泄水低孔弧門液壓啟閉機設計

周 兵，李樹剛

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林省長春市 130021）

1 概述

大藤峽水利樞紐是國務院批準的《珠江流域綜合利用規(guī)劃》確定的流域防洪關鍵性工程，也是紅水河水電基地的重要組成部分。本工程的開發(fā)任務為防洪、航運、發(fā)電、補水壓咸、灌溉等綜合利用，由黔江主壩、黔江副壩和南木江副壩組成。電站裝機容量1600MW。

工程主要由泄水系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、通航系統(tǒng)及過魚系統(tǒng)等組成。泄水系統(tǒng)26孔泄水閘布置在主河床中部，泄水閘共設2個高孔和24個低孔，布置在碾壓混凝土縱向圍堰壩段兩側，縱向圍堰右側布置1個高孔和4個低孔，左側布置1個高孔和20個低孔。高孔采用開敞式溢流，堰頂高程36.00m，單孔凈寬14.00m。低孔堰頂高程22.00m，孔口尺寸為9.00m×18.00m（寬×高）。高、低孔工作閘門均為弧形閘門，采用液壓啟閉機操作，工作閘門前布置事故閘門，采用壩頂門機操作。

泄水低孔弧形工作閘門液壓啟閉機，是至今為止國內外容量最大的弧形工作閘門液壓啟閉機，其型號為QHLY-2×6300-13.0，容量為2×6300kN，工作行程13.0m，最大行程13.3m。啟閉機采用現地控制和中央集中控制，1個液壓泵站配置1套現地電控系統(tǒng)，現地電控系統(tǒng)預留遠程控制接口。無論處于何種控制方式下，啟閉機均可操作弧門全程或局部開啟?，F地及遠方控制系統(tǒng)均能實現對弧形工作閘門的啟閉操作。

2 布置及組成

泄洪低孔弧形工作閘門液壓啟閉機液壓缸布置在弧門下游孔口與弧門相匹配位置，液壓泵站均布置在位于相應閘墩64.00m高程上的啟閉機室內，泵站（液壓系統(tǒng)）通過管路與缸體連接。啟閉機總體采用一門一機一站布置，型式為雙吊點后拉斜吊式。QHLY-2×6300kN液壓啟閉機可對泄水低孔弧形閘門在動水中進行全行程及局部開度的啟閉操作。每一臺（套）液壓啟閉機由2套油缸總成、1套系統(tǒng)總成（系統(tǒng)實物表現為液壓泵站）、2套支鉸埋件及附件、1套電力拖動和控制系統(tǒng)組成。缸體總成包括缸體、陶瓷涂層活塞桿（自帶行程檢測裝置）、組合活塞、上下吊頭、上下端蓋、關節(jié)軸承、密封系統(tǒng)、導向系統(tǒng)、連接緊固件等；系統(tǒng)總成（泵站）包括2套“油泵—電機組”、油箱、主控制閥組、缸旁保壓安全閥塊、內管道及系統(tǒng)壓力、溫度、油位等檢測系統(tǒng)；支鉸埋件包括尾部支鉸座、聯(lián)門軸及軸端擋板和緊固件；電力拖動系統(tǒng)包括0.4kV現地啟動屏（包含軟啟動器）以及設備之間的連接電纜；控制系統(tǒng)包括現地控制屏及內部連接用電纜，屏內含可編程控制器、按鈕、信號燈、各種I/O及通信模件、整流電源和運行需要的其他輔助設備（見圖1）。

圖1 主壩低孔金屬結構設備布置圖

3 結構設計

液壓機缸體采用45號鋼無縫鋼管制造加工，陶瓷活塞桿基體、活塞、上下吊頭、上下端蓋均采用45號鍛鋼制造加工，按Ⅰ類鍛件進行驗收?；钊麠U采用表面金屬氧化陶瓷涂層的陶瓷活塞桿，表面金屬氧化陶瓷層的噴涂工藝按DIN德國工業(yè)標準執(zhí)行。

金屬陶瓷有其獨特的技術特性，整套工藝的先進性在于與采用等離子噴涂合金底層和陶瓷層不同，該生產工藝采用超音速噴合金底層，等離子噴涂陶瓷層，其效果是底層致密度更高，能達到99%以上，其防水、防腐的效果更佳；由于其技術原理是利用高溫、高速和高焓的焰流來熔融金屬陶瓷粉末而獲得高質量復合涂層，且涂層與基體材料的結合方式是以機械鉚合或半冶金結合的方式存在的，涂層與基體材料有更強的結合力；活塞桿陶瓷涂層具備可修復性，在陶瓷活塞桿的使用過程中，由各種原因造成陶瓷桿表面小面積損壞，可以使用國外先進的陶瓷涂層修復技術，在現場不需要拆卸油缸的情況下進行現場修復；噴涂材料采用Metco公司產品，所有的噴涂過程都是采用ABB機械手進行操作，能有效地控制在噴涂過程中，活塞桿撓度對噴涂距離的影響，避免人為的操作誤差，保證涂層的均勻性。

液壓啟閉機的行程檢測一直以來都是困擾設計者的難題，此液壓啟閉機行程檢測裝置采用集成于陶瓷活塞桿的位移測量系統(tǒng)CIMSmart。CIMSmart行程檢測裝置性能可靠、穩(wěn)定，基于工業(yè)4.0的智能化控制理念在這個產品上也得到了充分的體現，可滿足智能電廠對相關設備的智能化要求。CIMS工作原理是在一個永久磁鐵和帶溝槽的鍍陶瓷活塞桿之間形成了磁場，在磁場的兩個半塊橋形電阻元件產生正弦和余弦信號，作為共振脈沖輸入，該脈沖為正增值計數。作為長距離信號傳送這些脈沖被轉變成RS422A差動脈動輸出。通過合適的電纜連接、屏蔽、阻抗及計數設備，最終產生了簡單、高質量、精確及可信的位移測量系統(tǒng)。利用App軟件，可以實時地采集設備運行數據和遠程在線監(jiān)控，也可以調取以往歷史數據，通過對設備的基本參數信息進行分析，從而實現對油缸運行維護周期和密封件失效的周期進行有效管理。CIMSmart布置在油缸端蓋處，采用直出電纜形式，將信號直接傳送到現地控制柜PLC，沒有中間轉接環(huán)節(jié)，信號更穩(wěn)定，防護等級為IP68。布置在不銹鋼罩盒內的CIMS傳感器和電器，集成于液壓缸缸頭內，不帶任何移動式機械部件，不受諸如污染、水和冰等外界環(huán)境的干擾，適用于任意長度，測量精度達±1mm。由于CIMS傳感器設計在液壓缸下蓋活塞桿密封后面，處于壓力區(qū)之外，因此可以完全抵抗所有的環(huán)境沖擊，同時這也使傳感器易于維護、保養(yǎng)，并且可以提供豐富的測量方法。

除了行程檢測裝置，本工程還設置了一套上下極限位置保護裝置。當閘門處于上極限位或下極限位時，均可將其位置信號送到PLC中。PLC處理這些位置信號，實現閘門極限位置保護的控制。保護裝置由感應針、感應支架、接近開關組成。

活塞桿拉彎計算由于其邊界條件模糊，難以確定，修訂的規(guī)范盡管將安全系數已經降低，但較國外同類型設備還是略高，給非垂直布置活塞桿計算帶來了一定的難度。該液壓啟閉機活塞桿長度達到了14.884m，直徑φ360mm，屬細長桿，在進行活塞桿強度計算時，為消除減弱液壓缸（含液壓油）及活塞桿自身重量對活塞桿的彎曲產生不利影響，故液壓啟閉機設置有防撓裝置，用于限制液壓啟閉機缸體（包括活塞桿）在弧形閘門全關位置時的撓度。

4 液壓系統(tǒng)設計

液壓啟閉機通過其液壓系統(tǒng)實現其操作功能，不同類型閘門采用不同的經典系統(tǒng)及其合適的集成回路（根據不同供應商的生產特點系統(tǒng)會有微小的差異），該液壓機采用雙比例閥同步控制系統(tǒng)，一控一設計，即一套液壓系統(tǒng)控制2只液壓缸同步運行。該系統(tǒng)具有閘門開啟、關閉功能，可從全關全開或全關全開之間任意位置開始運行操作，通過行程檢測裝置的控制液壓機可在任意位置自動停機，運行速度由泵的流量設定；具有閘門自動復位功能，因液壓系統(tǒng)內泄漏，閘門自開啟位置下滑100mm時，行程控制裝置指令液壓泵電動機組啟動，將閘門提升恢復原位，若閘門繼續(xù)下滑至200mm，行程控制裝置指令備用液壓泵電動機組啟動，將閘門提升恢復原位，同時發(fā)出聲光報警信號。以上數值可根據現場調試情況修訂；具有閘門同步功能，在閘門啟閉過程中，閘門開度及行程控制裝置全程連續(xù)檢測兩只液壓缸的行程偏差大于設計值時，開始糾偏、報警或停機。該液壓系統(tǒng)的功能還包括液壓電機泵組空載啟動、備用泵組自動投切、超壓和欠壓保護、行程極限保護以及油箱液位超高和超低報警、油溫超高和超低報警、濾油器堵塞報警、泵組故障報警等信號。

5 電氣控制設計

每套液壓啟閉機現地控制屏包括可編程控制器、按鈕、信號燈、各種I/O及通信模件、整流電源和運行需要的其他輔助設備。其電氣結構是標準模件結構，全部模件均為固態(tài)插入式標準化結構組件?？删幊炭刂破魍ㄟ^數據總線聯(lián)網，與LCU通信。

閘門控制總體要求包括開啟閘門、關閉閘門、雙缸同步、閘門自動恢復、液壓系統(tǒng)保護等。主要控制方式有：現地手動控制、現地自動控制、遠方自動控制。

現地手動控制，主要用于閘門安裝檢修調試或閘門應急控制?！艾F地”位置時，可手動操作現地控制柜上按鈕，手動分步完成閘門的啟閉；現地自動控制，主要用于閘門正?，F地運行，“自動”位置時，現地控制柜在一個操作命令作用下，連續(xù)自動地完成閘門的啟閉；遠方自動控制，主要用于閘門的遠方集中控制?！斑h方”位置時，則接受計算機監(jiān)控系統(tǒng)的控制信號，實現遠方控制閘門的啟閉。在閘控管理室可實現遠程集中監(jiān)視與控制。按無人值守的原則，以IEC 61850通信規(guī)約實現與計算機監(jiān)控系統(tǒng)無縫集成，實現所有閘門遠程集中監(jiān)視與控制?？刂苾?yōu)先級依次為：現地手動控制優(yōu)先級最高、其次為現地自動控制、遠方自動控制優(yōu)先級別最低。

通過控制系統(tǒng)配置實現其基本控制功能。每組液壓泵站設一面控制屏，采用常規(guī)繼電器及可編程控制器（PLC）控制。閘門控制系統(tǒng)包括可編程控制器（PLC）、控制電源裝置、儀表、信號燈、控制按鈕、控制開關、繼電器等。通過控制配電系統(tǒng)的軟啟動設備及液壓泵站電磁閥等自動化元件，實現閘門的開啟、關閉及故障停機保護。

控制盤提供足夠數量中間繼電器，電磁式、額定工作電壓AC220V和DC24V，接點數量除了滿足控制要求外，每個繼電器留有2對備用接點。繼電器符合IEEE、ANSI和IEC的有關規(guī)定。電源電壓在規(guī)定的廠用交、直流電源及其變化范圍內，繼電器能正常工作。接點容量在直流220V感性負荷時，斷開容量不小于50W，長期允許電流不小于5A。出口中間繼電器動作電壓不低于45%額定電壓，但不高于70%額定電壓，返回電壓應不小于額定電壓的5%；直流出口回路一點接地時，繼電器不得誤動。中間繼電器在額定工作條件下動作時間應不大于40ms（除非有特殊的時間要求）。

每套控制系統(tǒng)采用可編程序控制器（PLC）進行控制。

液壓啟閉機現地LCU單元通信采用工業(yè)以太網TCP/IP標準協(xié)議，采用光纖通信接口，接受啟/?？刂疲l門開度給定；并上傳所有狀態(tài)位置信號和故障報警信號，包括閘門全開、全關位置信號、電動機運行信號、電動機故障信號、電源故障信號、油泵啟動信號、油壓信號、油位信號、油壓裝置報警信號、閘門荷載信號、閘門開度信號、閘門開關次數信號等。另外還應提供一個串行通信接口或USB編程口與現場調試設備進行通信。

現地控制系統(tǒng)能自動完成閘門下滑復位的運行，實時顯示運行方式、閘門左右吊點開度、系統(tǒng)狀態(tài)信息和故障信息。對液壓系統(tǒng)的油壓、油位、油溫、油路堵塞的故障、電動機故障、動力電源故障及系統(tǒng)工作電源故障，可實時報警和自動處理。

現地LCU單元可控制啟閉機的開/關/停液壓系統(tǒng)電磁閥操作；故障監(jiān)視、保護聯(lián)動、記錄、報警及正常運行的控制；檢驗操作條件；單元自檢功能；與集控室的通信；數據的采集、處理和累計。

數據采集與處理模塊采用TCP/IP協(xié)議接口與自控系統(tǒng)通信。

弧形工作閘門開度應采用16位BCD碼并行輸入至閘門控制設備的數據采集模塊，應由一個模塊完成閘門開度的數據采集與處理?；⌒喂ぷ鏖l門開度的測量精度應能達到毫米級，測量范圍應從0%開度到110%開度。

開關量采集和處理：類型分為中斷和非中斷開關量。定時檢查全部開關量狀態(tài)，變態(tài)檢測時間不大于30ms。檢出變位，更新數據庫。對重要的保護信號等需要快速響應的開關量變位采用中斷方式立即響應。事故前對變位發(fā)生時間先后次序進行事件順序記錄，且應有足夠的事件分辨率。

在現地控制屏有閘門開度的連續(xù)數字顯示。閘門開度儀等設備還具有4～20mA的模擬量輸出接口，并將模擬量輸出至啟閉機控制系統(tǒng)PLC。

閘門開度檢測裝置故障或檢測精度超過規(guī)定值時，應發(fā)出報警信號。閘門全開、全關及閘門行程等位置開關除內部控制外對外提供不少于三副獨立轉換接點。接點容量在直流220V感性負荷時，斷開容量不小于50W，長期允許電流不小于5A。位置開關應裝在一個防水的密閉外殼里。直接與閘門連接，其防護等級應為IP57。

啟閉機控制系統(tǒng)PLC至少提供2個光纖數字通信接口，用于與電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)進行通信，通信采用現場總線技術，通信介質采用光纜。啟閉機控制系統(tǒng)提供的該側的通信接口、光電轉換裝置和通信協(xié)議轉換器等設備，滿足計算機監(jiān)控系統(tǒng)對通信接口及通信協(xié)議等的要求?？刂泼詈褪鹿市盘柾ㄟ^硬布線I/O直接接入電站計算機監(jiān)控系統(tǒng)的LCU。啟閉機控制系統(tǒng)設有完善的自檢功能。

6 輔助設計

從安全運行角度考慮，工程泄洪系統(tǒng)啟閉設備配置可靠電源及備用電源的情況下，還配備應急操作裝置。該液壓啟閉機應急操作裝置通過軟管及液壓快速接頭接入液壓啟閉機油箱及管路系統(tǒng)中，工作時與液壓啟閉機的液壓控制系統(tǒng)斷開而獨立工作。液壓啟閉機油箱上需增設吸油管及快速接頭為液壓啟閉機應急操作裝置供油。液壓啟閉機油箱回油管上應設三通、球閥及快速接頭。同時，在液壓啟閉機有桿腔、無桿腔、控制管路上均應設有球閥及快速接頭。20孔配備2臺（套）應急操作裝置。

液壓啟閉機實時在線監(jiān)控系統(tǒng)實時自動監(jiān)測、監(jiān)控液壓啟閉機的運行數據，并通過信息傳輸與處理，可實現對液壓啟閉機運行狀態(tài)的實時監(jiān)測、提前判斷出基礎故障和機械部分早期故障等。在決策系統(tǒng)支持下，制訂優(yōu)化調度與監(jiān)控液壓啟閉機的安全運行，確保運行安全。工作內容包括監(jiān)測每臺液壓啟閉機運行狀態(tài)：對啟閉機進行振動監(jiān)測，并對其運行狀態(tài)進行評估，提前判斷出等早期故障。液壓啟閉機及弧形工作閘門在線監(jiān)測系統(tǒng)數據采集控制程序從邏輯上按4個層次進行：即系統(tǒng)支撐層、基礎服務層、使能工具層以及示范應用層。

7 結束語

大藤峽水利樞紐工程泄水低孔弧形工作閘門液壓啟閉機目前作為國內國外已運行的最大容量的啟閉機，在設計過程中對很多難點進行了分析研究，并給出了合理的設計方案，為類似工程設備的設計提供了借鑒?，F已成功安裝、調試，安全運行近3年，滿足了工程使用。