沙沱水電站液壓啟閉機換油方法的改進

許海洋

(貴州烏江水電開發(fā)有限責任公司沙沱發(fā)電廠，貴州 沿河 565300)

沙沱水電站總裝機容量1 120 MW(4×280 MW)，多年平均發(fā)電量45.52億kWh，設計年利用小時數(shù)4 064 h。工程為Ⅱ等大(2)型工程，大壩形式為碾壓混凝土重力壩。機組進水口為壩式布置，由左岸壩身取水，引水發(fā)電系統(tǒng)采用一機一管布置方式。每臺機在引水管進口設置一扇快速事故閘門，運行方式為動水關閉、靜水開啟。每扇快速事故閘門設置一臺液壓啟閉機進行啟閉操作，其采用拉桿與閘門相接。

每臺機設置的進水口液壓啟閉機技術參數(shù)如表1。

表1 進水口液壓啟閉機的技術參數(shù)表

1 液壓啟閉機液壓油更換的情形

1.1 液壓啟閉機液壓油更換的情形

1.1.1 《安裝使用維護說明書》要求

根據(jù)設備制造廠家提供的《安裝使用維護說明書》，本液壓控制系統(tǒng)調試完后更換新液壓油，初次使用一年后應更換一次液壓油，以后每隔兩年更換一次，或采用油水分離器及精細濾油小車進行過濾并化驗液壓油各項指標是否合格，以保證系統(tǒng)的正常運行。由此可見，系統(tǒng)初次調試完成后和初次使用一年后都應更換液壓油，以保證新裝設備不因安裝質量和部件加工精度不夠導致性能下降。投入運行后可視油質化驗結果，根據(jù)需要更換液壓油。

1.1.2 標準規(guī)范規(guī)定

1)H-LM型液壓油在使用過程中的質量監(jiān)控標準要求，當使用中的H-LM型液壓油起重設備一項指標超過表2的指標時應更換新油。

表2 H-LM型液壓油換油指標表[3]

2)液壓式啟閉機通用技術要求液壓介質污染等級不應高于《液壓傳動 油液 固體顆粒污染等級代號》(GB/T 14039-2002)標準中代號19/16級的規(guī)定[1-2]，即對照美國標準NAS1638油液固體顆粒污染等級為10級。由此可知，液壓啟閉機的液壓油顆粒污染度NAS等級≤10級。

1.2 沙沱水電站液壓啟閉機液壓油更換背景

沙沱水電站四臺機組進水口快速事故閘門液壓啟閉機在機電安裝、調試完成后，安裝單位未按照設備說明書的要求進行整體換油，2013年機組投產(chǎn)運行以來，液壓啟閉機的液壓油分別存在顆粒污染度超標和水分含量超標等問題。經(jīng)過機組檢修期分別對液壓油過濾處理后，2018年采集液壓油油樣進行化驗分析，油品化驗結果如表3。由化驗結果可以看出，40℃運動粘度變化率和水分含量等指標尚未超出油質指標標準值，但液壓油的顆粒污染度NAS等級均大于12級，已達到換油指標。由此看出，電廠維護人員在每年機組檢修期間凈化處理后液壓油品質能得到一定的改善，但未能從根本上解決以上超標問題。

另外，電站4號機液壓啟閉機又發(fā)生過一次較嚴重的防雨罩進水情況，油液中水分嚴重超標，導致液壓油乳化，加劇了油品質惡化，嚴重影響該液壓啟閉機的安全可靠運行。采用油循環(huán)凈化處理措施已不經(jīng)濟，并且檢修期間進行液壓油凈化處理時，僅能處理主油箱中的油液，無法實現(xiàn)對啟閉機整個系統(tǒng)中全部油液進行徹底循環(huán)處理。因此，只能整體更換合格的新液壓油，才能從根本上解決油質不達標問題。

表3 液壓啟閉機抗磨液壓油油樣化驗結果表

2 液壓啟閉機液壓油更換方法改進

2.1 液壓啟閉機結構及運行原理

沙沱水電站進水口快速事故閘門液壓啟閉機主要由液壓油缸、液壓泵站(含兩臺柱塞油泵及液壓閥組)、主油箱、高位油箱、機架(支座)、管路系統(tǒng)和自動控制系統(tǒng)(含監(jiān)控測量元件)組成，安裝示意見圖1。

圖1 液壓油缸、機架和閘門安裝示意圖

液壓啟閉機基本運行原理是：①當液壓油泵啟動，空載運行延時后電磁閥動作，系統(tǒng)加載且提門電磁閥動作，使得壓力油直接進入油缸下腔，實現(xiàn)閘門提升，同時油缸上腔液壓油經(jīng)過插裝閥下腔和回油濾芯，排回主油箱。②當機組有事故、現(xiàn)地或遠方操作落門按鈕時，落門電磁閥動作，插裝閥動作，使得油缸上、下腔油管接口聯(lián)通，閘門在自重作用下將油缸下腔的液壓油排至油缸上腔，實現(xiàn)閘門快速下落，同時上、下腔液壓油的體積差由高位油箱存放的液壓油進行自流補油。③當高位油箱油位低于設置油位下限時，自動控制系統(tǒng)啟動液壓油泵，延時后加載電磁閥動作后系統(tǒng)加載，且補油電磁閥得電，油泵直接將主油箱的液壓油泵入高位油箱，高位油箱油位正常后自動停止注油。

2.2 液壓啟閉機換油方法改進

針對在機組檢修期間，對進水口快速事故閘門液壓啟閉機換油的工作需求，設備生產(chǎn)廠家提供的換油方法為將進水口快速事故閘門全關，此時活塞桿全部伸出，活塞處于最低位置，液壓油缸內液壓油主要存儲于上腔，則分別對主油箱、高位油箱和液壓油缸上腔進行排油。主油箱和高位油箱均有排油管和放空閥，用臨時管路接入廢油收集容器中，即可實現(xiàn)排油。液壓油缸上腔液壓油的排出需將油缸上端蓋打開，放入臨時吸油泵的吸油管，利用臨時油泵進行抽排。此方法看似步驟簡單，但液壓油缸上腔排油過程中，實施難度較大，涉及高空作業(yè)，且需搭設臨時作業(yè)平臺。拆除液壓油缸上端蓋時，因其與缸體止口配合關系，會造成部分液壓油溢出灑落，造成設備表面污染及環(huán)境污染風險。油缸高度較高，常規(guī)吸油泵的吸出高度不足，無法將液壓油缸上腔底部的油液完全抽出排空。裝復時需更換上端蓋和缸體把合面的密封件，造成備件的消耗，且需重新調整校對安裝在上端蓋上部的開度編碼器等。由于液壓油缸屬于戶外設備，在拆、裝上端蓋過程中，對環(huán)境條件要求較高，下雨、下雪、大風、大霧等天氣條件均無法開展工作，且打開端蓋后有異物掉落或缸體損壞的風險。因此，廠家提供的原換油方法存在極大的風險和事故隱患，不利于保證人身安全、設備安全，不利于機組檢修工期的控制。

筆者在仔細研究現(xiàn)場設備的布置和液壓啟閉機系統(tǒng)原理，結合機組檢修安全措施的執(zhí)行等情況，利用液壓啟閉機在閘門下落過程中，液壓油缸下腔的液壓油會置換至液壓油缸上腔且不會回流至主油箱，同時在閘門提升過程油泵打出的壓力油全部進入下腔，上腔油液的全部回流至主油箱這一特點，依靠液壓啟閉機電氣控制系統(tǒng)，創(chuàng)造性地提出了液壓啟閉機液壓油缸排油的新方法，對廠家提供的標準換油方法進行改進，使液壓啟閉機換油工作更安全、更高效、更易于控制。

改進后的液壓啟閉機換油方法分為以下8個步驟：①機組檢修安全措施中落下進水口檢修閘門，進水口快速事故閘門保持充水閥高度(300 mm)以上的小開度，保證液壓啟閉機高位油箱油量不少于該閘門當前開度下落至全關時的補油量；②可靠斷開進水口快速事故閘門液壓啟閉機所有電源及液壓油管路上的截止閥，對液壓啟閉機主油箱進行排油；③打開主油箱檢修進人孔，對油箱內部進行清掃，通過驗收后封閉主油箱的檢修進人孔；④給主油箱注入滿足整臺液壓啟閉機所需足量的合格的新液壓油，把主油箱上部液壓閥塊出口的回油管口進行改接，接至舊油回收容器中；⑤液壓啟閉機操作功能保留現(xiàn)地操作，切除高位油箱自動補油功能，對液壓啟閉機電氣控制系統(tǒng)上電，打開啟閉機操作油管路上的截止閥，現(xiàn)地操作啟閉機使進水口快速事故閘門落下至全關位置，則油缸下腔的舊液壓油全部轉移至油缸上腔，不會對主油箱已注入的合格的新液壓油造成影響和污染；⑥閘門全關后，迅速操作液壓啟閉機提升進水口快速事故閘門，提升過程中，主油箱新油進入油缸下腔，油缸上腔的舊油經(jīng)回油管排至舊油盛放容器中；⑦閘門提升至全開后，油缸下腔已全部注入新油，上腔舊油全部排出，液壓油缸上、下腔已換油完成，恢復改接的回油管口，使其正常接至主油箱；⑧將高位油箱剩余的舊油進行排空，打開其檢修進人孔，對油箱內部進行清掃，通過驗收后封閉主油箱的檢修進人孔，用液壓油泵直接將主油箱的新油泵入高位油箱，注油至正常油位。

改進后的換油方法，保證系統(tǒng)中的舊油不會影響和污染新液壓油，兩種油液不發(fā)生混合。該方法操作靈活，可以根據(jù)機組安全措施執(zhí)行情況進行細微調整，個別機組高位油箱和主油箱之間的逆止閥密封效果不好，存在高位油箱的舊油倒流回主油箱的風險時，可以在第②、③步驟中同時對主油箱和高位油箱進行排油、清掃，在第④步給主油箱注入新油后，同時給高位油箱注入新油，也可以達到換油的效果，同時省略第⑧步驟。第⑥步驟中，在閘門提升過程中若主油箱新油油量不夠時，可以隨時停止提升，給主油箱中補充新油后繼續(xù)提門操作；在閘門提升過程中若盛裝舊油的容器已裝滿時，也可以隨時停止提升，更換舊油盛裝容器后繼續(xù)提門操作。若第⑤步和第⑥步之間銜接操作時間未控制好，未盡快提升快速事故閘門，造成檢修閘門和快速事故閘門之間積水，也可以中斷整體換油工作，在機組檢修工作結束后，機組進行充水試驗時，配合提門充水操作進行油缸中液壓油更換。

2.3 4號機液壓啟閉機實施換油

2019年3月，沙沱水電站在#4機組C修期間，采用改進后的液壓啟閉機液壓油更換方法，對#4機液壓啟閉機不合格的液壓油進行更換。檢修人員提前加工制作了回油管專用改接管口，提前開展新油的檢測化驗和轉運工作，提前做好舊油的回收、盛放準備，使得整個換油過程順利、平穩(wěn)、可控，僅用了3 d完成整臺啟閉機的換油工作，換油量約6 t(7 000 L)，未發(fā)生跑冒滴漏等異常情況，未發(fā)現(xiàn)影響人身安全和設備安全的因素。實施換油的所有節(jié)點均按計劃進行，大部分操作步驟都允許隨時暫停和間斷，未發(fā)生應急處置和加班加點的情況，極大提高了工作效率，降低檢修人員的勞動強度。通過4號機液壓啟閉機換油工作，證明改進后的液壓油更換方法是行之有效的工作方法，換油后該啟閉機運行正常，液壓油品質整體達到各項指標要求，根本性地提高了設備的健康水平。

3 換油方法改進后的分析和總結

3.1 4號機液壓油缸上腔排油操作次數(shù)偏多原因

在換油過程中檢修人員采用容積為200 L油桶對舊油進行收集。按照等體積換算的方法，油缸上腔排出的舊油若將200 L油桶裝滿，需要操作液壓啟閉機閘門提升高度約為700 mm，即h=V/S=200 L/πr2(式中r為液壓油缸內部截面半徑)，則從閘門全關0 mm提升全開位置10 800 mm，應該操作16次即可。

檢修人員換油過程中，提門操作達22次，比計劃提升操作次數(shù)稍多。分析其換油操作的過程，檢修人員在排油過程中，為了防止盛裝舊油的200 L油桶盛裝過滿導致溢出、不便于轉運，每只油桶盛油量約為油桶總容積八九成時即停止提升，造成操作次數(shù)增加。

另外，檢修人員選擇排出舊油的轉接口不是油缸上腔回油管的管口，而是啟閉機液壓油回油總管的管口，啟閉機回油總管還承接油泵啟動后空載運行的溢油，導致提升閘門時油泵空載運行的延時期間，油泵將主油箱內注入的新油從回油總管處泵出，浪費了部分新油且占據(jù)了盛裝舊油油桶的部分容積，對應單次提升操作啟閉機的高度減小，造成操作次數(shù)增加。

3.2 4號機液壓啟閉機換油量誤差分析

4號機液壓啟閉機此次換油共消耗新油35桶，約7 000 L，整個系統(tǒng)液壓油更換完畢后收集到的舊油油量約為7 000 L。換油前后注入的新油與排出的舊油油量基本一致，各油箱換油前后油位大致相當，表面上看似嚴絲合縫，其實換油量已超出系統(tǒng)實際使用油量，這一點誤差引起筆者關注。筆者在4號機液壓啟閉機換油前，對該啟閉機實際運行油量進行核算，主油箱、高位油箱和啟閉機全部油量約為6 400 L。換油后，消耗的新油與啟閉機中舊油兩者相差約600 L的油量。

根據(jù)油缸上腔排油操作次數(shù)計算，提升閘門時油泵空載運行的延時期間，油泵將主油箱內注入的新油從回油總管處泵出，浪費了部分新油。油泵的排量為2.5 L/s，按照操作提升閘門至全行程操作22次，手動操作規(guī)程中規(guī)定每次操作油泵空載運行10 s延時后，液壓系統(tǒng)才開始加載，計算出壓油泵空載運行期間泵出的新油油量為V=Qt=2.5×22×10=550 L，則表明新油實際沒有注入設備內，而是和舊油一起排出。

另外，主油箱注入新油時，采用臨時吸油泵從200 L的新油桶中直接抽入，抽油泵吸油口不可能將新油完全抽出，新油桶底部會殘余少量新油，35個新油桶中的殘余新油總量約50 L左右。油泵空載運行排出的新油和油桶殘余的新油油量之和約為600 L。

實際更換到啟閉機內部的新油仍為6 400 L，還有約600 L的新油在換油過程中被視作舊油，未能利用。

3.3 換油方法改進后的進一步優(yōu)化

針對在4號機液壓啟閉機采用改進后的液壓油更換方法換油作業(yè)中，造成部分新油油品浪費和過于頻繁的手動操作次數(shù)，筆者再提出換油作業(yè)中的以下優(yōu)化措施：在改接舊油回收油口時，一定要選擇在油缸上腔排油管的接頭處改接，同時將油泵空載運行時的溢油管口與回收舊油管口可靠隔離，保證油泵空載運行時泵出的新油完好地流回主油箱，減少油品的浪費。在選擇盛裝回收舊油的容器時，盡可能選擇敞口的非密閉大容量的容器，這樣就會提高液壓油缸上腔排油的連續(xù)性，減少提升閘門的操作次數(shù)。

還可將啟閉機工作行程的上限值臨時設定為最大行程，以便于對液壓油缸上腔的全部液壓油進行更換。

4 結 語

相較于原來的換油方法，液壓啟閉機液壓油更換方法的改進和進一步優(yōu)化，提高了液壓啟閉機液壓油更換的可操作性，而且利用提升閘門時對油缸上腔舊油產(chǎn)生的壓力，無論舊油盛裝容器擺放在何處，都可以使舊油順利排入，減少了抽排設備的投入，也降低了舊油容器裝滿之后轉運的難度。改進后的換油方法結合進一步優(yōu)化措施的應用，能最大限度減少液壓油的消耗浪費、減少不必要的備件物資消耗、簡化檢修工藝流程、降低環(huán)境污染風險和人身、設備安全風險。