枕頭壩一級水電站進(jìn)水口事故閘門液壓啟閉機(jī)設(shè)計(jì)

曹國鋒，陳 衛(wèi)，何 睿

（1.浙江華東機(jī)電工程有限公司，浙江杭州，311122；2.博世力士樂（常州）有限公司，江蘇常州，213100）

1 項(xiàng)目概況

大渡河枕頭壩一級水電站位于四川省樂山市金口河區(qū)的大渡河中游干流上，上鄰在建的深溪溝水電站，下接枕頭壩二級水電站。電站引水系統(tǒng)進(jìn)口布置有12孔進(jìn)水口檢修閘門槽和12孔進(jìn)水口事故閘門槽，每孔設(shè)1扇事故閘門，共設(shè)12扇，采用液壓機(jī)操作，液壓機(jī)啟閉容量3 200 kN/6 300 kN，行程17.8 m。油缸裝設(shè)于進(jìn)水口頂部626.50 m高程機(jī)架上，泵站布置在位于進(jìn)水口頂部的啟閉機(jī)室內(nèi)，如圖1所示。

每臺啟閉機(jī)由油缸、機(jī)架、行程檢測裝置、液壓泵站（含補(bǔ)油箱）、站外液壓管路、現(xiàn)地電氣控制柜、專用檢修工具等組成。

2 設(shè)計(jì)原則

2.1 安全可靠

液壓缸和液壓系統(tǒng)按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算，并參考德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DIN進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 液壓啟閉機(jī)布置圖Fig.1 Layout of hydraulic hoist

2.2 三維化設(shè)計(jì)

油缸的設(shè)計(jì)采用機(jī)械化自動化軟件Pro/ENGINEER，該軟件是一個參數(shù)化、基于特征的三維實(shí)體造型系統(tǒng)。

2.3 操作簡便

所有控制、檢測、監(jiān)視和保護(hù)信號均可送到現(xiàn)地PLC，并可通過遠(yuǎn)程接口送到集中控制單元，既可在現(xiàn)地進(jìn)行手動和自動控制，也可在集中控制單元實(shí)現(xiàn)集中控制。

2.4 易于維護(hù)

液壓系統(tǒng)所有控制閥件均集中安裝于閥塊上，便于檢修和更換。液壓啟閉機(jī)所有零件、元件均具有通用性、互換性，更換方便。液壓系統(tǒng)管路上設(shè)有手動隔離閥，方便檢修。

設(shè)置可移動式的檢修油箱，用于油缸檢修時液壓油流回檢修油箱，從而避免因檢修對系統(tǒng)造成二次污染。

2.5 優(yōu)質(zhì)元件

選用高可靠性的液壓元件，油箱、管道使用不銹鋼材料。

3 油缸設(shè)計(jì)

進(jìn)水口3 200 kN/6 300 kN液壓啟閉機(jī)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

液壓啟閉機(jī)為單吊點(diǎn)，油缸豎式安裝，在缸筒中部采用法蘭支承。快速閉門時采用節(jié)流孔板限速，油缸內(nèi)行程末端設(shè)緩沖裝置，減小閘門快速關(guān)閉至底檻時造成的沖擊，并隨機(jī)配備幾塊不同孔徑的節(jié)流板供調(diào)整時使用。

高位補(bǔ)油箱采用環(huán)形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，安裝在油缸外扇形法蘭上，具有安裝緊湊、連接可靠等優(yōu)點(diǎn)。通過液壓升降平臺進(jìn)行補(bǔ)油箱的檢修維護(hù)。

液壓啟閉機(jī)活塞桿下端吊頭處采用自潤滑滑動軸承，以便與閘門或拉桿連接。

下端蓋處裝有進(jìn)口防塵圈和青銅刮泥圈，以去除活塞桿表面污泥和灰塵。

液壓缸有桿腔、無桿腔的最高點(diǎn)均設(shè)有排氣測壓閥，用于液壓缸的排氣和壓力測量。

液壓缸的有桿腔和無桿腔均留有富余行程，以適應(yīng)土建及閘門吊耳制造、安裝時可能存在的誤差，同時也確保閘門能嚴(yán)密關(guān)閉。

表1 進(jìn)水口3 200/6 300 kN液壓啟閉機(jī)技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters of 3 200/6 300 kN hydraulic hoist

缸體采用無縫鋼管，材質(zhì)Q345B，正火處理。該材料具有優(yōu)良的焊接性能、較高的機(jī)械性能和良好的沖擊韌性?；钊麠U材料采用鍛件，材質(zhì)為25CrMo，調(diào)質(zhì)處理。

4 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用Unigraphics軟件，該軟件已建成了完備的液壓元件模型庫，可以快速有效地進(jìn)行各類閥件的集成和裝配，還能對閥塊的設(shè)計(jì)孔道進(jìn)行校驗(yàn)，確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確和高效。

4.1 液壓泵站

液壓泵站由不銹鋼油箱（含其附件）、兩臺油泵電機(jī)組、控制閥塊等組成。電機(jī)與油泵之間采用“鐘型罩+聯(lián)軸器”聯(lián)接方式，便于油泵電機(jī)組平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，降低噪音。液壓泵站包括兩臺油泵、電動機(jī)組，每一套液壓泵站設(shè)兩臺手動變量油泵電動機(jī)組。正常工作時，兩組油泵電機(jī)組同時投入工作，啟閉速度為額定值；一套油泵電機(jī)組出現(xiàn)故障時，另一套仍然可投入工作，但啟閉速度為額定值的一半。系統(tǒng)控制閥塊固定在油箱頂部支架上。

不銹鋼油箱設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)人孔蓋、排污球閥、注油過濾器、回油過濾器、液位液溫計(jì)、液位傳感器、溫度傳感器、防潮式空氣濾清器等附件。

液壓泵站配置可在線檢測壓力、流量、溫度的專用檢測儀器一套。

4.2 液壓系統(tǒng)功能

系統(tǒng)功能包括：（1）正常開啟閘門；（2）事故時快速關(guān)閉閘門功能；（3）安裝檢修狀態(tài)下活塞桿伸出功能；（4）閘門下滑自動復(fù)位功能；（5）補(bǔ)油箱補(bǔ)油功能。

如圖2所示，補(bǔ)油箱補(bǔ)油功能為：當(dāng)補(bǔ)油箱液壓油液位低時，LL4.2或LL3.2動作指令系統(tǒng)啟動油泵電機(jī)組，給補(bǔ)油箱補(bǔ)油；當(dāng)LL3.1或LL4.1動作時，補(bǔ)油箱停止補(bǔ)油。

圖2 高位補(bǔ)油箱補(bǔ)油系統(tǒng)Fig.2 Oil filling system by high fuel tank

5 關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)

5.1 長行程端部支承液壓缸穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

本工程進(jìn)水口液壓啟閉機(jī)特點(diǎn)包括：

（1）油缸布置在壩頂并露出壩面十幾米，迎風(fēng)面積大，壩區(qū)位于地震基本烈度達(dá)Ⅷ度的區(qū)域，同時需考慮防雷擊、瞬時風(fēng)載等因素。

（2）此種布置方式下要考慮設(shè)備外觀、尺寸及對壩面載荷的影響。

針對以上特點(diǎn)，結(jié)合多年同類型進(jìn)水口油缸的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過先進(jìn)的專業(yè)計(jì)算平臺，進(jìn)行了針對性的設(shè)計(jì)：

（1）油缸穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)，根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)對油缸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行強(qiáng)度校驗(yàn)。

根據(jù)計(jì)算成果，在設(shè)計(jì)中對進(jìn)水口油缸采用中間法蘭安裝方式，通過高強(qiáng)度螺栓與機(jī)架相連，避免因風(fēng)載過大或在地震工況下油缸產(chǎn)生失穩(wěn)，造成結(jié)構(gòu)性損壞。

圖3 油缸與機(jī)架安裝示意圖Fig.3 Schematic diagram of cylinder and rack installation

同時在油缸頂部設(shè)置避雷裝置，可靠接地，確保設(shè)備安全可靠。

（2）通過先進(jìn)的計(jì)算平臺，結(jié)合以往的工程經(jīng)驗(yàn)，在滿足招標(biāo)文件要求的前提下，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)緊湊，合理優(yōu)化尺寸重量，既保證設(shè)備的運(yùn)行要求，又兼顧壩面空間，使景觀不受影響，同時，降低對基礎(chǔ)的荷載及安裝、維護(hù)的難度。

5.2 密封系統(tǒng)設(shè)計(jì)

液壓缸全套動密封件選用高可靠性、長壽命的V形圈組合密封產(chǎn)品。

該密封形式抗擠入能力強(qiáng)，具有良好的工作性能，適用于惡劣的工作條件?；钊麠U處的密封溝槽設(shè)計(jì)成軸向可調(diào)式，以實(shí)現(xiàn)最佳密封效果和最小摩擦力。工作介質(zhì)溫度為-30～+100℃，工作壓力40 MPa。

靜密封主要采用O型密封圈，其材料為丁晴橡膠NBR，工作介質(zhì)溫度為-20～+100℃，工作壓力40 MPa。

液壓缸活塞及活塞桿導(dǎo)向均采用C380型非金屬導(dǎo)向套系列，該產(chǎn)品承載能力高、安裝簡便、維護(hù)費(fèi)用低，具有精確的導(dǎo)向作用、極好的耐磨性能和良好的干運(yùn)行性，并可吸收隨時產(chǎn)生的徑向力。同時，避免了液壓缸內(nèi)滑動部件的金屬接觸，即活塞與缸體之間、或者是活塞桿與缸頭之間的金屬接觸。

5.3 高位補(bǔ)油箱設(shè)計(jì)

進(jìn)水口液壓啟閉機(jī)液壓泵站和油缸布置在壩面626.5 m高程上，其中油缸露出壩面十幾米，如此大的落差導(dǎo)致在事故關(guān)門時油箱里的油液不足以被補(bǔ)充到油缸無桿腔中。為避免無桿腔吸真空，確保事故狀態(tài)下閘門正常關(guān)閉，需要考慮補(bǔ)油回路。

在設(shè)計(jì)之初考慮有兩個方案：（1）事故閉門狀態(tài)下泵控補(bǔ)油方案；（2）事故閉門狀態(tài)下補(bǔ)油箱自動補(bǔ)油方案。

方案一通過設(shè)置油缸上端部補(bǔ)油箱，可以在閘門事故關(guān)閉時利用專一電磁閥控制，靠閘門自重和水柱重下落關(guān)閉，操作簡單可靠。

方案二在事故狀態(tài)時啟動油泵電機(jī)組，通過專用的補(bǔ)油泵回路對油缸上腔進(jìn)行補(bǔ)油。

招標(biāo)文件中明確要求，當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生事故和引水管破裂事故時，進(jìn)水口對應(yīng)的三扇閘門應(yīng)能同時關(guān)閉；閘門的關(guān)閉由一專用直流電磁閥控制；當(dāng)電磁閥通電打開時，閘門關(guān)閉；閘門關(guān)閉時，油泵電機(jī)不啟動，而是靠自重和水柱重下落關(guān)閉閘門。

根據(jù)分析比對，在投標(biāo)設(shè)計(jì)時補(bǔ)油方案選擇了方案一。同時考慮到油缸露出壩面十幾米，補(bǔ)油箱的設(shè)計(jì)不僅要考慮功能性，還要考慮其美觀性，在油缸上端部設(shè)計(jì)了容積為1 000 L的環(huán)形油箱如圖4所示。該環(huán)形油箱固定在油缸的上端部，包裹住一部分缸體，與油缸渾然一體，安裝美觀可靠。配備有專用的移動式升降平臺，用于日常的檢修維護(hù)。這種控制方式在大量的工程實(shí)踐中得到應(yīng)用，實(shí)踐證明其響應(yīng)及時、安全可靠。

圖4 高位補(bǔ)油箱安裝情況Fig.4 Installation of high position fuel tank in oil cylinder

5.4 系統(tǒng)監(jiān)控設(shè)計(jì)

液壓系統(tǒng)選用目前最優(yōu)化的元器件，并設(shè)有足夠的監(jiān)視、測量、控制和保護(hù)裝置，如回油堵塞報(bào)警、油溫傳感器、液位傳感器、壓力繼電器、系統(tǒng)壓力傳感器、壓力/溫度/流量傳感器、油水報(bào)警器等。其主要元器件（如液壓泵、方向閥、溢流閥、調(diào)速閥、插裝閥等）全部選用按DIN標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的產(chǎn)品。液壓方向閥設(shè)置有感應(yīng)式閥芯位置監(jiān)測裝置并向電控系統(tǒng)反饋閥芯位置信號。自動化元器件留有擴(kuò)充口和遠(yuǎn)程接口。

6 結(jié)語

枕頭壩一級電站進(jìn)水口事故快速閘門液壓啟閉機(jī)經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)備布置緊湊，選型合理，特別是創(chuàng)新設(shè)計(jì)的環(huán)形補(bǔ)油箱，在保證設(shè)備功能的前提下做到了與環(huán)境的和諧統(tǒng)一。自2015年7月投入運(yùn)行以來，運(yùn)行情況良好，其設(shè)計(jì)成果對今后類似液壓啟閉機(jī)設(shè)計(jì)有一定借鑒作用。 ■