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磁致伸缩位移测量系统在水电站闸门中的应用

  1概述

  沙坡头水电站位于宁夏中卫,共设六孔泄洪洞,每个泄洪洞设置一扇弧形工作闸门,每套弧形闸门采用1套2×2000kN双吊点液压启闭机进行启闭。液压油缸最大行程8m,工作行程7.5m。另外南干电站设一扇快速闸门,采用一套1×250kN液压启闭机,最大行程4.3m,工作行程4m。

  上述闸门液压启闭机采用了内置磁致伸缩位移传感器,通过位移传感器记录辅助(测量)油缸行程变化并送到PLC,经PLC采集和处理转换成闸门开度、液压油缸位移信号,用于闸门的程序控制。

  无论弧形闸门还是快速闸门,实现闸门的自动控制,特别是双吊点需要同步纠偏的保护要求,通过辅助油缸测量到的位移是否准确是最重要的一个条件。

  2磁致伸缩位移传感器的工作原理

磁致伸缩位移传感器原理结构
磁致伸缩位移传感器原理结构

  磁致伸缩位移传感器的工作原理如上图所示。它主要由测杆、电子仓和套在测杆上的非接触的磁环或浮球组成。工作时,由电子仓内电子电路产生一起始脉冲,此起始脉冲在波导丝中传输时,同时产生了一沿波导丝方向前进的旋转磁场,当这个磁场与磁环或浮球中的永久磁场相遇时,产生磁致伸缩效应,使波导丝发生扭动,这一扭动被安装在电子仓内的拾能机构所感知并转换成相应的电流脉冲,通过电子电路计算出两个脉冲之间的时间差,即可精确测出被测的位移。

  磁致伸缩位移传感器的特点有以下几个:

  (1)非接触式测量;

  (2)高精度、高稳定性、高可靠性;

  (3)性能价格比高;

  (4)使用寿命长;

  (5)多种输出方式可供选择;

  (6)具有反向极性保护功能;

  (7)防雷击、防射频干扰;

  (8)结构精巧、环境适应性强;

  (9)不需定期标定和维护、安装方便。

  3磁致伸缩传感器在闸门上的应用

  沙坡头水电站的泄洪洞液压启闭机由于油缸行程比较大,如果采用等长的传感器进行油缸位移的检测,设备造价高且维护困难。因此,在满足系统要求的前提下,采用辅助油缸的形式对油缸的行程进行检测。

闸门油缸开启度示意图
闸门油缸开启度示意图

  上图为弧形闸门示意图、辅助油缸在液压油缸上的(布置)示意图。

  辅助油缸顾名思义不是主油缸,它将磁致伸缩位移传感器置于缸体内部,它的作用是进行油缸行程的测量。

  从上图我们可看出,随着弧形闸门的启闭,辅助油缸随液压油缸做非线性运动,位移传感器的数值也做相应的变化。

  下图为快速闸门示意图。它是将磁致伸缩位移传感器直接置于油缸缸体和活塞杆内,位移传感器随液压油缸的活塞杆做线性运动。

快速闸门示意图
快速闸门示意图

  4沙坡头水电站弧形闸门与快速闸门电控系统设计

  现地控制单元主要由法国施耐德Modicon Mirco自动化平台的可编程控制器(PLC)和智能仪表组成,设有接收磁致伸缩位移传感器给出的4~20mA信号的模拟量输入模块AEY802.根据传感器接线要求,严格屏蔽接地。

  根据弧形闸门示意图可知,在闸门启闭过程中,位移传感器给出的电流信号与闸门开度、液压油缸位移之间是非线性关系。

  弧形闸门开度与液压油缸位移之间存在函数关系,由多次现场经验看出,无论计算公式是如何精确,也会存在累计误差,计算结果与现场实测比较,分段近似线性最为可靠、准确,并可消除累计误差,保证闸门开度的准确性。

  液压油缸位移与辅助油缸位移之间也存在复杂的函数关系,经现场实测数据与运行验证,虽然计算公式准确无误,但是在闸门安装、水封安装、辅助油缸安装支架加工非人为误差几次累积下,计算结果与实际测量相差较大,为排除误差仍采用分段近似线性。

  表1沙坡头弧形闸门实测数据(单位:mm)

分段弧门开度左辅助油缸右辅助油缸左油缸右油缸左辅助油缸位移右辅助油缸位移
9652~9959全闭099599858190471697525832563
9504~965258696529575186901663425432533
9193~950488495049423185151646025252513
8937~9193151091939109181531609924882475
8630~8937202189378853178631580824562442
8434~8630263386308539175241546924162403
8174~8434301384348340173141526123922380
7908~8174350781748080170451499823582347
7641~7908401079087813167771472423262314
7378~7641450876417540165201446122922280
7135~7378498273787277162681421222592246
6797~7135542371357034160411398822292215
6500~6797600467976693157391368421872174
6200~6500651065006392154801342821482135
5883~6200703262006089152281317921122100
5562~5883752558835768149751292120722056
5245~5562803355625444147241267220322017
4911~5245851952455124144851243619931978
4557~4911902249114789142451219519521935
4192~4557953545574432139951195219071893
3831~41921004741924067137601170718621845
3463~38311053638313706135281147818171800
3048~34631102434633332133001125317711757
2630~30481155230482916130601101217181703
2336~26301206326302498128271078516671650
0~23361241423362204126751063016311614

  针对Miicro的设置要求,4~20mA的信号输入PIC后,转化为0~10000的数值,根据近似线性分段原理,依据表1可得出各段左、右液压油缸的位移公式,或者弧形闸门的位移(开度)公式:

  L位移(开度)=L分段基准+L位移差×α比例系数

  式中:L位移(开度)为液压油缸位移值(闸门开度);L分段基准为前几段的位移累加值;L位移差为当前分段的位移值;α比例系数为将前段线性比例系数作为初值,运行中进行偏差校正,按照实际情况选取合适系数。

  以此得出的结果是已经消除累计误差的计算值,完全可以保证液压启闭机厂家要求左、右液压油缸偏差在α₁时开始纠偏,a₂时停止纠偏的要求。同时闸门开度可以满足蓄水量的计算,满足电厂的发电水量计算并调度。

  对于快速闸门开度、液压油缸位移、辅助油缸位移的计算,根据快速闸门示意图可以推出,这三者是1:1:1的线性关系:

  L液压油缸位移=L辅助油缸位移=L闸门开度

  式中:L液压油红位移、L辅助油红位移、L阀门开度分别为液压油缸位移值、辅助油缸位移值、闸门开度。

  因为快速闸门是单吊点,不需同步纠偏,计算结果仅用在启闭闸门开度的监视中。

  5沙坡头水电站弧形闸门与快速闸门电控系统特点

  比较以往闸门控制应用过的开度仪表测量装置、陶瓷液压缸位移测量系统,辅助油缸有以下特点:

  (1)安装简单、维护方便;

  (2)数据比较稳定、准确,信号接收方式简单;

  (3)方便闸门的上、下限位安装;

  (4)应用简单方便,特别在快速闸门应用上。

  但是辅助油缸对环境有一定要求,对信号的干扰要做到较好的排除,对闸门、油缸、辅助油缸的加工、安装较严格,目的是减少累计误差。

  6结语

  从目前沙坡头水电站弧形闸门运行情况来看,电控系统设计合理,运行安全可靠,完全达到了设计要求,同时验证辅助油缸位移测量系统应用在弧形闸门和快速闸门上是可行的。