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闸门液压启闭机设计

  1、工程概况

  黄河小浪底水利枢纽配套工程——西霞院反调节水库为河床式径流水电站,装有4台35MW轴流式水轮发电机组。根据黄河多泥沙的特点,在电站的左、右侧分别布置了3条排沙洞,并在4台机组间设置3条排沙底孔,进口高程低于电站进口高程8m,以满足排沙比降的要求。6条排沙洞和3条排沙底孔构成了枢纽的排沙系统,除满足正常的排沙、冲沙运用要求外,在汛期还兼顾承担泄洪任务。

  2、液压启闭机的布置和组成

  2.1液压启闭机的布置

  根据排沙洞和排沙底孔布置特点,闸门采用闸阀式工作闸门,液压启闭机为单吊点垂直双作用型,要求启闭机机架与闸门埋件密封连接。液压启闭机的运行工况为动水启闭,调试或检修工况下可局部开启。

  液压启闭机室设在尾水平台下的门井内,排沙洞液压启闭机安装高程为116.0m,每3扇门共用一套液压泵站,各有独自的阀组和控制单元,6扇闸门共设2套泵站,在电站两侧各设置1套。排沙底孔液压启闭机安装高程为111.8m,每扇闸门设置1套液压泵站,共设3套泵站,其余的布置和排沙洞液压启闭机相同。

  2.2液压启闭机的组成

  液压启闭机由油缸、缸旁阀组、机架、导向装置、行程检测装置、液压泵站、电控设备、油管与附件等组成。

  液压泵站采用分体形式,油泵电机组水平放置在安装底座上,与油箱采用避震喉连接。控制阀组布置在油箱顶面,便于检修和操作。油箱吸湿式空气滤清器可有效防止水分进入油箱,提高了液压系统的工作性能和可靠性。油箱侧面放置接线端子箱,泵站的控制电缆均接入端子箱。启闭机具有现地和远控功能,现地电控柜布置在泵站旁,以便操作和观察,同时液压和电气信号传至远方集控室,实现远方集中控制。

  启闭机采用液压锁定方式,系统中的锁定回路由气囊式蓄能器和蓄能器安全锁定阀块组成。泵站和油缸通过不锈钢管道连接。

  机架固定于启闭机平台上门槽埋件顶部的封水座板上,机架与封水座板、机架与导向装置间及活塞杆与导向装置之间均设有橡胶密封,要求能承受0.3MPa压力。为方便检修,机架上还设有人孔盖板。另外,在机架上设有复合式排气阀及配套的缓冲塞阀,可以自动排除或补充机架下面闸门井最高处的气体。

  3、液压启闭机的主要参数

  排沙洞及排沙底孔液压启闭机均为单吊点垂直双作用型,行程限位开关为BES516-300-S162-S4-D;电动机型号为QA180M4A,功率为18.5kW,转速为1450r/min,电压为380V,频率为50Hz;油泵为A10VSO28DFR1/31R-PPA12N00;蓄能器为SB330-20A1/112A9-330A;锁定方式为液压锁定(气囊式蓄能器);操作条件为动水启闭。其他主要技术参数见表1.

  4、液压系统设备配置

  (1)泵站。液压泵选用德国博世力士乐原装产品,具有额定压力高、效率高、寿命长、输出平稳、噪音低等特点。钟型罩与联轴器均选用德国原装产品。电机选用ABB(上海)公司产品,具有运行平稳、噪音低、寿命长等特点。插装阀、换向阀、单向阀、溢流阀、压力开关等,选用博世力士乐原装产品。蓄能器选用德国贺德克公司产品,油箱采用不锈钢材料制作。

  表1液压启闭机主要技术参数

技术参数排沙洞液压启闭机排沙底孔液压启闭机
启闭机台数63
启门力/kN800800
闭门力/kN300300
工作行程/mm43005400
最大行程/mm45005500
油缸内径/mm300300
活塞杆直径/mm180180
启门计算工作压力/MPa18.0418.04
闭门计算工作压力/MPa4.334.33
启门速度/(m·min-¹)0.80.8
闭门速度/(m·min-¹)0.50.5
液压泵额定流量/(L·min-¹)4040
油箱容积/L15001000

  (2)油缸。油缸的动密封采用MERKEL公司的V形组合密封圈,其特点是密封性能好、高耐磨、低摩擦、抗老化,寿命可达10年以上。在油缸的下缸盖处还设有MERKEL防尘圈。静密封件为MERKEL公司的O形橡胶密封圈。此外,针对该油缸的特点对活塞杆的稳定性进行了验算和复核,满足《水电水利工程启闭机设计规范》(DL/T5167—2002)的要求。

  (3)管道及附件。液压管道采用不锈钢无缝钢管制作,配不锈钢材料管接头,采用德国弯管机配管。管道经酸洗、钝化、中和、冲洗、干燥后装入系统。管道附件为德国西德福公司合资产品。

  以上配置均严格按照德国(DIN)标准进行设计和制造,提高了设备运行的安全性和可靠性。

  5、主要技术难点

  5.1控制活塞杆变形的措施

  根据闸阀式闸门的结构形式,为防止漏水,要求油缸活塞杆与机架之间密封,并严格控制活塞杆的变形。除了将闸门侧、反向支承与埋件间隙分别控制在2mm和3mm外,还在启闭机设计中采取了以下措施:

  首先,在启闭机与闸门连接吊头中采用自润滑关节轴承,以消除或减少闸门在水压力作用下产生位移从而使活塞杆产生的偏斜量,确保其密封效果。该轴承具有承载能力大、自调角度(8°)大的特点。根据黄河多泥沙的特点,设计开发了与关节轴承旋转结构相适应的密封形式,轴承两端均带有密封装置,防止泥沙对轴承的磨损与侵蚀。

  其次,在机架上增设活塞杆导向密封装置,既满足设备需要,又延长了活塞杆导向支撑点,增加了活塞杆的压杆稳定性,同时减轻了油缸内部活塞杆导向套的磨损。

  5.2行程测量系统的选用

  闸阀式工作闸门液压启闭机的行程测量装置采用内置式磁致伸缩位移传感器和电感式耐高压型接近开关组合。根据行程测量装置的安装方式,可分为外置式和内置式两种。外置式即安装于油缸外侧,安装简单、维护方便,但易受污物、水流冲击等环境干扰,影响测量精度。内置式即安装于油缸内部,

  传感器受外界影响小,测量准确可靠。选用哪种测量装置应根据闸门的布置形式和运行方式确定,行程测量装置方案设计的合理性是闸门安全运行的关键。该工程根据闸阀式闸门的布置特点选用内置式行程测量装置,既避免了外置测量导杆穿过机架需密封加固的复杂结构,又可防止闸门振动造成外置测量导杆与闸门的连接部被剪断。

  该启闭机的磁致伸缩位移传感器选用美国MTS公司的柔性位移传感器,满足大行程要求。传感器型号为RFM4550MR301A01和RFM5550MR301A01.非线性度为±0.01%,分辨率为2μm,防护等级为IP68.安装在油缸的上端盖,测量磁环固定在活塞上,磁环跟随活塞在测杆上滑动。其工作原理是:两个不同磁场相交时产生一个应变脉冲信号,计算这个信号被探测所需的时间周期,从而换算出准确的位置。采用的行程开关是德国BALLUFF公司电感式耐高压型接近开关,型号为BES516-300-S162-S4-D。该接近开关的感应距离为1.5mm,重复精度R≤5%,防护等级为IP68.最大耐高压值为50MPa,安装在油缸缸筒壁上、下行程的极限位置处。原理是:通过在金属物体内产生涡流效应,使LC振荡电路减弱,被传感器的放大电路感应后进行测量,当传感器的高频交流电磁场以无磨损和非接触的方式检测到活塞即发出信号,控制系统停机。

  5.3锁定装置的设计

  启闭机机架固定在闸阀式闸门的埋件上,且整体密封,闸门全开时无法锁定闸门,为保证运行安全,防止启闭机和闸门故障下滑造成事故,必须设置锁定装置。常规的锁定方式为机械式锁定,即油缸上部设置机械锁定机构,当下门时需解除锁定。这种锁定机构操作繁琐,易造成误操作,损坏设备,另外,闸门双向挡水,水流会引起闸门和机架的振动,机械锁定容易受到振动而破坏。在该启闭机的液压系统设计中采用以气囊式蓄能器为主的液压锁定,对油缸下腔进行补泄保压、锁定,闭门时无需解除锁定装置,简化了操作程序,克服了机械锁定的缺陷,而且可保证油缸下腔的压力。

  5.4自动进排气装置

  当隧洞泄水或充水时,在闸门井顶部埋设的通气管会进行补气或排气。另外,在机架上设有自动进排气阀组,可以自动排除或补充机架下面闸门井最高处的气体。

  充排气阀组由污水复合式排气阀(型号SCAR-0100-16)、缓冲塞阀(型号SCKV-0100-16)和手动截止阀(型号RVLX-0100-16)组成。污水复合式排气阀采用浮球通过顶塞直接作用在轻型球面活塞结构,减少了大量排气时含沙水流喷出量,防止泥沙沉积活塞密封面造成漏水。为防止锈蚀,上述阀门阀芯均为不锈钢材料。

  6、结语

  目前,该启闭机的运行达到了预期的挡上游水、挡下游泥沙的目的,具有运行平稳、调速方便、自动化程度高等优点,满足了设计要求和工程需要。