概述
定义：
设置在固定导叶与活动导叶间、呈圆筒状、可沿轴向上下升降的阀门。全开时阀体提升至水轮机顶盖上。圆筒阀可以替代蝴蝶阀和球阀兼做机组的事故保护阀，一定程度上可以作为机组的检修阀门，可以部分地取代进口快速闸门的作用，其对多泥沙河流，调频调峰电站机组的保护及较高的性能价格比，已经受到了水电行业广泛的重视。
圆筒阀除可减轻水轮机导水机构的停机间隙空蚀和磨损，延长水轮机大修周期，提高机组启动的速动性、运行的灵活性和可靠性外，还可减少导水叶漏水造成的电能损失。
作用：
圆筒阀布置在水轮机活动导叶与座环固定导叶之间。在机组停机时，筒阀处于关闭状态，筒阀阀体下落处于座环固定导叶与活动导叶之间，上端紧压布置在顶盖上的密封条，下端紧压布置在座环上的密封条，从而达到截流止水的作用。在机组要开启时，首先开启筒阀，将筒阀阀体提升到座环上环与顶盖形成的空腔内，阀体底面与顶盖下端面齐平，不干扰水流流动。在正常开机工况下，先开启筒阀，然后开启活动导叶；在正常关机工况下，先关闭导叶，然后关闭筒阀。在机组出现事故情况下，筒阀可以实现动水自关闭。
技术原理
圆筒阀自动化控制系统在现地和中控室均可实现对圆筒阀的手动和自动开启及关闭，通过人机界面可对圆筒阀机械液压自动化控制系统的各运行工况进行设置，并对系统出现的故障采用时时报警的工作方式传送给上位机，从根本上解决了系统故障人工监控难，监测难的问题。此外，圆筒阀还设有同步控制装置，可保证六个接力器同步工作，启闭时不产生卡涩现象。圆筒阀的同步控制系统采用了电液同步的方式，由电气控制部分和机械液压控制部分共同完成。圆筒阀的电气控制部分主要包括筒阀位置测量系统和PLC(可编程控制器)。圆筒阀液压控制部分主要包括一套控制阀组模块、6个液压马达，6个调节模块。
（1）位置测量系统
位置测量系统由布置于圆筒阀接力器中的位移传感器提供绝对位置测量。测量系统提供0．15 mm的分辨率以及6个输出通道来传送取决于接力器行程的位移量。0．15 mm的分辨率意味着每1 mm的位移可分为6个点测量，接力器行程为1180 mm，可由7080个点代表，PLC数据处理器为16位，从接力器位移传感器的位移信号经同步调节器连续输入PLC。
（2）PLC(可编程控制器)
PLC是同步系统的核心部件，在PLC内部设定了与圆筒阀接力器行程相关的允许位置偏差曲线，如图2所示。
图中横坐标为接力器行程；纵坐标为允许偏差，单位为mm。由图可看出，允许偏差在不同阶段是不同的，在接力器移动的两个端部即(0—300 mm)和(900～1180mm)之间允许偏差(1—10mm)小于行程中段的允许偏差(10mm)。偏差为任意两个接力器位置之间的位移差值。
为了防止圆筒阀在其行程的起始段和终止段运动速度过快，PLC中还设定了圆筒阀的开启和关闭速度曲线，如图3所示。其形状与位置偏差曲线一致。筒阀的运动速度为接力器位移的函数，在接力器行程的起始段和终止段，筒阀的运动速度远小于中间段的运动速度。在筒阀运动过程中，PLC按照这个速度曲线向速度控制阀发出调节信号，控制筒阀的运动速度。
（3）圆筒阀同步控制的动作原理
在筒阀上升过程中，每个接力器顶端的磁滞传感器实时地将接力器的位置信号反馈至PLC，由PLC不断地比较6个接力器的位置读数，确定活塞水平位置最低的接力器的位置作为基准位置(下降过程中也如此)。然后分别将其他接力器的位置与之相比较，差值再与允许偏差曲线相比较，若某个接力器的位置偏差超过允许偏差的30％时，微调电磁阀励磁，将该接力器下腔的油适量排入回油箱；当位置偏差超过允许偏差的70％时，粗调电磁阀励磁，将该接力器下腔更多的油排入回油箱。通过排油，使得该接力器上升速度减缓，与其他接力器运动速度渐趋一致，从而保证6个接力器上升过程中的同步。筒阀下降过程中的电气同步原理与此相同。筒阀在运动过程中，一旦某个接力器的位置偏差超过了允许偏差，筒阀控制系统将发出指令，停止其原方向的运动，使筒阀向相反的方向运动，以消除发卡现象。若发卡现象消失，筒阀将继续按原始方向运动，若发卡现象未消失，筒阀将向相反方向再运动。若发卡现象消除，筒阀将继续按原始方向运动，若发卡现象仍未消除，筒阀将停止运动，同时发出发卡报警信号。圆筒阀液压控制原理见图4。
国内发展和应用现状
从水轮机设置圆筒阀在漫湾电站1993年由此应用取得成功后，国内小浪底、石泉扩机、大朝山等电站相继使用了圆筒阀并已先后投入运行。在我国的水轮发电机组中，常用的进水阀包括蝶阀、球阀和圆筒阀等。其中，蝶阀主要应用在低水头水轮机机组中，球阀主要应用在高水头水轮机机组中，圆筒阀主要应用在大型水轮机机组中。蝶阀和球阀的制造加工技术在我国比较成熟，圆筒阀的制造加工技术在我国刚刚起步，还不成熟。国内第一台圆筒阀于1993年6月在漫湾水电站投入运行。至今为止，国内外已安装了80多台圆筒阀。近几年来，国内一些大型水电站也纷纷采用圆筒阀，圆筒阀的应用情况见表1。
国内外几个巨型圆筒阀制造难度对比见表2。
国外发展和应用现状
过去, 为防止水轮发电机组的飞逸, 主要是采用在进水口装设快速闸门或涡壳进口装设蝴蝶阀（或球形阀）近年来, 随着水轮机闸门设计、制造和运行技术的发展, 法国和加拿大的有关厂家先后研制成功了水轮机圆筒阀, 它是布置在水轮机固定导叶和活动导叶之间的圆筒形阀门。
据国外资料报导, 圆筒阀首先由法国奈尔皮克公司于1947年取得专利权。第一批圆筒阀1962年用于法国的蒙蒂纳尔德水电站, 其水头为127m，安装4台单机容量8.3万kW的水轮发电机组。当时采用圆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, 而不是为截断流往水轮机的水流。这批圆筒阀的内径为3410mm壁厚为75mm，高为980mm。
另据报导, 法国1965年投产的太里特·阿坚堤水电站, 其水头为41.7m, 单机容量1.64万kW, 也采用了圆筒阀。这台圆筒阀是为阻截机组最大流量而设计的, 其内径为3350mm，璧厚30mm，用三个垂直油缸操作。在运行初期, 曾发生过卡阀现象, 后经对操作装置进行改造, 并更换了三个同步油缸, 才消除圆筒阀启闭过程中的各种故障。此外, 法国电力公司还在比谢尔夫、蒙特-拉龙、山特·焦尔吉和太齐等水电站采用了圆筒阀。在此期间, 加拿大的奥太特三级和马尼克三级水电站也采用了圆筒阀。
1979年以后, 国外采用圆筒阀的水电站及有关参数列于下表。截至目前, 国外采用最大尺寸的圆筒阀的工程是加拿大的拉哥朗德二级水电站。该水电站的设计水头为137.2m，共安装16台单机容量33.85万kW的机组, 其中有8台机组设置了圆筒阀, 第一台机组于1979年发电。拉哥朗德二级水电站圆筒阀的重量为35000kg, 用低碳钢板卷制而成, 详见图1。根据运输条件的限制, 圆筒阀在厂家分两半制造, 运到现场后焊成整体。该圆筒阀在上、下水封和与固定导叶相对应的部位堆焊了一层不锈钢层。安装在水轮机座环和固定导叶尾端几
的青铜导向板, 是根据圆筒阀本身的形状加工制造的, 以保证准确地导向。此外, 根据原有圆筒阀的实际运行经验, 由于圆筒阀的动作机率不高, 并长期隐蔽在顶盖上部的沟槽中, 而此空间又处于低速回流区, 易使圆筒阀表面发生腐蚀。为此, 拉格朗德二级水电站的圆筒阀表面热喷一层0.1mm厚的铝防护层。
供应商信息
法国奈尔匹克公司
东方电机股份有限公司
哈尔滨电机厂有限责任公司
经典案例
贵州光照水电站圆筒阀控制系统
1引言
光照水电站位于贵州省关岭县与晴隆县交界的北盘江中游。电站安装4 台单机容量为265.3 MW 的混流式水轮机，额定水头135.00 m，额定转速166.7 r/min。进水阀采用的是目前国内较为少用的圆筒阀装置。
圆筒阀是作为导水机构内的切断装置和紧急关机装置，由圆筒阀体、操作控制系统和油压装置组成，关闭时，位于固定导叶和活动导叶之间，开启时位于顶盖和座环之间的空腔内。
圆筒阀机械液压自动化控制系统采用了电液同步方式，能实现对现地及远方圆筒阀的手动、自动开启和关闭，具有动水关闭和机组过速联动关闭圆筒阀功能。通过人机界面可对圆筒阀各运行工况进行设置，控制圆筒阀开启和关闭的运行速度。对系统出现的故障采用时时报警的工作方式传送给上位机。从根本上解决了系统故障人工监控难、监测难的问题，控制系统操作方便、运行可靠。
2圆筒阀控制系统的结构和功能
圆筒阀控制系统由电气控制部分和机械液压执行部分组成；电气控制部分包括位置测量单元和圆筒阀液压控制屏。机械液压部分包括速度控制单元、等量分液泵、运行平衡调节模块。
2.1位置测量单元
位移变送器和同步调节器组成的圆筒阀位置测量单元，通过位置测量单元，由布置在圆筒阀接力器内部的位移传感器S/M，提供位置测量。测量单元提供0.02 mm的分辨率以及6 个输出通道来传送取决于接力器行程的位移量。0.02 mm的分辨率意味着每1 mm的位移可分为50 个点测量，接力器行程为1180 mm，可由59000 个点代表，PLC 数据处理器为16 位（216=65536），从接力器位移传感器的位移信号经同步调节器连续输入PLC。
2.2圆筒阀液压控制屏
包括双路冗于电源，同步数据调节器，系统信息处理控制单元PLC，人机对话触摸屏。
圆筒阀控制系统采用双电源供电，当1 路电源出现故障时，自动切换到另1 路电源供电，确保系统正常工作。PLC 是控制系统的核心部件，PLC 对输入到内存储器的数据和信息进行分析、处理，然后发出控制信号，控制系统完成各工况的工作流程。通过人机界面可以对圆筒阀运行参数进行设置和修改。
在PLC 内部设定了与圆筒阀接力器行程相关的允许位置偏差曲线，如图2 所示。图中横坐标为接力器行程，纵坐标为允许误差，单位为mm。由2 图可以看出，允许误差在不同阶段是不同的，在接力器移动的两个端部，即0～300 mm 和900～1180 mm 之间，允许误差（1～8 mm）小于行程中段的允许误差（8～1mm）。误差为任意一接力器位置之间的位移差值。
2.3圆筒阀运行速度调节模块
用来控制圆筒阀运行速度，防止圆筒阀在其行程的起始段和终止段运行速度过快，撞击顶盖或座环，同时控制圆筒阀开启时间和关闭时间，在PLC 中设定了圆筒阀的开启和关闭速度曲线，如图3 所示。其形状与位置偏差曲线一致。圆筒阀的运行速度为接力器位移的函数，在接力器行程的起始段和终止段，圆筒阀的运行速度远小于中间段的运行速度。在圆筒阀运行过程中，PLC 按照这个速度曲线向速度调节模块发出调节信号，控制圆筒阀的运行速度。
2.4等量分液泵和运行平衡调节模块
该液压控制单元是控制圆筒阀平衡运行的主要部件，保证6 个接力器都能等距离的移动。在任1 个接力器丢步的情况下都能进行调节。保证6 个接力器在同步状态下运行。
3圆筒阀控制系统工作原理
3.1圆筒阀开启（见图4）
控制系统接到启动命令后，圆筒阀即按设定的操作程序自动开启。
比例伺服阀6DF 接到电信号后向右端移动，压力油通过等量分液泵经平衡调节模块给六个接力器下腔注入压力油、上腔接通回油，接力器逐渐向上移动，PLC 根据运行速度反馈回来的信号控制提升速度。开启圆筒阀至全开位置。此时圆筒阀全开位置行程开关动作，开启圆筒阀过程结束。
3.2圆筒阀关闭(见图4）
控制系统接收到关闭命令后，比例伺服阀6DF 接到电信号后向左端移动。接力器下腔油经分液泵WO、比例伺服阀6DF 等元件排回油箱。 PLC 根据运行速度反馈回来的信号控制下落速度。关闭圆筒阀至全关位置。圆筒阀全关位置行程开关动作，继续关闭圆筒阀延时5 s 后关闭圆筒阀过程结束。
3.3圆筒阀运行同步调节(见图4）
开启过程中，当某个接力器上升速度过快，位置测量单元将测出的具体数据传输到PLC 中，设定允许偏差为8 mm，当接力器位移高出基准接力器2.4 mm时，微调电磁阀1DF 将励磁，部分压力油将由电磁阀分流排至油槽，以降低该接力器的上升速度，如果分流量有限，圆筒阀上升速度仍然很快，一旦位移偏差达到5.6 mm，则粗调电磁阀2DF 将励磁加大压力油的分流量，直至该接力器位置偏差满足要求为止。同步后电磁阀失磁复位。
关闭过程与开启过程类似，一旦某个接力器下降过慢，也将根据偏差量分别励磁，加快该接力器下腔油的排泄速度，使该接力器赶上其他接力器以保持同步。
3.4圆筒阀运行发卡处理(见图4）
圆筒阀在运行过程中，一旦某个接力器的位置偏差超过了允许偏差，圆筒阀控制系统将发出指令，停止其原方向的运动，使圆筒阀向相反的方向运行，同时进行同步调节，以消除发卡现象。圆筒阀达到同步后，将继续按原始方向运动，若发卡现象在同一个接力器，同一个位置出现三次发卡，圆筒阀将停止运动，同时发出发卡报警信号。
3.5圆筒阀自重关闭(见附图4）
当圆筒阀控制系统电源和油源压力消失的情况下：可用手动打开油路阀门，靠圆筒阀体自重关闭圆筒阀。首先，关闭手动球阀S1，S2，然后，再打开手动球阀S3，S4，用S3 手动球阀的开口大小可以控制圆筒阀运行速度。
4结语
圆筒阀是一种新的水轮机进水阀门。哈尔滨电机厂有限责任公司首次研制成功后，获得国内专家的好评，赢得用户的认可。在技术上填补了公司圆筒阀控制系统的空白，为同类水轮机在市场竞争中打下了良好的基础。
参考文献
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