趙山渡水利樞紐液壓啟閉機(jī)雙缸同步控制系統(tǒng)的分析和應(yīng)用

董合慧

(浙江珊溪經(jīng)濟(jì)發(fā)展有限責(zé)任公司,浙江 溫州 325000)

1 工程概況

浙江溫州趙山渡引水樞紐工程,于1996年12月完成初步設(shè)計(jì),1998年8月開工建設(shè),2002年10月竣工,至今已安全運(yùn)行7 a。趙山渡引水樞紐工程,設(shè)計(jì)庫容3 414萬m3,日調(diào)節(jié)水庫,設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為10 a一遇,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇,防汛任務(wù)相當(dāng)艱巨。趙山渡水利樞紐泄洪閘門為露頂式弧形工作閘門16孔,其中12m×12m(寬×高)7孔,配備液壓泵站1套,2×800 kN液壓啟閉機(jī)7套;12m×14m(寬×高)9孔,配備液壓泵站1套,2×1 000 kN液壓啟閉機(jī)9套。

雙缸弧形閘門的同步控制問題,一直是影響液壓啟閉機(jī)設(shè)備安全、正常運(yùn)行的關(guān)鍵因素,也是在同類閘門啟閉設(shè)備運(yùn)行過程中故障比較多的部分。趙山渡水利樞紐,在設(shè)計(jì)上充分考慮了這個(gè)技術(shù)難題,經(jīng)過多方面的考察研究后,大膽引進(jìn)、應(yīng)用了2項(xiàng)國際先進(jìn)技術(shù),以徹底解決雙缸弧形閘門同步控制的精度和運(yùn)行穩(wěn)定性。

2 磁致伸縮位移傳感器的行程測量裝置

液壓缸運(yùn)行過程中的行程測量系統(tǒng),是同步控制系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)。不管采用何種同步控制裝置,其工作完全建立在行程測量系統(tǒng)所采集的閘門左右開度數(shù)據(jù)上的;因此,液壓缸行程測量系統(tǒng)的精度和工作可靠性,對液壓啟閉機(jī)的同步控制起決定性作用。

磁致伸縮意指一些金屬(如鐵和鎳),在磁場作用下具有伸縮能力,磁致伸縮的效果是非常細(xì)微的,一般的鎳鐵合金是30 ppm。磁致伸縮位移傳感器是利用2個(gè)不同磁場相交時(shí)產(chǎn)生的1個(gè)應(yīng)變脈沖信號,然后計(jì)算這個(gè)信號被探測所需的時(shí)間周期,從而換算出準(zhǔn)確的位置。

磁致伸縮位移傳感器檢測精度達(dá)到0.01mm;傳感器輸出信號為絕對數(shù)值,即使電源中斷重接也不會影響數(shù)據(jù)接收,更無需重新歸回零位。由于傳感器的敏感元件在工作時(shí),都應(yīng)用了非接觸技術(shù),即使感測過程不斷重復(fù),也不會對傳感器造成任何磨損。國外有關(guān)資料顯示,美國太空署(NASA)的計(jì)算,磁致伸縮位移傳感器的無故障時(shí)間(MTBF)為23 a。

趙山渡水利樞紐在雙缸弧形閘門的行程檢測裝置上,引進(jìn)了德國磁致伸縮位移傳感器,以保證液壓啟閉機(jī)同步控制系統(tǒng)工作精度和可靠性。這是國內(nèi)水利水電工程第一次大批量使用這種先進(jìn)的位移傳感器,即使在10 a后的今天,磁致伸縮位移傳感器,仍然是國內(nèi)水利水電行業(yè)液壓啟閉機(jī)設(shè)備最先進(jìn)的行程測量系統(tǒng)之一。

3 比例流量伺服系統(tǒng)和旁路糾偏原理相結(jié)合的同步控制系統(tǒng)

在2000年以前,國內(nèi)的液壓啟閉產(chǎn)品只能采用行程開關(guān)實(shí)現(xiàn)簡單的限位控制;沒有任何自動化同步伺服技術(shù)。閘門啟閉時(shí)的同步控制依靠節(jié)流閥或調(diào)速閥手動調(diào)節(jié);這種手動的調(diào)節(jié)方式,精度低、穩(wěn)定性較差,在壓力、溫度、閘門啟閉阻力等因素發(fā)生變化時(shí),無法保證閘門啟閉的同步控制。

國外在液壓啟閉機(jī)同步控制技術(shù)上,有2種常用的控制系統(tǒng),即比例流量伺服系統(tǒng)和旁路自動糾偏系統(tǒng)。

3.1 比例流量伺服系統(tǒng)

比例流量伺服控制技術(shù),是國外應(yīng)用最廣泛的同步控制技術(shù),其工作流程簡單。工作流程見圖1。

比例流量伺服控制技術(shù),直接作用在液壓系統(tǒng)的主油路上,對液壓啟閉機(jī)的速度調(diào)節(jié),反應(yīng)敏捷,效果明顯。比例流量伺服控制技術(shù),同步控制精度高,工作穩(wěn)定、可靠;但對流量的調(diào)整范圍有一定的限制,比較適合中、小型液壓啟閉設(shè)備,很難滿足大型、超大型液壓啟閉機(jī)工作時(shí)大通徑、大流量的要求。

圖1 比例流量伺服系統(tǒng)工作流程圖

3.2 旁路自動糾偏系統(tǒng)

旁路自動糾偏控制技術(shù),控制原理非常簡單,其工作流程見圖2。

圖2 旁路自動糾偏系統(tǒng)工作流程圖

旁路自動糾偏控制技術(shù),盡管能夠滿足同步控制要求,但同步控制精度低,并且對整個(gè)液壓系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性,有不良影響。主要反映在壓力波動甚至瞬間失壓,旁路打開時(shí)產(chǎn)生震動、液壓缸動作停滯甚至快速下滑。主要原因是泄油旁路開口大小不能根據(jù)同步偏差大小自動調(diào)節(jié)。旁路泄油量的不可調(diào)整性,大大降低了同步控制系統(tǒng)的自動化程度;并且在一定的運(yùn)行條件下:例如氣候寒冷,液壓油運(yùn)動粘度過大,或者閘門出現(xiàn)卡阻等情況下,原設(shè)置的旁路泄油量不能滿足流量調(diào)整需要,會出現(xiàn)糾偏動作失效,同步數(shù)據(jù)超差等故障。

3.3 比例流量伺服系統(tǒng)和旁路糾偏原理相結(jié)合的同步控制系統(tǒng)

趙山渡水利樞紐的液壓啟閉機(jī)同步控制系統(tǒng),創(chuàng)新性的采用了旁路糾偏技術(shù)和比例流量閥結(jié)合的技術(shù)方案,同步控制效果非常理想。當(dāng)行程測量裝置檢測到出現(xiàn)同步偏差時(shí)(偏差值很小,一般在5 mm),旁路糾偏系統(tǒng)開始工作,由于采用了比例流量閥控制泄油旁路的開關(guān),比例流量閥只是打開了一個(gè)很小的泄油口,對整個(gè)系統(tǒng)壓力和液壓缸動作幾乎沒有影響。如果偏差值趨小,比例閥自動縮小泄油口,直至恢復(fù)平衡;如果偏差值繼續(xù)趨大,比例閥自動增大油口,直至偏差值趨小,逐步恢復(fù)平衡。該同步控制系統(tǒng)技術(shù)含量較高,設(shè)計(jì)原理先進(jìn),改進(jìn)和完善了單純的旁路糾偏技術(shù)的缺陷,充分發(fā)揮了比例流量伺服系統(tǒng)的高精度、高穩(wěn)定性、高可靠性的卓越性能,完全實(shí)現(xiàn)了閘門同步狀態(tài)的自動化控制。經(jīng)近10 a的運(yùn)行實(shí)踐證明,趙山渡水利樞紐液壓啟閉機(jī)在閘門啟閉過程中,沒有發(fā)生過同步控制系統(tǒng)的故障情況,同步控制精度在10mm以內(nèi)。

趙山渡水利樞紐液壓啟閉機(jī)的同步控制系統(tǒng),設(shè)計(jì)理念先進(jìn),在元件的選型上也采用了最高的標(biāo)準(zhǔn)以保證同步控制系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性。其中,行程檢測裝置選用了德國進(jìn)口的磁致伸縮位移傳感器,比例流量閥及其配套產(chǎn)品選用了美國進(jìn)口產(chǎn)品。經(jīng)過近10 a的運(yùn)行實(shí)踐,全部32套磁致伸縮位移傳感器無一故障,比例流量閥及其配套產(chǎn)品也僅更換過1套,足以反映該設(shè)備的可靠程度。

4 磁致伸縮位移傳感器的防潮和液壓油清潔度的保證

除了正常的維護(hù)保養(yǎng)工作外,為保證設(shè)備的正常安全運(yùn)行,還必須解決磁致伸縮位移傳感器的防潮和液壓油清潔度的保證2個(gè)問題。

4.1 磁致伸縮位移傳感器的防潮

磁致伸縮位移傳感器安裝在室外,露天工作環(huán)境惡劣,尤其是淋雨受潮后,可能會出現(xiàn)閘門開度數(shù)據(jù)跳變的情況。盡管出現(xiàn)數(shù)據(jù)跳變是極少的偶然現(xiàn)象,但如果在閘門啟閉狀態(tài)下出現(xiàn)數(shù)據(jù)跳變,必然會造成故障停機(jī),嚴(yán)重威脅設(shè)備的安全運(yùn)行。因此,在2005年,對磁致伸縮位移傳感器的防潮裝置,進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和改造。

改造后的防潮裝置,由傳感器保護(hù)罩、防爆軟管和防水接線盒3部分組成。

傳感器保護(hù)罩分上下兩個(gè),上面的保護(hù)罩內(nèi)填充硅膠干燥劑,用于驅(qū)除進(jìn)入保護(hù)罩的空氣中的水份;下面的保護(hù)罩內(nèi)是傳感器和數(shù)據(jù)傳送電纜;保護(hù)罩通過螺栓固定并采用標(biāo)準(zhǔn)密封圈密封防水。

數(shù)據(jù)傳送電纜從保護(hù)罩引出位置設(shè)置螺紋接頭和防爆軟管連接,防爆軟管的另一頭與防水接線盒連接,數(shù)據(jù)傳送電纜通過防爆軟管引入接線盒。

保護(hù)罩、防爆軟管和防水接線盒之間全部采用標(biāo)準(zhǔn)密封圈密封,確保防水可靠。

改造后的防潮裝置,徹底杜絕了雨水對傳感器的侵蝕,與傳感器接觸的空氣也得到有效干燥,保證了傳感器在惡劣工作環(huán)境下的防潮驅(qū)濕功能。經(jīng)過改造后,磁致伸縮位移傳感器再沒有數(shù)據(jù)跳變的現(xiàn)象出現(xiàn)。

4.2 液壓油清潔度的保證

比例流量伺服系統(tǒng),對液壓油的清潔度有較高要求。趙山渡水利樞紐液壓啟閉機(jī)設(shè)備投入運(yùn)行后,在前期的維護(hù)保養(yǎng)中,多次對液壓油進(jìn)行過濾、凈化處理,但液壓油檢測報(bào)告反映的清潔度情況不是很理想,并且液壓油的過濾、凈化處理工作需要準(zhǔn)備大量油桶周轉(zhuǎn),工作量大,濾油過程中容易受環(huán)境因素影響濾油效果。

為保證液壓油清潔度,保證比例流量伺服系統(tǒng)的正常工作。2005年,趙山渡水利樞紐設(shè)備主管部門,在每個(gè)液壓泵站上,增加了1套在線濾油裝置。該在線濾油裝置主體是1臺濾油機(jī),安裝在油箱上,具有3道過濾網(wǎng)。第1道為磁性吸附過濾,去除液壓油中的金屬粉末和金屬顆粒;第2道為粗過濾,可清洗銅質(zhì)過濾網(wǎng),過濾精度100～180 um;第3道為精細(xì)過濾,一次性紙質(zhì)濾芯,過濾精度10 um。

在線濾油機(jī)的吸油管插入油箱底部,經(jīng)過濾后的液壓油通過油管注入油箱上部,油箱和濾油機(jī)以及管路形成完全密封的循環(huán)系統(tǒng)。

經(jīng)過長期的運(yùn)行實(shí)踐證明,在線濾油裝置的投入,極大的減輕了液壓油過濾的工作量,簡化了液壓油過濾的工作程序,在任何時(shí)間,都可以啟動濾油機(jī),進(jìn)行液壓油的過濾、凈化處理;同時(shí),在線濾油裝置,有效避免了外部環(huán)境因素對濾油效果的影響,保證了液壓油的清潔度要求。

5 結(jié) 語

趙山渡水利樞紐液壓啟閉機(jī)設(shè)備的可靠性能,經(jīng)受了長期的運(yùn)行實(shí)踐的考驗(yàn),在2005年 “桑美” 臺風(fēng)、2006年“泰利”、“海棠”臺風(fēng)等關(guān)鍵時(shí)刻,出色的完成了閘門啟閉泄洪,防汛抗臺的重任。尤其在閘門同步控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上,大膽引進(jìn)、應(yīng)用了國際先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品,并有所創(chuàng)新。直至今日,該設(shè)計(jì)方案在國內(nèi)水利水電工程中已得到廣泛應(yīng)用。