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泄洪底孔弧形闸门液压启闭机设计
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泄洪底孔弧形闸门液压启闭机设计

  • 概述
  • 更新时间:2019-01-04 来源:www.fb111.com

黄河万家寨水利枢纽位于黄河中上游山西省与内蒙古自治区交界处,主要任务是供水结合发电,同时兼有防洪、防凌等综合效益。拦河坝为混凝土重力坝,共22个坝段,最大坝高105m,坝顶长度443m,坝顶高程982m,最高蓄水高程980m。坝后式水电站共装机6台,单机容量180MW,总装机容量1080MW。

液压系统设计

万家寨底孔担任着枢纽泄洪、排沙的主要任务,泄洪流量大、流速高、故工作闸门采用弧形闸门。8个泄洪排沙底孔位于大坝左侧5~8号坝段内,底板高程915.0m,每孔设4×7.3-65m事故检修闸门及4×6-65m弧形工作闸门各一道。

弧形工作闸门采用2500kN/500kN(启门力/下压力)摇摆式液压启闭机启闭,液压启闭机由油缸、泵站和电控设备组成,该机最大行程8.8m,油泵站位于高程937m的启闭机室内。闸门运行条件为动水启闭,闸门启闭过程中油缸运行平稳、无爬行、抖动等不良现象。液压系统在满足闸门运行要求的前提下,简单可靠且易于安装、维修,并有完善的监视、测量、控制和保护装置。其设计原理见图1(以1号弧门液压启闭机为例)。

弧形闸门液压启闭机原理图

图1 弧门液压启闭机原理图

1、液压阀件型式选择

液压阀的质量直接影响到启闭机的整机质量。本设计采用插装阀技术。插装阀技术是通过先导控制阀和插装件在集成阀块上的组合,得到方向、流量和压力等各种功能控制。由于插装阀采用锥面密封,靠阀芯与阀座形成线接触密封,解决了阀组的泄漏问题。通过小通径、常规阀作先导阀来控制高压大流量的液压系统,反应灵敏,基本无泄漏,噪音低,易于实现启闭机运行平稳、工作可靠的要求。而且插装件直接安装在集成块的阀孔内,为无管连接,避免了与配管的泄漏。

(1)电磁溢流阀(序号1)。其作用为保证油泵空载启动,并控制出口最高压力,当油压超过预定值时,溢流阀卸荷,保证提门过程中油缸不超载运行。考虑到底孔液压启闭机使用次数少,且运行时间较短,其电磁换向阀采用常开式,即在非工作状态和油泵空载启动时均不带电,简化了电气回路,并保证即使误操作启动油泵运转时,油液可直接排入油箱,不对闸门产生任何影响。电磁换向阀仅在提门或闭门状态带电,带电时间短,安全可靠。

(2)先导三位四通换向阀(序号2)。先导三位四通换向阀(序号2),失电时保持在中位,其Y型机能使各阀件的液控回路处于卸荷状态,避免停机后各阀件长期带压而降低其灵敏性,并保证油缸安全锁定。先导换向阀电磁铁1YV2带电时闸门提升,即锥阀B与锥阀D液控油路卸荷,压力油通过锥阀B进入油缸有杆腔,同时油缸无杆腔油液经锥阀D排回油箱,锥阀A与锥阀C液控油路带压,其主油路关闭。同理,电磁铁1YV1带电时闸门下降,锥阀A与锥阀C液控油路卸荷,两锥阀主油路接通,压力油通过锥阀C进入油缸无杆腔,同时油缸有杆腔油液经锥阀A排回油箱,同时锥阀B与锥阀D主油路关闭。

2、活塞杆的受压保护回路设计

由于闸门下降是通过压力油对油缸无杆腔施加一定的压力进行的,活塞杆作为受压杆件其工作压力必须控制在设计范围内。为防止闸门在下降过程中被卡,油泵仍在供油,致使油缸上腔油压过高,导致活塞杆被压弯,设计采用了机械与电气相结合的双重保护措施,即当油压超过设定值时,油缸上腔的先导溢流阀(序号4)使锥阀D的进出油口接通,控制液压系统自动卸荷,保证活塞杆的压杆稳定。同时可通过压力继电器SP3超压使启闭机停止运行。闸门关闭的极限保护则由开度仪与限位开关控制,溢流阀作为附加保护。这样可以确保设备在任何工况下运行安全可靠。

3、保证闸门平稳下降的措施

闸门下降时,若油缸有杆腔油液直接卸荷或油压很低,且闸门不受其他约束力限制的情况下,来自油缸活塞杆的压力以及闸门自重使闸门下降速度不易控制,闸门不能平稳运行,甚至产生剧烈振动,直接威胁着闸门与启闭机的安全。本液压系统在下门回路中设置背压阀(液控单向阀3),使有杆腔油液保持一定压力以持住闸门自重,当油缸有杆腔的压力足以开启背压阀时,闸门才能关闭,从而使闸门的下降速度仅受油泵输出流量的控制,实现闸门平稳下降。

4、油缸锁定回路设计

安装在油缸有杆腔油口的液压单向阀,可使油缸在闸门全开或局部开启状态不受水流冲击的影响,长期可靠地停止在任何位置;该阀还起到将油缸与油管隔离的作用,防止油管破裂时油缸下腔油液流出造成意外关门的事故。液压单向阀液控回路与先导换向阀相连,平时先导换向阀的Y型机能使液压单向阀液控回路卸荷,油缸有杆腔油液不能排出,使油缸处于锁定状态,仅在下门时先导换向阀使其液控回路与压力油接通,施压打开单向阀,闸门才能下降。

泵站设计

泵站是驱动油缸运行的动力站,主要由电机-油泵组、控制阀组、液压附件(油箱、滤油器、管道等)组成。电机-油泵组与油箱卧式布置,便于油泵对油液的自吸,防止电机-油泵运行时振动波及到油箱与阀件。电机-油泵组将机械能转化成液压能,是液压启闭机的“心脏”,因此油泵性能直接关系到启闭机的整机质量。本泵设计型号为25V17A-18-22R,该泵为斜轴式轴向柱塞泵,与直轴式泵相比,其自吸能力强,对油液的污染不甚敏感,启动效率高,使用寿命长,适合水电工程液压启闭机的运行条件。

为尽可能避免油液污染,设计采用高精度回油滤油器,油箱为全封闭型结构;油箱及管道均采用不锈钢材料。并严格控制启闭机的安装程序,对油箱、油管、阀件进行循环冲洗,并对液压油进行反复过滤,要求清洁度不低于NAS9级,以减少油液污染的隐患。由于启闭机运行时油箱油位的上下波动,油箱内的空气需要排出或补进,为防止补气时空气中的水分进入油箱,目前泵站采用更新后具有防潮功能的空气滤清器,是在借鉴国外经验的基础上,由国内科研机构开发研制的新产品。基本原理为阀件与干燥剂结合,使油箱既可方便空气的进出,又使进入油箱的水分降低。

闸门开度测量系统

弧门原开度控制装置为CHK-1系列开度测控系统,运行中出现如下缺陷:由于万家寨冬季冰冷,弧门周围冻结冰块,启门时容易在闸门井形成负压,钢带受力很大,经常被折断;闸门开度仪电容使用寿命短,系统掉电后,导致闸位无法显示;由于启闭机室坝体渗漏等造成环境潮湿阴暗,传感器光电开关工作不可靠,出现数据显示突变的现象;传感器抗振动、抗电磁干扰功能差,密封性差,通讯传输信号不好,原闸位传感器为余3反射BCD循环码,容易出现零点逆跳变。后来对开度测控系统进行了改造,更换为GP-1312绝对型通用闸门开度仪配以GPS500钢丝绳定位传感器成套设备,测量精度高,工作可靠,安装维护方便,操作简便,可长期稳定工作,保证了万家寨电站的正常防汛和排沙工作。

电气自动保护

针对闸门下沉复位、油泵启动保护、泵组故障等,系统均有完善的故障自动保护和控制功能。

1、闸门下沉复位

系统具有活塞杆下沉复位功能。闸门在某一位置保持一段时间后,由于重力作用或漏油,活塞杆可能下沉。当达到设定的下沉量300mm时,工作泵自动启动运行,若工作泵没有启动,继续下沉到400mm时,备用泵将自动启动运行,使闸门复位。

2、系统压力保护

SP2为欠压保护,当工作泵组在完成空载启动后,系统压力低于1MPa时,电控系统即自动启动,备用泵组闭门时SP2不作用。SP1和SP3为超压保护,当超过设定压力时系统马上停止运行。

原设计的压力控制继电器主要缺陷:防护等级低,环境适应性差;触点、微动开关易受潮氧化,导致开关量输出故障;预紧弹簧长期受压缩和锈蚀后,失去弹力,导致设定的发讯压力值出现较大偏差,反映在自动控制上,即会出现误动作或保护功能实效;在实际使用中,压力值的设定、校验、调整比较困难,需要专业人员操作。2006年年底,通过调研,将压力控制器均更换为数字式压力控制器。数字式压力控制器是压力开关、压力传感器和显示器的紧凑的集成体,在实现压力控制功能的同时,具有实时压力值数字化显示功能。数字式压力控制器防护等级达到IP67,完全适应在比较潮湿的环境下,长期稳定、可靠的工作。发讯压力值的设定、检验和调整。采用可视数字键入,精度高,操作方便快捷。更换数字压力控制器后,原压力表计均取消安装,便于维护操作,读数精度高,满足运行需求。

3、电机过载保护

当油泵电机组在运行中过载时,热继电器动作,电机停止运行。

4、油箱液位保护

提门时,油箱液位过高,可能造成油箱油液的溢出;液位太低危及油泵安全,甚至影响油缸的运行。本系统设置的液位计为3档,均有声光信号,当油箱液位太高和偏低时,提醒操作人员注意液位安全;油箱液位太低时,液位计切断电源,启闭机停止运行。

5、滤油器堵塞提醒

当滤油器堵塞时,SW1,SW2发出声光信号,表示所对应的滤油器堵塞,以提醒管理人员对相应滤油器进行更换或清洗。SP4,SP5继电器超压动作,切断运行回路。5结语万家寨底孔弧门液压系统运行以来,液压系统运行平稳。经过设备改造,空气滤清器提高了油液的质量;数字式压力控制器提高了运行可靠度;开度测控系统行程检测装置测量准确,通过PLC可编程控制,易于实现闸门的自动化控制。

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