水電站大型液壓弧門不能開啟故障分析與處理

胡小剛，王 波

（1.重慶大唐國際武隆水電開發(fā)有限公司，重慶 408500；2.西藏開投果多水電有限公司，西藏 昌都 854000）

1 引言

某水電站位于烏江下游河段，為壩式水電站，屬日調(diào)節(jié)水電站，大壩為混凝土重力壩，壩頂高程227.5 m，最大壩高78.5 m，壩頂長600.1 m；水庫正常蓄水位 215 m，死水位 211.5 m，總庫容 3.2 億 m3，調(diào)節(jié)庫容0.37 億m3。電站主要建筑物有擋水建筑物、泄洪建筑物、電站廠房和通航建筑物。電站共有10個(gè)表孔，布置10 扇弧形15.50 m×20.00 m（寬×高）工作閘門，弧門最大開度28 m，由容量為2×4 600 kN的液壓啟閉機(jī)控制。該泄洪表孔三支臂弧形門曲率半徑是當(dāng)時(shí)國內(nèi)最大的。啟閉機(jī)采用現(xiàn)地控制或中央集中控制，可全程或局部開啟，為動水啟閉。同時(shí)，系統(tǒng)具有檢修調(diào)試控制功能、下滑回升控制功能以及監(jiān)視報(bào)警功能等。該電站泄洪弧門于2011 年底投入運(yùn)行。

2 液壓啟閉機(jī)工作原理

每臺液壓啟閉機(jī)由1 臺液壓泵站驅(qū)動，采用“一泵一機(jī)”傳動控制方式用2 臺油缸操作啟閉弧形工作閘門，如圖1所示。由于液壓啟閉機(jī)啟門力較大，為2×4 600 kN，考慮到液壓泵站的設(shè)備容量和電源容量以及閘門啟閉運(yùn)行安全性，每套液壓泵站設(shè)3臺手動變量柱塞泵同時(shí)工作、互為備用。油缸活塞啟門速度為0.6～0.8 m/min（可調(diào)）、閉門速度為0.5 m/mim（可調(diào)）。液壓泵站分為集中控制功能塊和油缸旁保壓安全閥塊，其中后者用于開啟后保壓閉鎖，并具有閘門啟閉過程中保護(hù)啟閉機(jī)因管路破裂而造成事故的功能。

圖1 弧門液壓系統(tǒng)

2.1 啟門動作

啟門操作時(shí)，YV3、YV5 帶電，系統(tǒng)壓力油經(jīng)閥組插裝閥（件22.1）、調(diào)速閥/比例調(diào)速閥（件49.1/26.1、49.2/26.2）、液控單向閥（件47.1、47.2）至兩油缸有桿腔，兩油缸無桿腔油液通過插裝閥（件27.3）、回油濾油器（件12）流回油箱，液壓啟閉機(jī)啟門。啟門過程中，液壓系統(tǒng)將油缸開度檢測裝置測出的閘門位置信號發(fā)送至本現(xiàn)地控制站的PLC 中，由其處理實(shí)現(xiàn)兩閘門的同步動作，并實(shí)現(xiàn)兩閘門任意開度控制。啟門壓力由溢流插裝閥（件27.2）的先導(dǎo)壓力控制閥（件50.2）調(diào)定。

2.2 閉門動作

YV1得電后延時(shí)5 s啟動第1臺電機(jī)，延時(shí)8 s后啟動第2 臺電機(jī)，延時(shí)11 s 后啟動第3 臺電機(jī)；延時(shí)15 s后，YV1失電，系統(tǒng)升壓。YV2、YV4、YV6帶電，系統(tǒng)壓力油由插裝閥（件22.2）、順序閥（件59）至油缸無桿腔，油缸有桿腔油液經(jīng)液控單向閥（件47.1、47.2）、調(diào)速閥/比例調(diào)速閥（件49.1/26.1、49.2/26.2）、溢流插裝閥（件27.2）、回油濾油器（件12）流回油箱。液壓系統(tǒng)進(jìn)行閉門動作時(shí)，閉門壓力由溢流插裝閥（件27.3）的先導(dǎo)壓力控制閥（件64）調(diào)定。

閘門在進(jìn)行啟門、閉門動作時(shí)，通過2 臺比例調(diào)速閥來實(shí)現(xiàn)2只油缸的同步運(yùn)行及啟、閉門速度的調(diào)節(jié)。具體運(yùn)行工況為：將調(diào)速閥49.1、49.2 的流量值盡可能調(diào)到一致（45 L/min），主控室根據(jù)閘門啟門速度和閉門速度要求，給比例調(diào)速閥的功率放大器輸入對應(yīng)的電壓信號（其中，1 臺比例調(diào)速閥控制的油缸為基準(zhǔn)油缸，另1臺比例調(diào)速閥控制的油缸為跟隨油缸）。進(jìn)行啟、閉門動作時(shí)，當(dāng)2套油缸的同步誤差超過5 mm時(shí)，增大或減小跟隨油缸比例調(diào)速閥功率放大器的電壓信號值以增大或減小比例開口量，進(jìn)行糾偏；當(dāng)2 套油缸的同步誤差≤5 mm 時(shí)，恢復(fù)至原電壓信號的設(shè)定值。當(dāng)兩油缸的位置差再次超過5 mm時(shí)，重復(fù)以上動作，以實(shí)現(xiàn)2套油缸同步動作。

3 啟閉機(jī)故障描述

2018 年4 月，對弧門進(jìn)行機(jī)械及電氣常規(guī)汛前檢查。在對弧門進(jìn)行靜水全行程試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)4 號弧門開至6 m 左右，閘門開度儀顯示左缸開度數(shù)據(jù)快，發(fā)生超調(diào)現(xiàn)象，左右偏差達(dá)到80～90 mm，閘門開度偏差過大報(bào)警，使得弧門發(fā)生故障停機(jī)。后對弧門系統(tǒng)進(jìn)行檢查，初步發(fā)現(xiàn)弧門在開啟開度5～6 m 時(shí)開度儀突然顯示左缸開度數(shù)據(jù)快、右缸開度數(shù)據(jù)慢現(xiàn)象，后因左右缸偏差過大進(jìn)行手動強(qiáng)制糾偏無效停機(jī)。為此，更換了開度儀編碼器，弧門全關(guān)進(jìn)行歸零設(shè)置。

4 月11 日，弧門由全關(guān)轉(zhuǎn)向開啟開度5～6 m時(shí)，開度儀突然顯示左缸開度數(shù)據(jù)快現(xiàn)象，發(fā)生超調(diào)報(bào)警，此時(shí)左側(cè)高度高于右側(cè)最大430 mm，同時(shí)壓力表顯示左缸壓力升高了2～3 MPa 而右缸降低了7～8 MPa。報(bào)警停機(jī)后，弧門由6 m 左右的開度向下關(guān)閉時(shí)，左缸壓力略微升高1～2 MPa 而右缸壓力突然降低5～6 MPa，此時(shí)表明左缸壓力比右缸壓力高。現(xiàn)場分析發(fā)現(xiàn)，右油缸直動式溢流閥動作，弧門由全關(guān)至5 m 多開度時(shí)，隨著弧門開啟高度升高，其負(fù)載增大，壓力也隨之增大。由于右油缸直動式溢流閥動作（低于設(shè)定值），在啟門過程中排壓，右缸壓力突然降低，弧門右側(cè)下滑，受力偏向左缸，左側(cè)壓力升高同時(shí)開度儀顯示左缸開度數(shù)據(jù)快，發(fā)生超調(diào)現(xiàn)象。在落門的過程中開度6～5.5 m 時(shí)，右缸溢流閥和液控單向閥同時(shí)排油，而左缸只有液控單向閥排油，右缸壓力突然降低，左缸壓力會有一個(gè)略微上升過程。在弧門落至出口壓力低于右側(cè)溢流閥的安全動作壓力時(shí)，溢流閥關(guān)閉，左右油缸都是通過相同壓力油源的單向閥排油，左右缸的出口壓力會趨于一致直至弧門全關(guān)。當(dāng)時(shí)分析認(rèn)為，右缸的溢流閥壓力降低至整定值，在啟閉門時(shí)超過壓力值就泄壓，需進(jìn)行壓力調(diào)整。當(dāng)天18∶30 至次日9∶30，開啟弧門2 m開度進(jìn)行了下滑保壓試驗(yàn)，15 h下滑量1 mm，數(shù)值正常，說明左右缸活塞內(nèi)漏和液控單向閥正常。4 月12 日，重新開啟弧門進(jìn)行驗(yàn)證，同樣到開度5 m多開度儀顯示左缸開度數(shù)據(jù)快，發(fā)生超調(diào)現(xiàn)象，左右缸偏差過大報(bào)警，說明問題沒有得到解決。對右缸壓力表和管路檢查發(fā)現(xiàn)，左右缸壓力表編號貼反（表15.3/15.4），實(shí)際情況應(yīng)是開度到6 m 左右時(shí)左缸壓力降低、右缸壓力升高。然而，開度儀數(shù)字顯示左缸開度高、右缸開度低，發(fā)生超調(diào)現(xiàn)象，左邊弧門高于右邊最大值430 mm，這就產(chǎn)生以下矛盾：左開度顯示高，右開度顯示低，而左缸壓力低于右缸，閘門應(yīng)該偏向右側(cè)。該弧門已經(jīng)投產(chǎn)7 a多，每年汛前都會進(jìn)行凈水全行程試驗(yàn)及動水1 m 開度啟閉試驗(yàn)，說明弧門的導(dǎo)軌偏差是正常的，弧門開啟不成功是由于液壓系統(tǒng)及自動化原件造成的。

4 啟閉機(jī)故障分析

弧門由全關(guān)開啟時(shí)左右缸的壓力基本一致，油缸的活塞桿伸出，內(nèi)置式開度儀的鋼絲繩被拉開，隨著啟門活塞收回，弧門上升，同時(shí)開度儀鋼絲繩收回。

（1）左側(cè)開度儀鋼絲繩的卷線裝置布線偏移跳槽，從而引起左缸編碼器多轉(zhuǎn)幾圈。開度儀顯示左高，比例閥會給右缸調(diào)壓，壓力表瞬間顯示右高左低，此時(shí)開度儀顯示左高右低。因?yàn)殇摻z繩偏移，手動糾偏右缸不會變化，實(shí)際是右升高，管理人員看到右側(cè)水封間隙大，而開度儀顯示的是不真實(shí)數(shù)字。關(guān)閉時(shí)，因?yàn)殚_度儀顯示左高右低，比例閥會給右缸壓力，右缸壓力有一個(gè)上升，左側(cè)比例閥減小油量壓力降低。通過右缸伸出的鋼絲繩伸開，帶動編碼器一起動作，左右缸開度趨于一致，直至全關(guān)。

（2）右側(cè)開度儀鋼絲繩沒有收回或收回少，而左側(cè)的開度儀正常收回。左側(cè)開度為正常開度，而右缸開度儀鋼絲沒有回卷，比例閥會給右缸調(diào)壓，越調(diào)越偏，壓力表瞬間顯示右高左低。開度儀顯示左高右低，因?yàn)橛覀?cè)開度儀鋼絲繩沒有收回，手動糾偏右缸也不會變化。關(guān)閉時(shí)，開度儀顯示左高右低，比例閥會給右缸壓力，右缸壓力有一個(gè)上升，左側(cè)比例閥減小油量壓力降低，通過右缸伸出的鋼絲繩伸開，帶動編碼器一起動作，左右缸的開度趨于一致，直至全關(guān)。

為此，必須檢查開度儀鋼絲繩或者開度儀恒力彈簧。由于該液壓啟閉機(jī)內(nèi)置開度儀，鋼絲繩在啟閉機(jī)內(nèi)部，所以先檢查開度儀恒力彈簧。拆卸后，發(fā)現(xiàn)右側(cè)開度儀恒力彈簧斷裂，如圖2 所示。開度儀恒力彈簧損壞導(dǎo)致不能完全開啟弧門。由于開度儀存在問題，不管“現(xiàn)場”“遠(yuǎn)方”“手動”，弧門開度到6 m左右時(shí)，比例閥就會調(diào)節(jié)調(diào)壓，越調(diào)越偏，使得弧門不能開啟到位。

圖2 開度儀恒力彈簧

5 缺陷處理

為確保缺陷處理的安全順利進(jìn)行，首先將弧門1 號、2 號比例閥電源切斷，屏蔽開度儀數(shù)顯和超調(diào)報(bào)警，派1 人監(jiān)視左右缸壓力表值，派2 人觀察左右側(cè)弧門本體密封和導(dǎo)軌間隙，派1 人用望遠(yuǎn)鏡觀察弧門啟動時(shí)導(dǎo)向輪和導(dǎo)軌間隙、導(dǎo)向輪是否轉(zhuǎn)動，另派1 人用全站儀測量左右側(cè)弧門高度。手動開啟弧門，每開啟1 m 記錄弧門左右高度，一直上升，中間可以根據(jù)弧門和導(dǎo)軌的間隙進(jìn)行糾偏。各作業(yè)人員聽從總指揮統(tǒng)一調(diào)度，利用對講機(jī)做好溝通，發(fā)現(xiàn)異常立即停止弧門開啟試驗(yàn)。若弧門可以開啟，則說明弧門本體及液壓系統(tǒng)沒有問題?；￠T開啟至全開位置，切除啟閉機(jī)動力電源，更換右側(cè)開度儀恒力彈簧。由于開度儀恒力彈簧安裝在啟閉機(jī)底端，需要防止相關(guān)人員高空墜落。弧門開啟后恒力彈簧處于收回狀態(tài)，彈簧彈性勢能造成人員傷害的可能大大降低，風(fēng)險(xiǎn)可控。更換后，全關(guān)弧門歸零設(shè)置，并進(jìn)行手動和自動全行程啟閉試驗(yàn)。

6 結(jié)語

弧門故障處理后，2018 年汛期，該電站多次啟閉4 號弧門實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，為安全度汛奠定了良好基礎(chǔ)。針對液壓弧門在開啟中突然偏差過大的原因進(jìn)行了分析，找出了導(dǎo)致缺陷原因，并提出了可靠方法完成缺陷處理，可為處理類似問題提供參考。