青草沙水庫取水閘門液壓啟閉機(jī)應(yīng)急閉門改造

陳 敏

（上海城投原水有限公司，上海 200125）

1 取水閘門概況

位于上海長興島北側(cè)的青草沙水庫，是我國最大的蓄淡避咸河口江心水庫，能有效應(yīng)對長江冬季咸潮和各類突發(fā)水污染事故，向中心城區(qū)供應(yīng)安全、優(yōu)質(zhì)的長江原水。水庫上游取水閘門主要功能為非咸潮期自流引水入庫、咸潮期搶引淡水（表2）。取水閘東西方向設(shè)置5 孔潛孔式閘門，雙吊點平面定輪鋼制閘門。由于閘段跨度較長，配置2 套液壓啟閉機(jī)進(jìn)行操作（倒掛式雙作用液壓缸啟閉機(jī)），其中一套控制3 孔閘門，另一套控制2孔閘門（表2）。

表1 取水閘工作閘門技術(shù)參數(shù)

表2 液壓啟閉機(jī)技術(shù)參數(shù)

2 存在問題

青草沙水庫上游取水閘門，利用庫內(nèi)外潮位差開閘引水期間，應(yīng)對長江沉船、江面油污、漂浮垃圾、水質(zhì)污染及咸潮入侵等各類突發(fā)水質(zhì)風(fēng)險時，需要立即閉門避污避咸。在這個關(guān)鍵時刻，如果閘門操作設(shè)備液壓啟閉機(jī)發(fā)生以下情況：①啟閉機(jī)電氣元件故障，包括液壓泵電機(jī)、軟啟動、PLC 控制器等；②啟閉機(jī)液壓元件故障，包括液壓泵、電磁溢流閥、換向閥、糾偏閥、液控單向閥及順序閥等；③啟閉機(jī)設(shè)備供電跳閘、停電等，將無法進(jìn)行閉門操作。取水閘門總寬70 m 進(jìn)水流量巨大，避污避咸分秒必爭，等待專業(yè)維修人員趕至現(xiàn)場排故、搶修或恢復(fù)供電，時間上根本不允許。目前，針對上述常見故障，現(xiàn)有啟閉機(jī)設(shè)備未配置有效的應(yīng)急操作功能。

因此，為了確保青草沙水庫的供水安全，降低水質(zhì)事故風(fēng)險，需要對現(xiàn)有閘門液壓啟閉機(jī)設(shè)備進(jìn)行改造，使其在上述故障發(fā)生時，具備迅速、有效且安全地將取水閘門關(guān)閉的功能。

3 改造方案

3.1 技術(shù)要求

液壓啟閉機(jī)應(yīng)急閉門改造必須以迅速、有效、安全為原則，結(jié)合閘門運(yùn)行工況、現(xiàn)有啟閉機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)、功能及特性、操作人員的配置情況以及現(xiàn)場操作環(huán)境等因素綜合考慮，改造基本要求如下：①主要針對上游取水閘門正向引水常見工況；②手動操作方式，操作簡便，無需使用工具；③操作環(huán)境不受惡劣天氣影響；④無需額外液壓源，采用獨立液壓回路及元件；⑤閉門過程中，閉門速度及雙缸同步誤差可控制調(diào)節(jié)；⑥改造措施易于實施。

3.2 改造方案

上游取水閘門門體自重（每扇包括2 個液壓缸缸體、6 個懸臂滾輪等）約47 t，根據(jù)估算及10年的運(yùn)行經(jīng)驗，在閘門正向引水的常見工況下，閘門自重足以克服來自滾輪、止水等閉門運(yùn)行阻力。具體方案為：將被操作閘門的兩側(cè)液壓缸的無桿腔與有桿腔通過管路相連通，同時切斷液壓缸與液壓單元之間的油路，在閘門自重的作用下，將有桿腔的液壓油直接壓入無桿腔中，隨之液壓缸缸體下降，從而實現(xiàn)關(guān)閉閘門的操作。

液壓缸中有桿腔與無桿腔存在容積差，閘門關(guān)閉過程中，無桿腔中會產(chǎn)生一定負(fù)壓，為保證閘門平穩(wěn)關(guān)閉，在無桿腔總油路上再設(shè)置了獨立的補(bǔ)油回路及單向閥與液壓油箱相連，當(dāng)無桿腔產(chǎn)生負(fù)壓時，來自油箱的液壓油可通過此油路補(bǔ)入無桿腔中。

另外，在兩側(cè)液壓缸有桿腔總油路上設(shè)置一個流量調(diào)節(jié)閥，用于控制閘門整體下降速度，防止過速下降，沖擊底檻；在有桿腔支路上，各設(shè)置1 個流量調(diào)節(jié)閥，應(yīng)對由于閘門兩側(cè)運(yùn)行阻力不同而導(dǎo)致兩側(cè)液壓缸產(chǎn)生同步誤差時，通過單獨調(diào)節(jié)對應(yīng)液壓缸的下降速度，來控制、修正兩側(cè)液壓缸的同步誤差值，防止閘門因門體傾斜過度，在門槽中卡死。

將上述功能閥件組成的應(yīng)急手動操作閥組，制作成一體式閥塊，安裝在液壓站內(nèi)的液壓單元油箱旁，便于與液壓缸油管連接及切換操作且不受環(huán)境天氣影響。2 套啟閉機(jī)，各配置1 套應(yīng)急手動操作閥組，其中一處為3 孔閘門共用一套，另一處為2 孔閘門共用一套。實際操作時，通過切換管路球閥，來選擇需要被操作的閘門。

圖1 3 孔液壓啟閉機(jī)改造液壓原理

3.3 閥組選型配置說明

該應(yīng)急操作閥組主要組成為有桿腔微調(diào)節(jié)流閥、有桿腔總節(jié)流閥、板式高壓球閥及無桿腔補(bǔ)油管路等。應(yīng)急自重閉門過程中，門體兩側(cè)因運(yùn)行阻力不同，形成雙缸同步誤差，由于此時PLC 不參與液壓缸速度調(diào)節(jié)且閘門寬度大（14 m），也不能依靠門體剛性同步雙缸，只能通過手動調(diào)節(jié)節(jié)流閥的方式來控制雙缸下降速度，這就要求閘門自重關(guān)閉速度不宜過快。根據(jù)實際工況條件，將閉門速度控制在0.3 m/min 以內(nèi)較為合適。

閘門自重47 t，應(yīng)急閉門過程中，需要利用閘門自重克服閉門阻力。根據(jù)目前的正向引水工況，閉門阻力主要為閘門滾輪及止水帶的摩擦力，并且大小與水庫內(nèi)外水頭差及庫外潮位成正比。當(dāng)閘門自重與閉門阻力的差值接近0 時，閘門將無法依靠自重下降了。根據(jù)估算及近10年的運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)，正向引水工況下，有桿腔中產(chǎn)生的壓力范圍約為2～4 MPa，由此可見，有桿腔壓力最小富余值為2 MPa。所以在閥件選型時，油路上所有閥件產(chǎn)生的壓降越小越好。根據(jù)實際操作經(jīng)驗，這里設(shè)定不超過1 MPa。

（1）有桿腔微調(diào)節(jié)流閥的選擇。根據(jù)自重閉門速度，單支油缸產(chǎn)生的回油量。其中，D 為液壓缸的缸徑，為3 dm；d 為液壓缸的桿徑，為1.4 dm；V 為液壓缸運(yùn)行速度，為3 dm/min。

計算得，回油量為16.5 L/min。選型時還需考慮調(diào)節(jié)圈數(shù)及調(diào)節(jié)反應(yīng)速度，選型太小，調(diào)節(jié)反應(yīng)太過靈敏；反之則太遲鈍。參考力士樂DV 系列節(jié)流閥的工作曲線，最終選用DV12 規(guī)格的節(jié)流閥，在16.5 L/min 的工作流量，調(diào)節(jié)穩(wěn)定圈數(shù)設(shè)定在6 圈，壓降約為0.5 MPa。

（2）有桿腔總節(jié)流閥的選型。液壓缸單支回油量為16.5 L/min，有桿腔總回油量則為33 L/min。參考力士樂DV 系列節(jié)流閥的工作曲線，選用DV16 規(guī)格的節(jié)流閥，調(diào)節(jié)圈數(shù)設(shè)定在6 圈，壓降約為0.33 MPa。

（3）其余切斷用球閥均選用DN20 通徑，低流量壓降可忽略不計。支管節(jié)流閥與總節(jié)流閥一共產(chǎn)生的壓降約為0.8 MPa，低于1 MPa。

（4）無桿腔補(bǔ)油管路。閉門過程中，單支液壓缸所產(chǎn)生的補(bǔ)油量為有桿腔與無桿腔的容積差其中，d 為液壓缸的桿徑，為1.4 dm；V為液壓缸運(yùn)行速度，為3 dm/min。則計算得補(bǔ)油量為4.6 L/min，2 支油缸總補(bǔ)油量為9.2 L/min。補(bǔ)油油管通徑計算公式。其中，V0為補(bǔ)油管的流速，一般取1 m/min。則D0為14 mm，實際選DN25 油管，直接油箱放油閥處DN25 通徑球閥連接，滿足閉門補(bǔ)油要求。

3.4 操作流程

結(jié)合液壓原理圖，以應(yīng)急關(guān)閉1#閘門為例：

（1）關(guān)閉閘門與液壓單元之間的球閥1（3 個）。

（2）打開閘門與應(yīng)急閉門操作閥組之間的球閥2（3 個）。

（3）將有桿腔微調(diào)節(jié)流閥（2 個），與有桿腔總節(jié)流閥，調(diào)節(jié)圈數(shù)至6。

（4）先打開板式高壓球閥3（2 個），再緩慢打開板式高壓球閥6，閘門開始下降。

（5）當(dāng)出現(xiàn)雙缸同步誤差時，可以選擇液壓缸相對應(yīng)的有桿腔微調(diào)節(jié)流閥4 進(jìn)行調(diào)節(jié)：下降速過快，順時針旋轉(zhuǎn)減小流量；下降速度過慢，逆時針旋轉(zhuǎn)增大流量。微調(diào)節(jié)流閥調(diào)整幅度為0.5 圈/次，由于閘門整體下降速度較慢，速度變化略有滯后，所以每次調(diào)節(jié)完0.5 圈后，可以先觀察一段時間，速度穩(wěn)定之后，再進(jìn)行下一次調(diào)節(jié)。

（6）閘門關(guān)閉到位之后，立即復(fù)位操作閥組，避免影響下一扇閘門的操作。關(guān)閉板式高壓球閥6 與板式高壓球閥3（2 個），關(guān)閉球閥2（3 個），打開球閥1（3 個）。

4 總結(jié)

上游取水閘門液壓啟閉機(jī)應(yīng)急閉門改造方案實施后，在多種工況下，進(jìn)行了反復(fù)測試，效果良好，完全滿足操作簡便、迅速、有效、安全的技術(shù)要求。同時，通過對運(yùn)行操作人員的相關(guān)培訓(xùn)。定期開展閘門應(yīng)急閉門操作演練，以確保運(yùn)行操作人員在應(yīng)對上游取水閘門引水期間突發(fā)水質(zhì)風(fēng)險的時候，能夠準(zhǔn)確、熟練地實施應(yīng)急措施。