惠南莊泵站液控蝶閥運(yùn)行問題分析與處理

唐文富

（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局北京分局，北京 100038）

1 引言

惠南莊泵站是南水北調(diào)中線干線工程唯一的一座大型加壓泵站，承擔(dān)著向北京供水的重要任務(wù)。泵站設(shè)計(jì)流量60m3/s，揚(yáng)程58.2m，共安裝有8臺臥式單級雙吸離心泵，6工2備，單泵流量10m3/s，配套電動機(jī)功率7300kW。每臺水泵出口均安裝有1臺希斯威系列2200KD741X-10V型自動保壓重錘式液控蝶閥，作為水泵出口的控制主閥，在停泵過程中，特別是事故停泵過程中用以快速切斷水流，防止水泵反轉(zhuǎn)并消除水錘危害，對保護(hù)水泵及其出水管道安全起著非常重要的作用。

惠南莊泵站自啟泵加壓運(yùn)行以來，液控蝶閥出現(xiàn)了開關(guān)閥時(shí)間飄移、位置信號失靈、保壓時(shí)間短、系統(tǒng)突然失壓、電磁閥拒動等問題，已造成多次故障停泵或啟泵不成功等情況?；诖耍瑢Υ嬖诘膯栴}進(jìn)行分析、研究，并對其液壓及電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行改造處理，以保障泵站安全穩(wěn)定運(yùn)行和北京的供水安全。

2 液控碟閥主要工作特點(diǎn)

（1）液控蝶閥后是長距離出水管道，長約56.4km。

（2）液控蝶閥開、關(guān)閥時(shí)間長，其中開閥時(shí)間200s，關(guān)閥時(shí)間250s。開、關(guān)閥時(shí)間可根據(jù)需要現(xiàn)場整定。

（3）正常關(guān)閥、事故關(guān)閥均采用快、慢關(guān)2階段關(guān)閉方式，其中快關(guān)時(shí)間40s、慢關(guān)時(shí)間210s，快、慢關(guān)轉(zhuǎn)換角度66°。

（4）泵閥聯(lián)動，采用先啟泵后開閥即水泵關(guān)閥（造壓）啟動和先關(guān)閥后停泵方式。

（5）液控蝶閥關(guān)閥超時(shí)（超過300s）或關(guān)閥拒動時(shí)，開啟閥后電動檢修閥門以切斷水流。

3 主要問題及原因分析

3.1 開、關(guān)閥時(shí)間漂移

開、關(guān)閥時(shí)間不穩(wěn)定，時(shí)大時(shí)小，且偏差值大、無規(guī)律，甚至出現(xiàn)關(guān)閥超時(shí)等情況。造成開、關(guān)閥時(shí)間變化的主要原因?yàn)椋?/p>

（1）液壓元件加工精度不夠。節(jié)流閥等閥件、閥塊為閥門廠家自制產(chǎn)品，特別是節(jié)流閥閥芯為手工開槽，加工精度低，影響油流量穩(wěn)定。

（2）節(jié)流閥選型不佳。節(jié)流閥選用錐形閥芯，由于關(guān)閥油流量小，相比槽形節(jié)流閥而言，錐形節(jié)流閥開度小，容易受到干擾。

（3）油泵電機(jī)性能波動，有時(shí)達(dá)不到額定出力，時(shí)大時(shí)小，造成油壓力變化大。

（4）溫度變化，包括油溫對粘度、熱脹冷縮和油泵電機(jī)性能的影響。

（5）液壓油的清潔度不夠，閥口因靜電吸附而堵塞。

（6）震動造成閥件的開口變化。

（7）溢流閥的性能波動造成系統(tǒng)的有效油流量變化。

（8）油泵及閥組磨損、密封件老化、破損及密封不嚴(yán)等造成油流量不穩(wěn)定。

（9）關(guān)閥到位后行程開關(guān)未發(fā)出信號，造成關(guān)閥超時(shí)。

3.2 電磁閥拒動

電磁閥為閥門廠家自制產(chǎn)品，不及專業(yè)液壓廠家的加工工藝水平及技術(shù)水平，自制電磁閥加工精度不夠，工作穩(wěn)定性、可靠性不高。

3.3 液壓系統(tǒng)保壓時(shí)間較短，油泵啟動補(bǔ)壓頻繁

液壓系統(tǒng)保壓10h左右，由最大工作壓力10MPa降至啟動油泵補(bǔ)壓壓力6MPa，不滿足48h內(nèi)液壓系統(tǒng)工作壓力值下降不大于3MPa的要求[1]。造成保壓時(shí)間短的原因主要為：

（1）采用彈簧式蓄能器，受彈簧自身特性的限制，所能向系統(tǒng)提供的油量有限，從而使系統(tǒng)的保壓時(shí)間受到一定的局限性。

（2）液壓系統(tǒng)密封件老化、破損，造成油的內(nèi)泄漏量增大。

3.4 液壓系統(tǒng)不能建立油壓

水泵機(jī)組啟動過程中，液壓系統(tǒng)建立不了壓力，導(dǎo)致不能開閥；開閥后保壓運(yùn)行中，系統(tǒng)壓力下降并啟動油泵，系統(tǒng)壓力不能回升，造成重錘掉壓因而故障停機(jī)。不能建立油壓的主要原因?yàn)椋?/p>

（1）油泵出口溢流閥異常卸荷。

（2）液壓系統(tǒng)密封件老化、破損，造成油的內(nèi)泄漏量大。

3.5 開、關(guān)閥過程中，20%開度內(nèi)閥門振動較大

水泵機(jī)組啟停采用先啟泵后開閥和先關(guān)閥后停泵方式，在蝶閥小開度時(shí)，閥前后壓差大，通過閥板的水流速度快，產(chǎn)生射流，同時(shí)水流紊亂，使得閥門振動較大。

3.6 上位機(jī)不能監(jiān)視液壓系統(tǒng)油壓、油位及開關(guān)閥時(shí)間

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中未接入液壓系統(tǒng)油壓、油位及開關(guān)閥時(shí)間等信號。

3.7 閥板位置信號失靈

開、關(guān)閥過程中，開度顯示數(shù)值跳變，閥門全開、全關(guān)后，全開、全關(guān)指示燈有時(shí)未亮，并報(bào)閥門開、關(guān)閥超時(shí)或拒動故障。其主要原因?yàn)椋?/p>

（1）閥板開度信號由安裝在閥軸端部中心的角位移傳感器輸出，其轉(zhuǎn)軸隨閥軸轉(zhuǎn)動，在開、關(guān)閥過程中，由于閥門振動使電位器電刷跳動導(dǎo)致輸出信號波動，從而導(dǎo)致開度顯示數(shù)值跳動。

（2）閥板位置信號由安裝在閥軸周圍的4個(gè)接觸式機(jī)械行程開關(guān)發(fā)送，同樣因?yàn)殚_、關(guān)閥過程中存在振動，使得行程開關(guān)接觸不良，有時(shí)出現(xiàn)開、關(guān)閥到位后行程開關(guān)不可靠動作，導(dǎo)致位置指示燈回路不能接通和開、關(guān)閥控制回路不能斷開，從而造成全開、全關(guān)指示燈有時(shí)未亮，并報(bào)閥門開、關(guān)閥超時(shí)或拒動故障等。

4 處理方案

對液控蝶閥的液壓及電氣控制系統(tǒng)等進(jìn)行改造。

4.1 改造目標(biāo)

（1）提高閥門設(shè)備液壓和電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，平均無故障運(yùn)行時(shí)間≥25000h。

（2）改善液壓系統(tǒng)的時(shí)間穩(wěn)定性，時(shí)間誤差＜±2.5%，穩(wěn)定達(dá)到表1中時(shí)間精度。

表1 液控蝶閥開、關(guān)閥時(shí)間要求

（3）提升液壓系統(tǒng)的保壓時(shí)間及保壓性能，保壓時(shí)間提升至200h以上。

4.2 液壓系統(tǒng)改造

基于原液壓系統(tǒng)采用自制間隙節(jié)流閥調(diào)速，系統(tǒng)的壓力、油溫、流量的大小對節(jié)流閥調(diào)流桿產(chǎn)生大的波動，造成開、關(guān)閥時(shí)間的大幅跳動，改造后采用電磁比例換向閥和電磁比例調(diào)流閥來調(diào)節(jié)流量，保證在固定時(shí)間內(nèi)通過的油流量，確保開關(guān)閥時(shí)間的可靠性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。為此，更換液壓站及閥件等，對原液壓系統(tǒng)（圖1）進(jìn)行整體改造，改造后的液壓系統(tǒng)見圖2。

（1）在開閥及正常關(guān)閥油路中，采用德國Rexroth電磁比例調(diào)流閥自動調(diào)速代替原系統(tǒng)中的節(jié)流閥機(jī)械調(diào)速，通過控制電磁鐵電流控制閥芯開度（流量），保證開、關(guān)閥時(shí)間在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。同時(shí)，在系統(tǒng)中加裝壓力補(bǔ)償器及外部比例放大器，將閥口后的負(fù)載壓力引入壓力補(bǔ)償閥，對閥口前的壓力進(jìn)行調(diào)整并保持閥口前、后的壓差為常值，使流經(jīng)閥口的流量大小僅與該閥口的開度有關(guān)，而不受負(fù)載壓力的影響，進(jìn)一步提高閥的控制精度。

圖1 改造前液壓系統(tǒng)原理圖

圖2 改造后液壓系統(tǒng)原理圖

（2）在事故關(guān)閥油路中，考慮到出現(xiàn)事故工況時(shí)，可能面臨控制電源消失等異常情況，采用純機(jī)械調(diào)速方式，即采用帶粘度、溫度、負(fù)載補(bǔ)償?shù)挠艽斡脱蠪CG-01系列調(diào)速閥代替原系統(tǒng)中的普通節(jié)流閥，以解決普通節(jié)流閥受粘度、溫度、負(fù)載等因素影響造成的油流量波動，從而達(dá)到較高的速度精度。對此，專門制作、更換油缸缸蓋，更改原油路，將原插裝在缸蓋內(nèi)的自制調(diào)節(jié)桿改為瑞士Wandfluh電磁球閥和榆次油研FCG-01精密調(diào)流閥，實(shí)現(xiàn)事故情況下閥門快關(guān)、慢關(guān)功能。

（3）采用進(jìn)口油泵、電機(jī)、溢流閥，以減少壓力和流量脈動。原系統(tǒng)采用國產(chǎn)油泵及電機(jī)，其壓力和流量脈動誤差為±2.5%[2]。改造后系統(tǒng)采用德國Rexroth定量齒輪泵和ABB電機(jī)，其壓力和流量脈動誤差可以控制在±1%以內(nèi)，以提高系統(tǒng)的時(shí)間穩(wěn)定性。

（4）在滿足開閥時(shí)間的前提下，降低油泵的排量，以減少溢流閥排出多余的油量，使溢流閥動作頻率減少，從而減少溢流閥所產(chǎn)生的熱量，達(dá)到減少對油溫影響的目的。改造后的系統(tǒng)回油箱相比原系統(tǒng)回油箱尺寸及其容積加大，溢流閥回油管口遠(yuǎn)離油泵吸油口，保證其對油泵不產(chǎn)生影響。

（5）供、回油管路中增設(shè)過濾器，保證液壓油的清潔度，從而保證閥件動作靈活、平穩(wěn)。在油泵進(jìn)、出口分別設(shè)置100μm粗過濾器、5μm高精度高壓管路過濾器，保證電磁比例換向閥、電磁比例調(diào)流閥過油精度，使閥不卡阻；在總回油管上設(shè)置10μm的回油過濾器，對管路和油缸、閥磨損產(chǎn)生的顆粒進(jìn)行收集，避免再次進(jìn)入系統(tǒng)。

（6）采用大容量的皮囊式蓄能器。能向系統(tǒng)提供約750mL的系統(tǒng)保壓用油量，是原彈簧式蓄能器所提供油量的12.5倍，從根本上提升液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性及保壓性能，避免油泵電機(jī)的頻繁啟動，進(jìn)而提高系統(tǒng)的使用壽命。

4.3 電控柜改造

整體更換原電氣液壓控制柜。增加3個(gè)模擬量擴(kuò)展模塊，其中1個(gè)模擬量輸入模塊用于采集閥門開度，1個(gè)模擬量輸出模塊控制開閥電磁比例調(diào)流閥及正?？礻P(guān)電磁比例調(diào)流閥，1個(gè)模擬量輸出模塊控制正常慢關(guān)電磁比例調(diào)流閥及閥門開度輸出；電磁鐵電壓改為直流24V，開關(guān)電源功率相應(yīng)加大。

重新編制PLC程序，并增加觸摸屏。PLC采集閥門開度傳感器信號，采用算法處理，將閥門開度分割為10等分，每9°達(dá)到時(shí)進(jìn)行1次速度對比，若時(shí)間有偏差，輸出新的速度到比例閥，進(jìn)一步提高閥門控制精度，從而保證開、關(guān)閥門時(shí)間控制在正常范圍內(nèi)。

液壓系統(tǒng)壓力、油箱油位、閥位及開關(guān)閥時(shí)間通過硬接線上送至上位機(jī)，PLC同時(shí)采集閥位信號，并輸出4路DC4～20mA信號，分別控制開閥電磁比例調(diào)流閥、正?？礻P(guān)電磁比例調(diào)流閥、正常慢關(guān)電磁比例調(diào)流閥及閥位顯示。

4.4 閥位變送器及行程開關(guān)改造

閥位變送器由角位移傳感器改為拉繩位移傳感器（模擬量輸出），傳感器與閥軸為軟性連接；行程開關(guān)由接觸式機(jī)械行程開關(guān)改為圖爾克Ni4-M12-AD4X型無觸點(diǎn)接近開關(guān)。以此消除開關(guān)閥過程中閥門振動對傳感器測值和行程開關(guān)動作的影響，保證閥門位置開度信號準(zhǔn)確及行程開關(guān)動作正確、可靠。

另外，增加一個(gè)全關(guān)差5°的接近開關(guān)用于停水泵，減小停泵過程中閥門在小開度下的振動。

5 結(jié)語

通過對液控蝶閥液壓及電氣控制系統(tǒng)的升級改造，采用電液比例閥自動調(diào)速代替機(jī)械調(diào)速，采用帶粘度、溫度、負(fù)載補(bǔ)償?shù)恼{(diào)速閥代替普通節(jié)流閥，以及更換油泵、蓄能器、溢流閥等措施，基本消除了開、關(guān)閥時(shí)間漂移問題，極大提高了液壓系統(tǒng)保壓時(shí)間，保證了液控蝶閥運(yùn)行穩(wěn)定性、可靠性，為惠南莊泵站水泵機(jī)組及其出水管道安全運(yùn)行提供了保障。

當(dāng)今技術(shù)進(jìn)步日新月異，智能控制、故障診斷、云平臺等技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成熟，如果條件允許，建議在閥門設(shè)計(jì)或技術(shù)改造時(shí)，綜合運(yùn)用現(xiàn)代機(jī)電一體化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)及5G移動通信等，建立閥門智能監(jiān)控與故障診斷系統(tǒng)及云平臺，實(shí)現(xiàn)閥門狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障自動診斷、故障短信預(yù)警和閥門維護(hù)保養(yǎng)通知推送等功能，更好地保證閥門運(yùn)行安全和狀態(tài)最優(yōu)。