水電站溢洪道弧門液壓啟閉系統(tǒng)的改造探索

畢帥，梁碩

（國網(wǎng)新源集團(tuán)吉林松江河水力發(fā)電有限責(zé)任公司，吉林 撫松 134500）

弧門液壓啟閉系統(tǒng)是水電站防洪溢流的關(guān)鍵設(shè)備，通常位于水壩的一側(cè)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測水位并在超過安全警戒水位后開閘泄流，防止水壩潰堤而引發(fā)次生災(zāi)害。常見的溢洪道包括正槽、側(cè)槽、井式、虹吸等類型，組成部分包括進(jìn)水渠、控制段、泄槽、出水渠等。弧門是溢洪道的核心組成部分，也是保障水電站安全運(yùn)行、實(shí)現(xiàn)泄洪分流的重要設(shè)施，其通過液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全啟閉，對于保障電站安全、實(shí)現(xiàn)水電站滿發(fā)足供至關(guān)重要。為此，本文以雙河水電站為例，對水電站溢洪道弧門液壓啟閉系統(tǒng)進(jìn)行研究探索，提出多種不同的改造對比方案并進(jìn)行研究論證，為提升水電站安全穩(wěn)定運(yùn)行水平奠定基礎(chǔ)、提供借鑒。

1 工程概況

白山市雙河二級水電站位于吉林省白山市境內(nèi)，為引水式梯級開發(fā)的電站，由攔河壩、引水隧洞和發(fā)電廠房組成。水庫正常蓄水位為715.00 m，總庫容為0.153×10 m3，總裝機(jī)容量為12 MW。大壩由混凝士重力壩和粘土心墻土石壩組成，壩頂高程717.00 m，大壩全長256.00 m，其中混凝士重力壩長173.00 m，最大壩高為31.00 m，壩頂寬度為10.00 m。溢洪道高程為709.50 m，溢洪道設(shè)有2扇露頂式弧形工作閘門（10 m×5.41 m-5.11 m，寬×高-水頭），用2 臺2×250 kN-3.5 m 液壓啟閉機(jī)操作，其液壓控制系統(tǒng)為“1 控2”，即1 套液壓泵站集中控制2 臺液壓啟閉機(jī)。

2 弧門液壓啟閉系統(tǒng)組成及改造的必要性

2.1 系統(tǒng)組成

白山市雙河二級水電站溢洪道弧門采用雙缸液壓啟閉機(jī)，弧門液壓啟閉系統(tǒng)由電氣控制系統(tǒng)、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、指示檢測系統(tǒng)組成[1]。液壓啟閉機(jī)是“機(jī)電液”一體化設(shè)備，系統(tǒng)控制復(fù)雜、維修保養(yǎng)要求高，尤其遠(yuǎn)程切換、控制、維保等方面隨著使用年限增加及控制要求提高而出現(xiàn)許多問題。其中，電氣控制系統(tǒng)主要通過PLC 程序?qū)崿F(xiàn)溢洪道弧門在開啟、關(guān)閉過程中的啟停狀態(tài)切換與有序控制；液壓傳動(dòng)系統(tǒng)由各類閥組、液壓泵組、油箱及輔件組成；指示檢測系統(tǒng)用于溢洪道弧門狀態(tài)信息采集、過程監(jiān)測及故障預(yù)警[2]。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)溢洪道弧門啟閉控制的核心，其控制系統(tǒng)以可編程邏輯控制器PLC為核心，通過量測終端對弧門的狀態(tài)、行程、位置等信息進(jìn)行監(jiān)測，并通過控制指令的執(zhí)行實(shí)現(xiàn)弧門的精準(zhǔn)、有序啟閉。通常而言，溢洪道弧門啟閉控制系統(tǒng)的控制部分由信息采集終端、電磁比例閥、油缸位移傳感器、弧門啟閉糾偏回路等實(shí)現(xiàn)自動(dòng)糾偏與平穩(wěn)控制[3]。溢洪道弧門啟閉控制系統(tǒng)根據(jù)控制方式的不同可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)就地控制、遠(yuǎn)程控制及自動(dòng)控制，不同控制方式可以通過工作方式選擇旋鈕進(jìn)行切換選擇。無論采用何種方式，溢洪道弧門啟閉控制系統(tǒng)均可以通過緊急停機(jī)按鈕實(shí)現(xiàn)危急狀態(tài)下的緊急控制。此外，溢洪道弧門啟閉控制系統(tǒng)還具有反饋控制及自動(dòng)糾偏等功能，比如弧門由于重力作用下滑距離達(dá)到一定門檻值時(shí)，能夠自動(dòng)啟動(dòng)液壓泵進(jìn)行弧門提升，并到達(dá)原先預(yù)定位置后停機(jī)、保持狀態(tài)。

2.2 改造的必要性

液壓啟閉機(jī)是一種先進(jìn)的“機(jī)電液”一體化設(shè)備，關(guān)鍵零部件均為國外進(jìn)口產(chǎn)品，可靠性高、故障率低，但如果運(yùn)行維護(hù)的系統(tǒng)性達(dá)不到要求，液壓設(shè)備的故障率會(huì)不斷增加，尤其是多臺液壓機(jī)由1 個(gè)泵站集中控制，隨設(shè)備使用年限的增加，其安全隱患也隨之增加[4]。

截止到目前，白山市雙河二級水電站弧門液壓啟閉設(shè)備投運(yùn)10 年以上，設(shè)備操作基本正常，但老化嚴(yán)重，小問題時(shí)有發(fā)生。由于2 臺液壓啟閉機(jī)是由1 個(gè)液壓泵站集中控制，因此，它的運(yùn)行安全可靠性是關(guān)鍵，尤其是在汛期，如果發(fā)生大洪水，啟閉機(jī)液壓系統(tǒng)又發(fā)生重大故障，且售后服務(wù)人員無法在2 d 內(nèi)及時(shí)趕到現(xiàn)場解決問題或損壞的原器件沒有現(xiàn)貨而造成閘門不能實(shí)現(xiàn)正常啟閉[5]，將對整個(gè)電站的安全運(yùn)行和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，按水電站的調(diào)蓄能力將釀成漫壩甚至潰壩事故。為此，建議對溢洪道弧形閘門的液壓啟閉系統(tǒng)進(jìn)行改造。

3 弧門液壓啟閉系統(tǒng)改造的基本思路

3.1 新建液壓泵站

由于白山市雙河二級水電站弧門液壓啟閉設(shè)備運(yùn)行年限較長，所以應(yīng)對現(xiàn)有液壓啟閉機(jī)進(jìn)行技術(shù)鑒定，根據(jù)技術(shù)鑒定結(jié)果和液壓啟閉機(jī)原設(shè)計(jì)圖紙完成：1）修改液壓系統(tǒng)原理圖和電氣原理圖，增加新舊液壓泵站的液壓和電氣切換裝置；2）按標(biāo)準(zhǔn)要求新建液壓泵站、泵房、電氣控制柜、電源箱、液壓和電氣切換裝置及（油和電氣）管路布置等。

3.2 原系統(tǒng)改造與大修

確定原設(shè)備大修組件后，待新增設(shè)備到貨后應(yīng)及時(shí)組織施工，將電氣控制柜、電源箱等固定就位，布設(shè)油和電氣管路，與此同時(shí)要對原有啟閉機(jī)實(shí)施大修，主要內(nèi)容包括更換液壓啟閉機(jī)已經(jīng)落后的某些重要元器件、清洗油管路并更換液壓油、更換已損壞的油缸密封件等[6-8]。完成以上工作后，要進(jìn)行機(jī)電液聯(lián)調(diào)。

4 弧門液壓啟閉系統(tǒng)改造方案

4.1 改造原則

根據(jù)電站以往的運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)及專家分析確定改造原則[9，10]：1）確保溢洪道弧門液壓啟閉機(jī)及其液壓控制系統(tǒng)正常工作，以解除防洪安全隱患；2）按照常規(guī)和現(xiàn)場實(shí)際情況，提出結(jié)構(gòu)簡單、布局合理、安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用的解決方案。

4.2 系統(tǒng)解決方案

1）方案一：2 孔弧門的2 臺液壓啟閉機(jī)由1 個(gè)液壓泵站的集中控制（“1 控2”）改為“1 控1”液壓泵站的對應(yīng)控制。

1 扇閘門獨(dú)立采取1 套液壓泵站，各泵站設(shè)置2 套互為備用的油泵電機(jī)組（相同型號），備用泵和工作泵須實(shí)現(xiàn)無擾切換自動(dòng)化。系統(tǒng)須使油泵空載穩(wěn)壓及啟動(dòng)的需求得到滿足，須規(guī)避液壓沖擊及振動(dòng)現(xiàn)象形成，同時(shí)不能噪聲異常，不可存在氣穴與進(jìn)氣等情況，使全開至全關(guān)過程中每個(gè)位置的停與啟等操作的需求得到滿足，油缸下腔油路設(shè)置閉鎖裝置。在閘門全部或者局部啟動(dòng)時(shí)，設(shè)置活塞桿回升與下滑的程序?；钊麠U下滑100 mm 時(shí)，油泵電機(jī)組開始啟動(dòng)，通過油缸將活塞提高到工作的位置上；如果大于100 mm，那么液壓啟閉機(jī)不能加以啟動(dòng)，閘門持續(xù)性滑動(dòng)；在下滑量為150 mm 時(shí)，另外一組油泵電機(jī)組開始啟動(dòng)，油缸把活塞桿提高到工作的位置上，發(fā)送報(bào)警信號。液壓系統(tǒng)設(shè)置同步雙缸糾偏回路，使雙缸同步啟閉閘門得到保障。

換向閥、溢流閥、流量控制閥等控制元件需盡可能地明確布置于控制面板中，執(zhí)行元件的接口在板塊中直接連接，先導(dǎo)換向閥應(yīng)具有平滑的換向特性。油箱本體采取矩形架構(gòu)，傾斜底板，設(shè)定人孔蓋、回油過濾器、溫度傳感器等附件，最低的地方設(shè)定排污球閥。在回油、工藝口處需根據(jù)規(guī)定維系應(yīng)有距離，對油的流動(dòng)方向進(jìn)行合理有效的分隔與設(shè)定。系統(tǒng)裝設(shè)1 套優(yōu)質(zhì)回油濾油器，其最大過濾精度應(yīng)不大于10 μm，通過流量應(yīng)不小于400 L/min。

液壓啟閉機(jī)的集控設(shè)備（現(xiàn)地控制單元）采用GE-90-70 可編程控制器，并預(yù)留與上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通訊的485 接口。控制系統(tǒng)具有控制各孔閘門全開、全關(guān)及開至任意位置的功能，能夠在固定開度中啟落及維系閘門；同時(shí)可顯示出各閘門開度、報(bào)警信號等。所選擇的元件與設(shè)備需滿足工程特定環(huán)境下的使用要求，并滿足防塵、防潮、防腐、防霉等要求。

該方案需要將原液壓泵站和油管路解體，以盡量使用原有器件為原則，重新形成2 個(gè)液壓系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)單臺液壓啟閉機(jī)的單獨(dú)控制，從而能夠保證整個(gè)水庫泄水系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。但在工程現(xiàn)有的實(shí)際情況下，原液壓泵室和電氣控制室空間有限，新增加的1 臺液壓泵站及其電氣控制柜存在無處安置的問題。此外，該方案對原系統(tǒng)改動(dòng)大，技術(shù)難度大。

2）方案二：在閘門中墩處新建1 座“1 控2”液壓泵站，與原泵站（改造后）互為備用。

新建液壓泵站由泵房、液壓泵站和電氣控制柜、新增管路等組成，液壓泵站和電氣控制柜等的要求與方案一相同。當(dāng)運(yùn)行泵站及原液壓系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，備用泵站立即投入運(yùn)行。該方案經(jīng)濟(jì)可靠，對原系統(tǒng)改動(dòng)較小，在實(shí)際使用過程中切換迅速。

3）方案三：為每扇弧形工作閘門另增設(shè)1 臺備用固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。

根據(jù)弧形閘門在擋水水頭下進(jìn)行啟閉操作時(shí)所需要的啟閉力，單孔弧門需另設(shè)1 臺2×250 kN固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，當(dāng)原液壓啟閉機(jī)控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過卷揚(yáng)式啟閉機(jī)對工作閘門進(jìn)行啟閉操作。為此需要做到以下幾點(diǎn)：①在閘門頂梁與縱梁交匯處增設(shè)一對雙腹板吊耳，并對縱梁進(jìn)行局部補(bǔ)強(qiáng)；②增加3 臺固定卷揚(yáng)啟閉機(jī)，新建卷揚(yáng)機(jī)的啟閉機(jī)室，由于施工只能安排在汛前或訊后兩個(gè)時(shí)段，存在工期緊張的問題；③液壓系統(tǒng)要做修改，當(dāng)卷揚(yáng)機(jī)啟閉閘門時(shí)，液壓啟閉機(jī)的活塞桿應(yīng)能隨之伸縮，液壓油能自由進(jìn)出油箱。

3 個(gè)方案對比見表1。

表1 方案對比表

綜上所述，根據(jù)現(xiàn)有條件和工程實(shí)際，決定推薦采用方案二，采用在閘門中墩處新建1 座“1 控2”液壓泵站與原泵站互為備用，該方案性價(jià)比高，既解除了使用者的擔(dān)憂，又對原工程造成的影響最小，工期最短，投資最少，在實(shí)際使用過程中切換迅速。

5 結(jié)語

溢洪道弧門是保障水電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要設(shè)施，其液壓啟閉系統(tǒng)對于水位檢測、泄流具有重要的作用，是維系水電站安全水位及整站安全的核心。白山市雙河二級水電站工程按選定方案完成改造后，實(shí)現(xiàn)了新舊泵站相互備用，并能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)、電、液的遠(yuǎn)程與快速切換。此次改造滿足了結(jié)構(gòu)簡單、布局合理、安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用的目標(biāo)，同時(shí)也全面提高了溢洪道弧門液壓啟閉機(jī)及其液壓控制系統(tǒng)工作的可靠性，從而解除了防洪安全隱患。