快速卷揚(yáng)式啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行分析

劉國(guó)瑞

（浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002）

快速卷揚(yáng)式啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)及運(yùn)行分析

劉國(guó)瑞

（浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院，浙江 杭州 310002）

分析快速卷揚(yáng)式啟閉機(jī)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行特點(diǎn)?？焖倬頁P(yáng)式啟閉機(jī)在運(yùn)行中除需具備普通卷揚(yáng)機(jī)的功能外，還應(yīng)具備交流電缺失情況下的快速閉門功能，因此其結(jié)構(gòu)型式及操作控制方式均不同于普通卷揚(yáng)啟閉機(jī)。快速閘門及啟閉機(jī)的運(yùn)行原則，關(guān)系到工程、機(jī)組的安全和效率，以較典型的泵站出口快速閘門為例，分析選擇較優(yōu)的運(yùn)行原則。

快速卷揚(yáng)式啟閉機(jī)；離心調(diào)速器；快速閘門；泵站

1 概述

快速卷揚(yáng)式啟閉機(jī)是專門用于操作快速閘門的一種啟閉設(shè)備?？焖匍l門是用來保護(hù)機(jī)組或鋼管的，平時(shí)懸掛在孔口上方，當(dāng)發(fā)電機(jī)、水泵或鋼管發(fā)生事故時(shí)，可以快速截?cái)嗨?，避免事故擴(kuò)大［1］?？焖匍l門的關(guān)閉時(shí)間，應(yīng)滿足對(duì)機(jī)組和鋼管的保護(hù)要求，一般要求啟閉機(jī)能在2m in內(nèi)將快速閘門關(guān)閉。同時(shí)為防止閘門底緣和底檻因猛烈碰撞而損壞，快速卷揚(yáng)啟閉機(jī)應(yīng)設(shè)有限速裝置，將閘門接近底檻時(shí)的下降速度限制在5m/min以內(nèi)，但下降過程中的速度并無限制要求，只要不對(duì)啟閉機(jī)零部件造成損害即可［2］。

快速閘門在正常啟閉時(shí)，對(duì)啟閉速度并無特殊要求，因此快速卷揚(yáng)式啟閉機(jī)還應(yīng)具備普通卷揚(yáng)機(jī)的功能?？焖匍l門啟閉機(jī)，應(yīng)有就地操作和遠(yuǎn)方操作兩套系統(tǒng)，并應(yīng)配有可靠電源［3］。遠(yuǎn)方操作系統(tǒng)可用來操作閘門的正常閉門和事故快速閉門，《鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL74-2013）規(guī)定，從安全角度考慮不提倡遠(yuǎn)方啟門［3］，但有些泵站為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，也具備遠(yuǎn)方啟門的功能。為保證電源供應(yīng)，遠(yuǎn)方操作系統(tǒng)除采用交流電源控制正常啟閉外，還應(yīng)采用由蓄電池室內(nèi)蓄電池組供應(yīng)的直流電源控制事故快速閉門；機(jī)組或鋼管發(fā)生事故時(shí)，故障信號(hào)應(yīng)能激發(fā)遠(yuǎn)方操作系統(tǒng)直流電源自動(dòng)控制閘門快速閉門；現(xiàn)地也可手動(dòng)釋放常閉式制動(dòng)器的抱閘，控制閘門快速關(guān)閉。就地操作系統(tǒng)僅用來操作閘門的正常啟閉，因此采用交流電源即可。就地操作和遠(yuǎn)方操作兩套系統(tǒng)應(yīng)相互閉鎖。

2 快速卷揚(yáng)式啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)型式及操作控制方式

快速卷揚(yáng)式啟閉機(jī)通常是在普通卷揚(yáng)式啟閉機(jī)上增設(shè)離心調(diào)速器、直流電磁鐵等設(shè)備，滿足在無交流電源情況下能快速閉門的需要，其結(jié)構(gòu)型式及操作控制方式較多，在此作一簡(jiǎn)要介紹。

2.1 直流電磁液壓松閘制動(dòng)器配硅整流器操作

正常啟閉時(shí)采用交流電源，直流電磁鐵由通過硅整流的交流電源供電，操作制動(dòng)器。此時(shí)電動(dòng)機(jī)正常接入交流電工作，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)圓柱齒輪減速器（開式傳動(dòng)通常為二級(jí)，閉式傳動(dòng)通常為四級(jí)）和卷揚(yáng)裝置啟閉閘門，而離心調(diào)速器由于轉(zhuǎn)速較低，不參與工作?？焖傧陆禃r(shí)，直流電磁鐵直接從蓄電池室接入直流電源，操作制動(dòng)器，此時(shí)電動(dòng)機(jī)不通電，閘門自重及水柱、加重等豎直向下的力迫使卷揚(yáng)裝置、減速器和電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)減速器高速軸達(dá)到一定轉(zhuǎn)速時(shí)，安裝于其上的離心調(diào)速器動(dòng)作，控制閘門快速下降。在離底檻約0.3m時(shí)，主令控制器動(dòng)作，自動(dòng)切斷直流電源，制動(dòng)器抱閘，使閘門懸掛在底檻之上。過5S后，時(shí)間繼電器動(dòng)作，接通直流電源，使直流電磁鐵繼續(xù)工作，松開制動(dòng)器而將閘門下降至底檻，閘門下降至底檻時(shí)的速度應(yīng)控制在5m/min以內(nèi)，因此閘門懸掛位置不能離底坎太高；此時(shí)若交流電恢復(fù)供應(yīng)，時(shí)間繼電器也可接通交流電源，松開制動(dòng)器后使電動(dòng)機(jī)也投入工作，而將閘門下降至底檻［4］。

閘門在快速下降過程中，速度并不局限在5m/min以內(nèi)，而是根據(jù)需要由離心調(diào)速器來進(jìn)行控制。但離心調(diào)速器也是有最高轉(zhuǎn)速限制的，調(diào)速器的最高轉(zhuǎn)速受電動(dòng)機(jī)或減速機(jī)最高轉(zhuǎn)速的限制，同時(shí)也受調(diào)速器自身運(yùn)行平穩(wěn)和發(fā)熱要求的限制。在走訪中發(fā)現(xiàn)，有些工程由于閘門孔口高度不大，閘門在整個(gè)快速下降過程中的速度由離心調(diào)速器控制在5m/min以內(nèi)，就可以滿足2min內(nèi)關(guān)閉孔口要求，因此不用在閘門接近底檻時(shí)斷電，而是直接落至底檻。

在這種結(jié)構(gòu)型式中，只有一個(gè)制動(dòng)器，且只配備一種電磁鐵，因此采用更加可靠的電磁液壓制動(dòng)器代替普通電磁鐵制動(dòng)器。電磁液壓制動(dòng)器動(dòng)作平穩(wěn)、噪音低、壽命長(zhǎng)，還可以自動(dòng)補(bǔ)償自動(dòng)閘瓦的磨損，制動(dòng)力矩有保證［5］。由于這種結(jié)構(gòu)型式只需要一種電磁鐵和一臺(tái)二級(jí)圓柱齒輪減速器，布置緊湊，雖制動(dòng)器價(jià)格稍高，但總體造價(jià)較低，是較常采用的一種結(jié)構(gòu)型式。

2.2 長(zhǎng)行程雙電磁鐵松閘制動(dòng)器操作

這種操作型式的主要特點(diǎn)，是在長(zhǎng)行程制動(dòng)器上裝交流和直流電磁鐵各一個(gè)，并通過同一根操縱桿操作制動(dòng)器。正常啟閉時(shí)采用交流電源，交流電磁鐵投入工作松開制動(dòng)器，電動(dòng)機(jī)接入交流電工作?？焖傧陆禃r(shí)，交流電磁鐵及電動(dòng)機(jī)不通電，直流電磁鐵在繼電保護(hù)裝置的作用下接入直流電源，松開制動(dòng)器，進(jìn)入2.1所述快速閉門模式。這種操作型式中，只需要一個(gè)制動(dòng)器，但需要安裝兩種電磁鐵，因此采用制動(dòng)力矩大、結(jié)構(gòu)尺寸也較大的長(zhǎng)行程電磁鐵制動(dòng)器。這種操作型式總體上布置較緊湊、投資較低，也較常采用。

2.3 差動(dòng)圓錐齒輪減速機(jī)及行星聯(lián)軸節(jié)傳動(dòng)

在差動(dòng)圓錐齒輪減速機(jī)傳動(dòng)的快速卷揚(yáng)式啟閉機(jī)機(jī)構(gòu)布置中，圓柱齒輪減速器不直接與電動(dòng)機(jī)相連，而是由電動(dòng)機(jī)通過一臺(tái)單級(jí)差動(dòng)圓錐齒輪減速器驅(qū)動(dòng)。電動(dòng)機(jī)端設(shè)交流制動(dòng)器，差動(dòng)圓錐齒輪減速器十字軸端設(shè)直流制動(dòng)器，圓柱齒輪減速器高速軸懸臂端設(shè)離心調(diào)速器。正常啟閉時(shí)采用交流電源，電動(dòng)機(jī)端交流制動(dòng)器松閘，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)差動(dòng)減速器、圓柱齒輪減速器和卷揚(yáng)裝置而啟閉閘門，此時(shí)直流制動(dòng)器處于制動(dòng)狀態(tài)，差動(dòng)減速器的十字軸不轉(zhuǎn)動(dòng)?？焖傧陆禃r(shí)，電動(dòng)機(jī)及交流制動(dòng)器不通電，直流制動(dòng)器的電磁鐵在繼電保護(hù)裝置的作用下接入直流電源，將制動(dòng)器松開，使閘門自行下降。此時(shí)，圓柱齒輪減速器的高速軸及差動(dòng)減速器的十字軸同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入2.1所述快速閉門模式。行星聯(lián)軸節(jié)傳動(dòng)的快速卷揚(yáng)啟閉機(jī)，就是用行星聯(lián)鈾節(jié)代替單級(jí)差動(dòng)圓錐齒輪減速器，其余結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)原理都大致相同［4］。

在這兩種操作型式中，都是通過中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使電動(dòng)機(jī)在快速閉門時(shí)從傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中完全脫離，從而改善了電動(dòng)機(jī)的工作狀況。但這兩種機(jī)型需增加中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，并需要配置兩個(gè)制動(dòng)器，安裝占地面積較大，傳動(dòng)復(fù)雜，造價(jià)昂貴，在實(shí)際工程中很少采用。

3 泵站出口快速閘門運(yùn)行原則

軸流泵及混流泵站出口為了保護(hù)機(jī)組安全需設(shè)置斷流裝置，斷流方式很多，較常采用的是拍門或快速閘門。當(dāng)單泵流量在8m3/s以上時(shí)，泵組出口若設(shè)置整體自由式拍門，則可能產(chǎn)生較大的撞擊力，影響機(jī)組安全運(yùn)行，且開啟角過小，增加水力損失［6］。此時(shí)多采用帶小拍門的快速工作閘門作為斷流設(shè)備，并通常在工作閘門的下游側(cè)設(shè)置1道快速事故閘門，在工作閘門發(fā)生事故時(shí)可快速閉門，防止事故擴(kuò)大，當(dāng)泵組停機(jī)檢修時(shí)也可用事故檢修閘門擋水。事故閘門停泵閉門宜與工作閘門聯(lián)動(dòng)，快速啟閉機(jī)應(yīng)能就地操作和遠(yuǎn)動(dòng)控制，并應(yīng)有可靠的操作電源，事故閘門、工作閘門事故停泵閉門時(shí)間應(yīng)滿足機(jī)組保護(hù)要求［6］。

泵站出口快速閘門的運(yùn)行操作要求，關(guān)系到泵組的安全、高效運(yùn)行，各個(gè)泵站不盡相同，筆者在此根據(jù)工作實(shí)踐作一總結(jié)，供同行參考。

3.1 泵站起排時(shí)閘門運(yùn)行原則

泵站起排時(shí)，先將事故閘門持住在孔口上方作為事故備用，工作閘門全關(guān)；當(dāng)泵組正常開機(jī)時(shí)，工作閘門應(yīng)與水泵電動(dòng)機(jī)聯(lián)動(dòng)，即水泵電動(dòng)機(jī)得到啟動(dòng)信號(hào)的同時(shí)，工作閘門也應(yīng)得到啟動(dòng)信號(hào)，閘門沒有全開時(shí)水流從閘門自帶的拍門流出；工作閘門提起后持住在孔口上方作為事故備用。

也有一些泵站采用泵組啟動(dòng)前工作閘門全關(guān)，待泵組啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速后再開啟工作閘門的方式。在這種起排方式下，水流完全由拍門流出，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)這會(huì)對(duì)閘門及拍門造成較大沖擊，如果每次都這么操作，會(huì)對(duì)拍門安全造成較大威脅。拍門損壞雖然可以維修，但畢竟費(fèi)錢、費(fèi)力、誤工，萬一拍門脫落還易釀成安全事故。有觀點(diǎn)提出如果啟動(dòng)水泵的同時(shí)開啟工作閘門，泵組會(huì)難以順利啟動(dòng)，其實(shí)這種擔(dān)心是多余的，相反閘門提起、流道暢通，水力損失減小，更有利于水泵啟動(dòng)。當(dāng)然，泵組啟動(dòng)前，工作閘門也不應(yīng)該事先提起，否則可能導(dǎo)致流道內(nèi)發(fā)生氣錘，使機(jī)組產(chǎn)生有害振動(dòng)。

3.2 排澇結(jié)束時(shí)閘門運(yùn)行原則

排澇結(jié)束時(shí)，對(duì)工作閘門發(fā)閉門指令（正常速度閉門），待工作閘門底緣距底檻一定距離（比如1.0m）時(shí)，再發(fā)停泵指令；當(dāng)工作閘門在發(fā)停泵指令之前發(fā)生故障無法關(guān)閉時(shí)，故障信號(hào)應(yīng)激發(fā)事故閘門的關(guān)閉（正常速度閉門），待事故閘門底緣距底檻為1m時(shí)，發(fā)停泵指令；當(dāng)工作閘門在發(fā)停泵指令之后發(fā)生故障無法關(guān)閉時(shí)，故障信號(hào)應(yīng)激發(fā)事故閘門的關(guān)閉（快速閉門，滿足1m in之內(nèi)全關(guān)）。

閘門應(yīng)確保在發(fā)停泵指令后2min內(nèi)全關(guān)，這是確定閘門何時(shí)關(guān)閉的基本原則，發(fā)停泵指令時(shí)閘門底緣距底檻的具體距離，也是據(jù)此決定的。這當(dāng)然也跟閉門速度有關(guān)，不過這時(shí)的閉門速度是正常閉門速度，而不是快速閉門，快速閉門功能僅在事故工況下使用，因?yàn)榻?jīng)常性的快速閉門無論對(duì)閘門還是對(duì)啟閉機(jī)都難免有一定損傷。這里事故閘門的快速閉門速度之所以要求更快，是因?yàn)槭鹿书l門快速閉門時(shí)，停泵指令已經(jīng)發(fā)出，時(shí)間更為緊迫。

對(duì)于停泵時(shí)閘門的操作方式，通常會(huì)有以下兩種不同觀點(diǎn)：一種認(rèn)為應(yīng)該在工作閘門關(guān)閉的同時(shí)發(fā)停泵指令，由于普通卷揚(yáng)機(jī)正常閉門速度一般不超過2.5m/m in，采用這種方式時(shí)，除非閘門孔口高度很小，否則難以確保工作閘門在發(fā)停泵指令后2min內(nèi)全關(guān)。雖然可以采取措施提高啟閉機(jī)的正常閉門速度，比如通過降低減速器傳動(dòng)比或滑輪組的倍率（此時(shí)需增加電機(jī)功率，由于仍為勻速閉門，因此閉門速度不應(yīng)超過5m/min，而且不應(yīng)超過離心調(diào)速器工作的臨界閉門速度，即離心調(diào)速器不應(yīng)投入工作），或者使用變頻調(diào)速電機(jī)（此時(shí)閉門速度為起、停慢，中間快，因此閉門過程中速度可以超過5m/m in，但同樣不應(yīng)超過離心調(diào)速器工作的臨界閉門速度）等方法，但這些方法均會(huì)使啟閉機(jī)成本有較大增加。而且停泵后2min閉門只是一個(gè)極限狀態(tài)，正常停泵時(shí)應(yīng)爭(zhēng)取更短的閉門時(shí)間，這樣會(huì)對(duì)泵組更為有利。此外，采用這種方式時(shí)萬一工作閘門發(fā)生故障無法關(guān)閉，故障信號(hào)雖能激發(fā)事故閘門的關(guān)閉，但此時(shí)停泵指令已發(fā)出，也很難保證事故閘門在發(fā)停泵指令后2m in內(nèi)能夠全關(guān)。還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，應(yīng)該等工作閘門全關(guān)之后再發(fā)停泵指令，這樣的話閘門又關(guān)閉過早，水流對(duì)閘門、拍門沖擊較大，而且也不利于泵組運(yùn)行，甚至可能造成水泵電動(dòng)機(jī)超載。

3.3 泵組事故斷電時(shí)閘門運(yùn)行原則

泵組事故斷電時(shí)，故障信號(hào)應(yīng)激發(fā)工作閘門馬上關(guān)閉（快速閉門，滿足2m in之內(nèi)全關(guān)），如工作閘門出現(xiàn)故障無法關(guān)閉，故障信號(hào)應(yīng)激發(fā)事故閘門馬上關(guān)閉（快速閉門，滿足1min之內(nèi)全關(guān)）。為此，泵組開啟前，應(yīng)確保蓄電池及啟閉機(jī)能正常工作。

泵組事故斷電時(shí)閘門是快速閉門，從持住在孔口上方位置到全關(guān)，應(yīng)在2m in之內(nèi)完成，并以此決定工作閘門快速閉門的速度。事故閘門的快速閉門速度之所以要求更快，是因?yàn)槭鹿书l門快速閉門時(shí)，故障已經(jīng)發(fā)生，時(shí)間更為緊迫。不管是工作閘門還是事故閘門，在閉門接近底坎時(shí)均應(yīng)低速運(yùn)行。

4 結(jié)語

快速卷揚(yáng)式啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)型式較多，目前還沒有實(shí)現(xiàn)定型設(shè)計(jì)，快速閘門的運(yùn)行原則也不盡相同，筆者根據(jù)工程實(shí)踐、搜集資料中的體會(huì)在此作一總結(jié)，在今后的應(yīng)用中供同行參考。

［1］水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)（金屬結(jié)構(gòu)一）第一版［M］.北京：水利電力出版社，1988.

［2］SL41-2011.水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］

［3］SL74-2013.水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)（金屬結(jié)構(gòu)二）第一版［M］.北京：水利電力出版社，1988.

［5］胡孝良.水工起重機(jī)械［M］.北京：水利電力出版社，1989.

［6］ GB50265-2010.泵站設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

TV664+.1

A

1672-2469（2017）10-0102-03

10.3969/j.issn.1672-2469.2017.10.028

2017-04-22

劉國(guó)瑞（1981年-），男，高級(jí)工程師。