巨型水電站機(jī)組進(jìn)水口閘門啟門速度異常研究

張 堃，周立成，黃真懿，鄧友漢

（三峽水力發(fā)電廠，湖北省宜昌市 443000）

0 引言

水電機(jī)組的運(yùn)行是水能轉(zhuǎn)化電能的一種能量轉(zhuǎn)化過(guò)程，水能是機(jī)組運(yùn)行的原動(dòng)力，進(jìn)水口閘門[1]是機(jī)組最重要的設(shè)備之一，機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，通過(guò)進(jìn)水口閘門開(kāi)啟、關(guān)閉來(lái)控制水能。

該巨型水電站包括多臺(tái)水輪機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組均采用一管一機(jī)布置，每臺(tái)機(jī)組進(jìn)水口均配置了進(jìn)水口閘門。閘門具備集控、現(xiàn)地、檢修三種控制方式[2]，三種控制方式下均可對(duì)閘門進(jìn)行開(kāi)啟與關(guān)閉，閘門正常運(yùn)行在集控方式。閘門正常運(yùn)行時(shí)在充水位置平壓后自動(dòng)啟門多次報(bào)啟門速度異常故障，導(dǎo)致閘門停止開(kāi)啟，嚴(yán)重制約了機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行，本次論文通過(guò)軟件、硬件、理論計(jì)算等方面開(kāi)展閘門在運(yùn)行過(guò)程中存在的啟門速度異常研究[3]。

1 進(jìn)水口閘門啟門速度異常故障現(xiàn)象

該水電站進(jìn)水口閘門設(shè)有自動(dòng)控制和檢修方式[4]，自動(dòng)控制設(shè)有集控和現(xiàn)地兩種，自動(dòng)控制方式下具備保護(hù)功能，檢修方式下則無(wú)保護(hù)功能。遠(yuǎn)方監(jiān)控系統(tǒng)在進(jìn)行閘門開(kāi)啟的過(guò)程中，經(jīng)流道充水平壓后，油泵電機(jī)將液壓系統(tǒng)壓力升至15MPa時(shí)進(jìn)行啟門，液壓系統(tǒng)多次出現(xiàn)下述問(wèn)題：

（1）“集控”方式開(kāi)啟閘門，出現(xiàn)“啟門速度異常報(bào)警停機(jī)”故障信號(hào)并停止啟閘門。

（2）“現(xiàn)地”方式開(kāi)啟閘門，出現(xiàn)“啟門速度異常報(bào)警停機(jī)”故障信號(hào)并停止啟閘門。

（3）“檢修”方式開(kāi)啟閘門，正常啟門，但在270～300mm開(kāi)度區(qū)間啟門速度慢。

液壓系統(tǒng)啟門流程如圖1所示，啟門時(shí)油泵電機(jī)升壓使液壓油進(jìn)入有桿腔啟門，閉門時(shí)液壓油進(jìn)入無(wú)桿腔閉門，活塞桿帶動(dòng)閘門進(jìn)行啟閉。啟門過(guò)程中兩臺(tái)油泵電機(jī)啟動(dòng)后，系統(tǒng)壓力達(dá)到15MPa條件下，5s內(nèi)速度小于6mm/s將觸發(fā)速度異常故障報(bào)警并停止啟門，閘門在啟門過(guò)程中產(chǎn)生啟門速度異常主要是由以下幾個(gè)方面原因引起：

（1）液壓系統(tǒng)內(nèi)存在大量氣泡，閘門建壓過(guò)程中受壓力作用，氣泡體積縮小，使在規(guī)定時(shí)間內(nèi)壓力達(dá)不到設(shè)定值，從而無(wú)法在規(guī)定時(shí)間開(kāi)啟閘門。

（2）水中沙石過(guò)多，使固定閘門的門槽內(nèi)存在異物卡阻，造成啟門阻力過(guò)大，導(dǎo)致無(wú)法在規(guī)定時(shí)間開(kāi)啟閘門。

（3）上、下游存在的壓差過(guò)大未能平壓導(dǎo)致啟門不暢（閘門工作方式為靜水啟門、動(dòng)水落門，啟門前需充水平壓）。

2 進(jìn)水口閘門啟門速度異常故障分析

2.1 電氣控制系統(tǒng)和硬件分析

閘門系統(tǒng)包括電氣部分和硬件部分兩部分，電氣控制系統(tǒng)主要用于控制硬件部分，硬件部分主要包括閘門、油缸、液壓部分等，在對(duì)閘門啟門速度異常故障分析時(shí)，主要從以下三個(gè)部分進(jìn)行：

2.1.1 電氣控制系統(tǒng)分析

該水電站進(jìn)水口閘門開(kāi)度計(jì)算采用德國(guó)海德漢（HEIDENHAIN）生產(chǎn)的多轉(zhuǎn)絕對(duì)型編碼器將現(xiàn)場(chǎng)位置信號(hào)送至現(xiàn)地PLC控制系統(tǒng)，通過(guò)控制程序來(lái)計(jì)算閘門速度：[5]

式中：v——閘門速度；

h——閘門在t時(shí)間內(nèi)提升的高度；

t——閘門提升時(shí)間。

圖1 閘門正常運(yùn)行啟門流程圖Figure 1 Flowchart for normal operation of the gate

（1）“檢修”方式下正常啟門，數(shù)據(jù)顯示正常，電氣回路正常。

（2）落上游檢修門，將閘門處于工作在無(wú)水狀態(tài)，此時(shí)不考慮壓差影響，運(yùn)行方式切換至“集控”方式，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)令正常啟門從全關(guān)至全開(kāi)位，閘門正常開(kāi)啟，運(yùn)行平穩(wěn)無(wú)異常，系統(tǒng)壓力維持在10.2MPa左右，無(wú)任何故障出現(xiàn)。

通過(guò)上述兩種方式動(dòng)門試驗(yàn)可判斷電氣部分控制正常，信號(hào)數(shù)據(jù)采集正常，閘門門槽內(nèi)無(wú)異物卡阻，液壓系統(tǒng)內(nèi)無(wú)過(guò)量氣體。由此可推斷產(chǎn)生啟門速度異常的原因是過(guò)充水位二次啟門時(shí)充水平壓未完成，啟門阻力過(guò)大未在規(guī)定時(shí)間內(nèi)達(dá)到設(shè)定值。

2.2 閘門充水平壓位數(shù)據(jù)分析

正常轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器后，開(kāi)度指示正常；在開(kāi)度模擬量輸入端輸入4～20mA電流值，模塊計(jì)算所得的開(kāi)度與實(shí)際一致，模塊功能正常；系統(tǒng)升壓后，壓力表及控制系統(tǒng)壓力均正常一致，電氣部分功能正常。

2.1.2 硬件部分分析

為排除因門槽內(nèi)異物卡阻原因?qū)е聠㈤T速度異常，對(duì)閘門門槽[6]硬件部分進(jìn)行檢查如下：門頂、充水閥及吊耳部分外觀檢查未見(jiàn)變形、銹蝕等異?，F(xiàn)象，閘門主滑塊與主軌貼合緊密無(wú)縫隙，反向滑塊與反軌存在均勻間隙，但空間限制無(wú)法測(cè)量間隙數(shù)據(jù)，左右側(cè)主軌在靠近末端部位可見(jiàn)部分摩擦痕跡，反軌未見(jiàn)異常，硬件部分正常。

2.1.3 試驗(yàn)論證

在確認(rèn)液壓系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)和硬件部分均無(wú)異常后，在檢修方式下進(jìn)行了相關(guān)啟門試驗(yàn)[7]：

閘門在啟門過(guò)程中，如果閘門前后壓力不一致，平壓未完成，將無(wú)法對(duì)閘門進(jìn)行啟動(dòng)。閘門充水平壓時(shí)間定值為120min，為確認(rèn)經(jīng)過(guò)充水平壓時(shí)間后閘門是否平壓，現(xiàn)對(duì)閘門充水平壓位閘門進(jìn)行試驗(yàn)分析：

2.2.1 現(xiàn)地平壓方式

（1）“自動(dòng)”方式下將閘門由全關(guān)位開(kāi)啟至充水位，充水位定值為240～270mm，經(jīng)過(guò)120min充水后，監(jiān)控操作啟門，手動(dòng)平壓，系統(tǒng)出現(xiàn)“啟門速度異常報(bào)警停機(jī)”故障信號(hào)并停止啟閘門，啟門不成功，此時(shí)測(cè)量閘門前后水位：閘門前175m，閘門后165.5m，水位差9.5m，經(jīng)過(guò)充水時(shí)間后閘門未實(shí)現(xiàn)平壓。

（2）“檢修”方式下將閘門開(kāi)啟至500mm左右，此時(shí)閘門已過(guò)充水位，測(cè)量上下游水位，閘門前后均是175m，此時(shí)水位差為0，切集控方式順利啟門。

2.2.2 自動(dòng)平壓方式

考慮充水時(shí)間過(guò)短，將閘門由全關(guān)位開(kāi)啟至充水位，延長(zhǎng)充水平壓時(shí)間，經(jīng)過(guò)180min后，測(cè)量閘門前后水位：閘門前175m，閘門后165.5m，水位差9.5m，系統(tǒng)無(wú)平壓信號(hào)，由此懷疑流道下游側(cè)有部位漏水量偏大。

閘門充水后運(yùn)行數(shù)據(jù)如圖2所示，在充水位時(shí)給定平壓信號(hào)后閘門未正常運(yùn)行，過(guò)充水位后閘門運(yùn)行正常。

2.3 漏水量計(jì)算

2.3.1 理論計(jì)算

因閘門充水后門前后壓差一直為9.5m，可以推斷此時(shí)充水閥的充水量與漏水量維持平衡，故可根據(jù)充水閥的充水量計(jì)算出漏水量。根據(jù)流體力學(xué)公式[8]，將充水閥出流簡(jiǎn)化為薄壁小孔口恒定出流進(jìn)行計(jì)算，則充水流量：

式中：μ——流量系數(shù)，取0.6；

圖2 閘門充水后運(yùn)行數(shù)據(jù)Figure 2 Operating data after gate flushing

A——充水閥截面積；

h——充水閥閥口中心水頭。

當(dāng)門前后水位差9.5m時(shí)，充水流量為：

計(jì)算得出漏水量為：

2.3.2 實(shí)測(cè)計(jì)算

當(dāng)閘門處于全關(guān)位，使用水位尺測(cè)量1min調(diào)壓井（2個(gè)）水位下降高度，計(jì)算出1min漏水量（忽略閘門水封漏水量）：

2.3.3 集水井排水泵運(yùn)行數(shù)據(jù)分析

機(jī)組蝸殼滲漏水流進(jìn)集水井中，從集水井的水位和啟泵排水次數(shù)可以得出蝸殼至集水井整個(gè)管道、閥門是否漏水，從趨勢(shì)系統(tǒng)中統(tǒng)計(jì)出：集水井第一階段水位30天變化0.312m，第二階段水位20天變化0.442m，其中第二階段10月20～30日水位變化0.194m，10月31日～11月9日水位變化0.238m，其運(yùn)行具體數(shù)據(jù)如圖3所示，從集水井水位變化未出現(xiàn)異常情況。

從理論計(jì)算出的漏水量及實(shí)測(cè)漏水量數(shù)據(jù)基本一致，集水井水位數(shù)據(jù)總體平穩(wěn)，機(jī)組蝸殼、盤型閥、管道密封良好未出現(xiàn)異常。

2.4 閘門壓力計(jì)算

閘門控制系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)的機(jī)械部件正常運(yùn)行，機(jī)組蝸殼、管道、盤型閥門密封良好未出現(xiàn)異常漏水情況，閘門的開(kāi)啟和關(guān)閉是通過(guò)液壓力進(jìn)行的，最后通過(guò)理論計(jì)算來(lái)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的額定液壓是否滿足閘門啟門要求，具體計(jì)算如下：

2.4.1 啟門壓力理論計(jì)算

根據(jù)SL 74—2019《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]中有關(guān)平面閘門啟閉力的計(jì)算公式，有：

式中：FQ——啟門力，kN；

nT——摩擦阻力安全系數(shù)，可采用1.2；

n′G——計(jì)算持住力和啟門力用的閘門自重修正系數(shù)，可采用1.0～1.1；

Ws——作用在閘門上的水柱壓力，kN；

Gj——加重塊重量，kN；

Px——下吸力，kN，參見(jiàn)SL 74—2019《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄D；

Tzd——支承摩阻力，kN；

Tzs——止水摩阻力，kN。

閘門主要支撐為主滑塊支撐，兩側(cè)滾輪受力較小，因此計(jì)算時(shí)取Tzd=0；閘門全關(guān)位時(shí)，Px為0；閘門無(wú)加重塊Gj=0，取水位差為9.5m，可以得出Psz值（以下計(jì)算時(shí)涉及的物理量有：G為閘門自重，kN，當(dāng)有拉桿時(shí)應(yīng)計(jì)入拉桿重量，計(jì)算閉門力時(shí)選用浮重；P為作用在閘門上的總水壓力，kN；f1、f2、f3為滑動(dòng)摩擦系數(shù)，計(jì)算持住力應(yīng)取小值，計(jì)算啟門、閉門力應(yīng)取大值，可參照SL 74—2019《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄M選用；Pzs為作用在止水上的壓力，kN）。

圖3 集水井水位第二階段數(shù)據(jù)趨勢(shì)Figure 3 Water level data trend of catchment wells

根據(jù)SL 74—2019《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》中要求有關(guān)摩擦系數(shù)取值規(guī)定橡塑復(fù)合水封與不銹鋼止水座板為0.05～0.2，當(dāng)前取0.1。

Tzs=f3Pzs=0.1×11306=1131kN

該電站進(jìn)水閘門尺寸為9.2m×13.2m×1.65m。

理論啟門力計(jì)算：

該電站閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)容量為4000kN/8000kN，油缸內(nèi)徑710mm，活塞缸直徑330mm。

反推需要液壓?jiǎn)㈤]機(jī)系統(tǒng)壓力為：

2.4.2 實(shí)際啟門力矩計(jì)算

有水時(shí)平穩(wěn)啟門力：

2.4.3 水位差所增加的啟門力

F水頭=FQ－F=2526kN

約等于：

WS+Tzs=2544kN（垂直水壓力與水平摩擦阻力之和）

最終判斷閘門遠(yuǎn)方自動(dòng)方式下報(bào)啟門速度異常主要原因?yàn)殚l門前后的水位差過(guò)大導(dǎo)致，根據(jù)SL 74—2019《水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范》，潛孔閘門設(shè)計(jì)容許水頭差為1～5m，目前水位差已達(dá)9.5m，系統(tǒng)壓力需提升至18.4MPa才能正常啟門，當(dāng)前閘門設(shè)置系統(tǒng)壓力為15MPa，經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)壓力調(diào)整后閘門正常開(kāi)啟再未出現(xiàn)啟門速度異常現(xiàn)象。

3 結(jié)束語(yǔ)

水電站機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行重于泰山，進(jìn)水口閘門的啟門故障嚴(yán)重制約機(jī)組正常運(yùn)行，針對(duì)閘門啟門故障現(xiàn)象分析、理論計(jì)算、驗(yàn)證試驗(yàn)，快速地確定了故障原因，有效找到了解決方法，保障了水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，是水電站機(jī)組的進(jìn)水口閘門故障處理的成功范例，也為同類問(wèn)題的分析研究提供了理論支撐。