积要远小于筒阀本体上端面面积，考虑以上两条的约定，各接力器活塞杆与筒阀本体之间的固定连接可近似看成点接触，同时各接力器对筒阀本体输出的作用力fi (i = 1，6)与z轴的夹角近似为0；图2-6 筒阀机械结构理论分析模型表2-1 筒阀机械结构模型主要参数编号符号参数名称参数值单位1(P1x,P1y)接力器1中心线在xoy平面投影坐标(2.867,0)m2(P2x,P2y)接力器2中心线在xoy平面投影坐标(1.433,2.483)m3(P3x,P3y)接力器3中心线在xoy平面投影坐标(-1.433,2.483)m4(P4x,P4y)接力器4中心线在xoy平面投影坐标(-2.867,0)m5(P5x,P5y)接力器5中心线在xoy平面投影坐标(-1.433,-2.483)m6(P6x,P6y)接力器6中心线在xoy平面投影坐标(1.433,-2.483)m7M筒阀本体质量22050Kg8Jx筒阀本体对x轴的转动惯量9.4803104Kgm29Jy筒阀本体对y轴的转动惯量9.4803104Kgm210m活塞杆质量273.6Kg根据理论力学的知识，在筒阀本体沿z轴方向的运动采用牛顿第二定律；在筒阀本体绕x轴和y轴运动可近似采用刚体定轴转动定律，得到如下动力学方程：（2-1)式中s筒阀本体质心沿z轴的位移，其值可近似等于6个接力器位移的平均值；PixPi点的x轴坐标分量；PiyPi点的y轴坐标分量；Jx筒阀本体对x轴的转动惯量；Jy筒阀本体对y轴的转动惯量；x筒阀本体绕x轴的转角；y筒阀本体绕y轴的转角；Fz筒阀本体所受的下拉力，与筒阀在z轴的位移有关；Mx筒阀本体所受的绕x轴的倾覆力矩，与筒阀在z轴方向的位移s有关；My筒阀本体所受的绕y轴的倾覆力矩，与筒阀在z轴方向的位移s有关。筒阀绕x轴的转角x和y轴y，可近似由下式得到：（2-2）同时，以各个接力器活塞杆为研究对象，运用牛顿第二定律可以得到活塞杆在竖直方向的运动方程：（2-3）式中PiL 第i个接力器的负载压力；Ai1 第i个接力器的无杆腔面积；Ai2 第i个接力器的有杆腔面积；fi 第i个接力器对筒阀本体的作用力；mi 第i个接力器的活塞杆质量；Bpi 第i个接力器的阻尼系数；zi 第i个接力器活塞杆与筒阀本体接触点的位置，其零点的选取与相同。由式（2-2）可得，在测得各接力器位移以及上下腔的压力值后，便可通过下式得到每个接力器对筒阀本体的作用力fi：（2-4）2.5.2同步误差产生原因分析参考文献16，多液压缸产生同步误差的根本原因是各个同步子通道的系统性能受系统非线性、参数不确定性以及扰动的影响。具体到筒阀同步控制系统并根据现场调试碰到的实际情况，造成筒阀同步误差的原因可归纳为机械原因和电气两个方面。在现场调试时，可能是某个原因或者是由多个原因造成筒阀不同步，要根据具体情况具体分析。机械部分包括液压系统、筒阀本体和接力器等方面，主要是由以下几个方面的原因38-39：（1）筒阀外形超差为了筒阀本体运输方便，制造时为分为两瓣，运到现场两部分再利用销钉定位通过螺栓连接在一起，最后在连接处拼焊而成。因其本体尺寸较大，刚度较差，现场连接时如变形过大，将会导致筒阀水平度超差；同时，在筒阀与接力器的装配以及接力器与顶盖装配中，如装配质量控制不严也会出现筒阀水平度超差，导致筒阀在运行起始阶段因为接力器位移偏差超过允许值，产生发卡信号。在现场调试时，这方面的误差能够通过PLC对每个接力器的初始位置进行设置，通过软件进行补偿，进而达到消除同步误差的目的。从实测情况来看，筒阀的外形偏差不是其产生发卡现象的主要原因。（2）机械连接处松动在筒阀接力器与本体的装配过程中，由于存在连接螺母预紧力不够以及垫片厚度存在偏差等原因，在进行筒阀启闭操作时在其