锦屏二级水电站拦河闸弧形工作闸门液压启闭机

沈燕萍 金晓华

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 浙江杭州 311122）

摘 要：锦屏二级水电站拦河闸1号孔和3号孔弧形工作闸门液压启闭机初期运行阶段存在左右液压缸工作压力相差过大等问题，通过消缺调试处理，液压启闭机的各项运行参数达到了设计要求，消除了双缸工作压力相差过大的问题。本文结合现场调试，对露顶式弧门液压启闭机主要运行参数的确定、实际启闭容量问题、双缸同步控制方案的比例流量控制阀应用及配置问题、不对称液压管道沿程损失问题等进行了分析、思考和总结。

关键词：溢洪道 弧门 液压启闭机 双缸 压差 容量 比例流量控制阀 沿程损失

1 设备概述

锦屏二级水电站拦河闸设有5孔溢洪道，每孔设1扇露顶式弧形工作闸门，在每扇弧门顶部设有1扇舌瓣门。弧门由2×3600kN双吊点后拉式液压启闭机进行启闭操作，采用一门一机配置，舌瓣门由500kN液压启闭机操作，两套液压启闭机共用1个泵站。液压泵站设置在孔口左侧闸墩顶部的机房内，每个液压泵站设置两套液压泵电动机组，正常情况下两套泵组同时工作，当一套泵组发生故障时，闸门仍能降半速开启运行。工作闸门的孔口尺寸（宽×高）为13.0m×22.0m，弧门面板半径27m，闸门为双主梁、斜支臂，支铰轴承采用DEVA自润滑球面滑动轴承。液压启闭机工作行程11.76m，启、闭（活塞）速度设计值为0.45m/min，液压缸缸体内径580mm，活塞杆杆径300mm，启门时杆腔最大计算压力19.6MPa，依靠闸门自重闭门时，无杆腔计算压力为液压系统差动回路所需的压力，约1.5MPa。液压系统的同步回路采用了在左右液压缸有杆腔进（出）油路上各设置一套由电液比例流量控制阀与二通流量控制阀（手动）并联的闭环纠偏回路，其中，双电液比例流量控制阀方案为主用回路，其余组合方案为备用回路，主、备用回路通过手动球阀切换；启闭过程通过内置于活塞杆陶瓷涂层下的SIMS行程测量系统，对启闭过程的双缸行程同步偏差进行连续检测，当偏差超过设定值时，自动进行闭环纠偏控制。液压系统原理简图详见图1。

2 调试情况

拦河闸5套弧形工作闸门液压启闭机设备于2013年移交锦屏电厂管理，运行过程发现1号孔和3号孔液压启闭机存在左右液压缸的工作压力相差过大的情况，其中，启门时压力相差最大值9.5MPa，闭门时压力相差最大值达到18MPa。

初步分析认为，上述压力相差过大的主要原因是由于闸门、门槽的制造和安装偏差及液压缸支铰埋件的安装偏差超标所致，故业主委托第三方对3号孔弧门支铰、液压缸支铰、门槽底槛和侧轨的安装情况进行了复查测量，对弧门启闭过程的运行轨迹进行了采样记录。

图1 液压系统原理简图

1—二通流量控制阀；2—电液比例流量控制阀；3—恒压变量泵

3号孔弧门支铰、门槽、液压缸支铰等安装情况的复测结果表明，弧门门叶实际中心线偏向门槽实际中心线左侧，门槽侧轨垂直度局部有较大超差，左右液压缸支铰轴同轴度存在较大超差，弧门全关状态，左右液压缸两端支点距离相差9.9mm（左缸长于右缸）。根据上述结果，并结合此前进行的调试情况制定了有针对性的消缺调试方案，闸门启闭按双泵双比例阀、双泵单比例阀、单泵双比例阀、单泵单比例阀等各种液压系统组合运行，进行反复调试后，最终3号孔设备无水运行情况为：全行程启门时左右缸工作压力相差最大值为2MPa，全行程闭门时左右缸工作压力相差最大值为3.5MPa，启闭时活塞平均速度达到了0.45m/min的设计值（启门为双泵运行），闸门全行程启闭运行平稳。

1号孔闸门未进行门槽安装尺寸复测，但目测门槽左侧埋件与门叶水封有严重挤压现象，消缺调试前的启闭运行过程，左右缸工作压力差变化大，据此，采用了按闸门开度分段设定液压启闭机运行参数的措施进行了消缺调试后，最终1号孔设备无水运行情况为：全行程启门时左右缸工作压力相差最大值为2.5MPa，全行程闭门时左右缸工作压力相差最大值为3MPa，启闭时活塞平均速度达到了0.45m/min的设计值（启门为双泵运行）。3 分析与思考

锦屏二级拦河闸1号孔和3号孔弧门液压启闭机调试过程中，为了分析、查找和解决压差过大的原因，引发了对表孔弧门后拉式双缸液压启闭机设计许多问题的思考，如设备主要运行参数的确定、双缸压力相差值对启闭能力的影响、双缸同步回路方案中比例流量控制阀数量的合理配置、液压管道布置及沿程压力损失的对压差的影响等。

3.1 设备主要运行参数的确定

液压启闭机的主要设计参数包括额定启闭容量和额定启闭速度两项，实际运行时，一般启闭力应小于或等于设计的额定值，运行速度应满足设计值。在液压启闭机的设计选型时，选用的液压泵的排量和额定压力、各类液压控制元件的最大压力和流量总是大于设计需要的额定值，因此，液压泵的排量和设定工作压力、系统各部位的压力继电器动作压力和溢流阀开启压力、流量控制阀的初始开度、同步纠偏的起纠值和停纠值等许多运行参数需要在工厂或调试过程确定。现就其中部分参数的设置方法总结如下。

1.液压泵排量的设定

为了方便液压启闭机安装或检修后的耐压试验，一般均要求液压泵采用手动变量泵，以便在液压系统需要做耐压试验时，可通过调低泵的输出排量，避免泵组电动机的过载；正常运行时，则宜根据启闭机的速度要求设定相应的排量。锦屏二级拦河闸液压启闭机液压泵选用力士乐公司产品，型号A4VSO 71 DR，为恒压变量泵，此泵的特点是负载接近泵设定压力时，泵自带的溢流阀开启，部分流量从溢流阀回油箱，从而减少进入系统的流量。单泵全排量时流量为106L/min，而单缸额定速度需要流量为86L/min，目前系统将泵设定为全排量输出，通过比例流量控制阀的开度限制进入液压缸的流量，迫使泵出口压力升高，使多余流量从泵溢流阀溢掉。此方案尽管能满足系统功能要求，但显得不够经济，笔者以为将泵的排量调至直接与速度匹配，可减少启门特别是闭门时的溢流量，从而降低系统发热，延长寿命。

2.液压系统工作压力的设置

一般情况下，表孔弧门液压启闭机是在弧门门前无水的情况下进行调试，故调试阶段液压系统压力表显示的最高工作压力会略小于在弧门有载情况下启闭时系统的最高工作压力，其差值的大小与弧门的设计密切相关，本工程两者的差值约为10%。如果由于各种原因，调试阶段的最高工作压力未低于设计额定值的90%，则应考虑调高系统各压力继电器、溢流阀和泵的整定压力，使系统工作压力有增大的可能性，否则，根据本工程所采用的恒压变量泵的特性，当压力接近泵设定压力（即系统工作压力）时，泵输出流量会急剧下降，将严重影响弧门的启闭速度。

3.同步纠偏回路中（比例）流量控制阀初始开度的确定

由于习惯上启闭机的液压系统图中并不标注这一参数，故往往需要调试人员根据启闭速度对应的流量要求，查阅阀的流量特性图设置。建议在启闭机的安装使用说明书中给出初始设置值，由调试人员根据现场情况进行调整确定。

4.同步纠偏值的确定

由于弧门、门槽埋件和液压缸的制造、安装均不可避免地存在偏差，即使各偏差值均符合相应规范的要求，在每一孔的组合结果也会各不相同，这就是液压启闭机需要逐孔调试的主要原因之一；当制造安装的偏差超出规范要求时，由于其更正成本很高，一般情况下也只能通过液压启闭机的调试，使弧门启闭过程适应已有门槽，在孔内平稳启闭。因此，设计图纸中规定的同步偏差的开始纠偏值、停止纠偏值是闸门和启闭机制造、安装的各项偏差均满足规范要求情况下的推荐值，现场调试需根据具体情况分析确定。为方便分析，建议调试过程中，全行程监视并记录显示屏上左右缸行程偏差值、纠偏方向及频率、液压阀组压力表显示值；同时观察闸门运行状况，发现异常应立刻停机。根据调试运行记录，对照闸门运行状况，分析并确定最终纠偏参数，必要时可分段设置纠偏参数。

3.2 双吊点弧门后拉式液压启闭机启闭容量的合理确定

一般情况下，采用QHHY系列后拉式液压启闭机的表孔弧形工作闸门，由于其具有一定的空间刚度，尤其像本工程拦河闸的闸门孔口高宽比远大于1的条件下，若闸门、启闭机的制造、安装偏差能达到设计规定，则只需采取简单的同步控制措施，就可以达到启闭运行平稳，左右液压缸的荷载分配基本均衡，双缸工作压力相差极小的运行状态，此时，根据计算启门力，按系列选择启门容量即可。但当上述制造、安装偏差有较大超差时，即使如锦屏二级水电站拦河闸弧门液压启闭机采用了灵敏度高、响应性优的双电液比例流量控制阀同步控制回路，经长时间反复调试，最终在启门时泵站压力表显示的左右缸工作压力最大相差值仍有2.5MPa。该相差值可以视其为左右液压缸负载的不均匀值，尽管左右液压缸负载之和基本与计算值相等，但该相差值对确定液压系统的最大设定压力和液压缸计算压力都有直接影响。1号孔液压启闭机无水调试时的启门最大工作压力16MPa，据此可以推算，当左右缸工作压力相差2.5MPa时，由于双缸存在的压差使液压缸负载增大了8.5%。本工程设计阶段在确定启闭容量时，根据启闭机设计规范的启闭力系列要求，选定值比计算值高出了10%，加上计算启闭容量与实际启闭力间尚有余量，故此压差值不会影响启闭机的安全运行。考虑到国内的制造、安装实际水平，建议今后在确定启闭容量时，根据计算值与选定值的具体情况，可有意识地适当留有10%左右的余量；考虑计算启闭容量与实际启闭力间存在差别，也可采用实际调试时，根据现场实际情况优化系统压力整定值的方法来解决这一问题。

需要特别指出的是，目前压力表显示的压力包含了沿程损失。必要时可在缸旁阀块直接设置压力传感器，以期真实反映液压缸负载的大小。

3.3 电液比例流量控制阀的配置数量问题

拦河闸弧形闸门启闭机液压系统的双缸同步控制回路为每套液压缸有杆腔进出油口配置了一套由电液比例流量控制阀与二通流量控制阀（手动）并联的闭环纠偏回路。通常，同步偏差纠偏方式采用跟踪式的，被跟踪的比例流量控制阀开度为一次设定，其作用相当于一只定开度的流量控制阀，据此，本系统同步控制回路并无配置两只比例流量控制阀的必要性，配置两套比例流量控制阀也增加了液压同步系统调试、维护和运行的复杂程度。但是，对于可靠性要求特别高的系统中，配置两只比例流量控制阀具有以下优点：

（1）主回路采用双比例流量控制阀时，可以同时进行“正”“负”双向纠偏控制，以提高动态纠偏的响应速度。

（2）通过电液流量控制阀与流量控制阀的不同组合，使同步控制回路增加了多种故障备用方案。无论其中任一比例流量控制阀发生故障时，均可由备用回路实现现地自动启闭运行。若只配置单电液比例流量控制阀，一旦该电液比例流量控制阀故障，则只能现地手动启闭运行，无闭环纠偏功能，运行可靠性大为下降。

3.4 不对称液压管道沿程压力损失的影响

本工程液压泵站布置在左岸，故右缸管路长度比左缸多约12m，弯头多两个，右缸管路总长约40m，有杆腔管路通径为26mm。在本次调试中对1号孔和3号孔液压启闭机左右液压缸有杆腔压力（缸旁阀块处）进行了测试，1号孔测试结果显示，靠近泵房侧的左缸阀组压力表显示值比缸旁阀块测点压力值平均大1MPa，右缸阀组压力表显示值比缸旁阀块测点压力值平均大1.5MPa。3号孔测试结果显示，靠近泵房侧的左缸阀组压力表显示值比缸旁阀块测点压力值平均大0.6MPa，右缸阀组压力表显示值比缸旁阀块测点压力值平均大1.1MPa。上述结果表明：①当液压管道流速满足规范规定时，表孔弧门液压启闭机广泛应用的不对称液压管道的沿程压力损失较小，对泵组工作压力的影响在规范允许范围内；②对于不对称液压管道长度相差更大的双缸液压启闭机，沿程压力损失将会更大，调试时，如果仅仅从泵房阀组压力表显示值来判断左右液压缸工作压力相差值，并不能真实反映两液压缸的负载情况，为了能在电气控制柜触摸屏上直接观察到各液压缸的瞬时工作压力及负载变化情况，最好在缸旁阀块上设置压力传感器来检测液压缸有杆腔的工作压力。

3.5 舌瓣门启闭机电、液控制系统有关的问题

舌瓣门一般情况下常年开启，用于排放锦屏一、二级水电站的发电流量差。舌瓣门与弧形工作闸门的操作具有相互闭锁关系，即舌瓣门开启必须在同孔弧门处于全关状态时进行；在舌瓣门关闭到位并可靠锁定状态下，才能开启弧形闸门。因此，舌瓣门关闭到位并锁定的信号可靠性非常重要。舌瓣门液压启闭机的调试要点如下：

（1）舌瓣门脱锁或舌瓣门关闭极限位置判断标准以舌瓣门水封不超过弧形工作闸门面板与舌瓣门水封座板的连接焊缝为准，并以此调整位置信号开关。

（2）舌瓣门开启极限位置判断标准以舌瓣门侧水封不脱离水封座板为准，并以此调整位置信号开关。

（3）确保舌瓣门关闭到位并锁锭的信号可靠性措施

本工程每套舌瓣门液压缸设置有一套YQX-Ⅱ-N3型内置插入式行程检测装置，该检测装置配置了绝对型光电编码器和行程极限开关；舌瓣门关闭状态设有自如式机械锁定装置。

（4）考虑本电站库容较小，舌瓣门控制系统应在其信号发生故障时，仍能确保弧门的及时开启。

4 结语

锦屏二级水电站拦河闸1号孔和3号孔弧形工作闸门液压启闭机调试结果说明，尽管这一机型的液压系统已相对成熟，但细节上仍有改进的空间。设备的正常运行需要闸门和启闭机从制造到安装各个环节的质量保证，同时，现场的精心调试也必不可少，液压启闭机的设计应尽量为设备后续的调试、检修和运行工作创造良好的条件。