水電站溢洪道弧門液壓啟閉系統的改造探索

畢帥，梁碩

（國網新源集團吉林松江河水力發電有限責任公司，吉林 撫松 134500）

弧門液壓啟閉系統是水電站防洪溢流的關鍵設備，通常位于水壩的一側，通過實時監測水位并在超過安全警戒水位后開閘泄流，防止水壩潰堤而引發次生災害。常見的溢洪道包括正槽、側槽、井式、虹吸等類型，組成部分包括進水渠、控制段、泄槽、出水渠等?；￠T是溢洪道的核心組成部分，也是保障水電站安全運行、實現泄洪分流的重要設施，其通過液壓系統實現安全啟閉，對于保障電站安全、實現水電站滿發足供至關重要。為此，本文以雙河水電站為例，對水電站溢洪道弧門液壓啟閉系統進行研究探索，提出多種不同的改造對比方案并進行研究論證，為提升水電站安全穩定運行水平奠定基礎、提供借鑒。

1 工程概況

白山市雙河二級水電站位于吉林省白山市境內，為引水式梯級開發的電站，由攔河壩、引水隧洞和發電廠房組成。水庫正常蓄水位為715.00 m，總庫容為0.153×10 m3，總裝機容量為12 MW。大壩由混凝士重力壩和粘土心墻土石壩組成，壩頂高程717.00 m，大壩全長256.00 m，其中混凝士重力壩長173.00 m，最大壩高為31.00 m，壩頂寬度為10.00 m。溢洪道高程為709.50 m，溢洪道設有2扇露頂式弧形工作閘門（10 m×5.41 m-5.11 m，寬×高-水頭），用2 臺2×250 kN-3.5 m 液壓啟閉機操作，其液壓控制系統為“1 控2”，即1 套液壓泵站集中控制2 臺液壓啟閉機。

2 弧門液壓啟閉系統組成及改造的必要性

2.1 系統組成

白山市雙河二級水電站溢洪道弧門采用雙缸液壓啟閉機，弧門液壓啟閉系統由電氣控制系統、液壓傳動系統、指示檢測系統組成[1]。液壓啟閉機是“機電液”一體化設備，系統控制復雜、維修保養要求高，尤其遠程切換、控制、維保等方面隨著使用年限增加及控制要求提高而出現許多問題。其中，電氣控制系統主要通過PLC 程序實現溢洪道弧門在開啟、關閉過程中的啟停狀態切換與有序控制；液壓傳動系統由各類閥組、液壓泵組、油箱及輔件組成；指示檢測系統用于溢洪道弧門狀態信息采集、過程監測及故障預警[2]。液壓傳動系統是實現溢洪道弧門啟閉控制的核心，其控制系統以可編程邏輯控制器PLC為核心，通過量測終端對弧門的狀態、行程、位置等信息進行監測，并通過控制指令的執行實現弧門的精準、有序啟閉。通常而言，溢洪道弧門啟閉控制系統的控制部分由信息采集終端、電磁比例閥、油缸位移傳感器、弧門啟閉糾偏回路等實現自動糾偏與平穩控制[3]。溢洪道弧門啟閉控制系統根據控制方式的不同可實現手動就地控制、遠程控制及自動控制，不同控制方式可以通過工作方式選擇旋鈕進行切換選擇。無論采用何種方式，溢洪道弧門啟閉控制系統均可以通過緊急停機按鈕實現危急狀態下的緊急控制。此外，溢洪道弧門啟閉控制系統還具有反饋控制及自動糾偏等功能，比如弧門由于重力作用下滑距離達到一定門檻值時，能夠自動啟動液壓泵進行弧門提升，并到達原先預定位置后停機、保持狀態。

2.2 改造的必要性

液壓啟閉機是一種先進的“機電液”一體化設備，關鍵零部件均為國外進口產品，可靠性高、故障率低，但如果運行維護的系統性達不到要求，液壓設備的故障率會不斷增加，尤其是多臺液壓機由1 個泵站集中控制，隨設備使用年限的增加，其安全隱患也隨之增加[4]。

截止到目前，白山市雙河二級水電站弧門液壓啟閉設備投運10 年以上，設備操作基本正常，但老化嚴重，小問題時有發生。由于2 臺液壓啟閉機是由1 個液壓泵站集中控制，因此，它的運行安全可靠性是關鍵，尤其是在汛期，如果發生大洪水，啟閉機液壓系統又發生重大故障，且售后服務人員無法在2 d 內及時趕到現場解決問題或損壞的原器件沒有現貨而造成閘門不能實現正常啟閉[5]，將對整個電站的安全運行和人民的生命財產安全構成嚴重威脅，按水電站的調蓄能力將釀成漫壩甚至潰壩事故。為此，建議對溢洪道弧形閘門的液壓啟閉系統進行改造。

3 弧門液壓啟閉系統改造的基本思路

3.1 新建液壓泵站

由于白山市雙河二級水電站弧門液壓啟閉設備運行年限較長，所以應對現有液壓啟閉機進行技術鑒定，根據技術鑒定結果和液壓啟閉機原設計圖紙完成：1）修改液壓系統原理圖和電氣原理圖，增加新舊液壓泵站的液壓和電氣切換裝置；2）按標準要求新建液壓泵站、泵房、電氣控制柜、電源箱、液壓和電氣切換裝置及（油和電氣）管路布置等。

3.2 原系統改造與大修

確定原設備大修組件后，待新增設備到貨后應及時組織施工，將電氣控制柜、電源箱等固定就位，布設油和電氣管路，與此同時要對原有啟閉機實施大修，主要內容包括更換液壓啟閉機已經落后的某些重要元器件、清洗油管路并更換液壓油、更換已損壞的油缸密封件等[6-8]。完成以上工作后，要進行機電液聯調。

4 弧門液壓啟閉系統改造方案

4.1 改造原則

根據電站以往的運行管理經驗及專家分析確定改造原則[9，10]：1）確保溢洪道弧門液壓啟閉機及其液壓控制系統正常工作，以解除防洪安全隱患；2）按照常規和現場實際情況，提出結構簡單、布局合理、安全可靠、經濟適用的解決方案。

4.2 系統解決方案

1）方案一：2 孔弧門的2 臺液壓啟閉機由1 個液壓泵站的集中控制（“1 控2”）改為“1 控1”液壓泵站的對應控制。

1 扇閘門獨立采取1 套液壓泵站，各泵站設置2 套互為備用的油泵電機組（相同型號），備用泵和工作泵須實現無擾切換自動化。系統須使油泵空載穩壓及啟動的需求得到滿足，須規避液壓沖擊及振動現象形成，同時不能噪聲異常，不可存在氣穴與進氣等情況，使全開至全關過程中每個位置的停與啟等操作的需求得到滿足，油缸下腔油路設置閉鎖裝置。在閘門全部或者局部啟動時，設置活塞桿回升與下滑的程序?；钊麠U下滑100 mm 時，油泵電機組開始啟動，通過油缸將活塞提高到工作的位置上；如果大于100 mm，那么液壓啟閉機不能加以啟動，閘門持續性滑動；在下滑量為150 mm 時，另外一組油泵電機組開始啟動，油缸把活塞桿提高到工作的位置上，發送報警信號。液壓系統設置同步雙缸糾偏回路，使雙缸同步啟閉閘門得到保障。

換向閥、溢流閥、流量控制閥等控制元件需盡可能地明確布置于控制面板中，執行元件的接口在板塊中直接連接，先導換向閥應具有平滑的換向特性。油箱本體采取矩形架構，傾斜底板，設定人孔蓋、回油過濾器、溫度傳感器等附件，最低的地方設定排污球閥。在回油、工藝口處需根據規定維系應有距離，對油的流動方向進行合理有效的分隔與設定。系統裝設1 套優質回油濾油器，其最大過濾精度應不大于10 μm，通過流量應不小于400 L/min。

液壓啟閉機的集控設備（現地控制單元）采用GE-90-70 可編程控制器，并預留與上位機監控系統通訊的485 接口?？刂葡到y具有控制各孔閘門全開、全關及開至任意位置的功能，能夠在固定開度中啟落及維系閘門；同時可顯示出各閘門開度、報警信號等。所選擇的元件與設備需滿足工程特定環境下的使用要求，并滿足防塵、防潮、防腐、防霉等要求。

該方案需要將原液壓泵站和油管路解體，以盡量使用原有器件為原則，重新形成2 個液壓系統，實現單臺液壓啟閉機的單獨控制，從而能夠保證整個水庫泄水系統的可靠運行。但在工程現有的實際情況下，原液壓泵室和電氣控制室空間有限，新增加的1 臺液壓泵站及其電氣控制柜存在無處安置的問題。此外，該方案對原系統改動大，技術難度大。

2）方案二：在閘門中墩處新建1 座“1 控2”液壓泵站，與原泵站（改造后）互為備用。

新建液壓泵站由泵房、液壓泵站和電氣控制柜、新增管路等組成，液壓泵站和電氣控制柜等的要求與方案一相同。當運行泵站及原液壓系統出現故障時，備用泵站立即投入運行。該方案經濟可靠，對原系統改動較小，在實際使用過程中切換迅速。

3）方案三：為每扇弧形工作閘門另增設1 臺備用固定卷揚式啟閉機。

根據弧形閘門在擋水水頭下進行啟閉操作時所需要的啟閉力，單孔弧門需另設1 臺2×250 kN固定卷揚式啟閉機，當原液壓啟閉機控制系統出現故障時，可以通過卷揚式啟閉機對工作閘門進行啟閉操作。為此需要做到以下幾點：①在閘門頂梁與縱梁交匯處增設一對雙腹板吊耳，并對縱梁進行局部補強；②增加3 臺固定卷揚啟閉機，新建卷揚機的啟閉機室，由于施工只能安排在汛前或訊后兩個時段，存在工期緊張的問題；③液壓系統要做修改，當卷揚機啟閉閘門時，液壓啟閉機的活塞桿應能隨之伸縮，液壓油能自由進出油箱。

3 個方案對比見表1。

表1 方案對比表

綜上所述，根據現有條件和工程實際，決定推薦采用方案二，采用在閘門中墩處新建1 座“1 控2”液壓泵站與原泵站互為備用，該方案性價比高，既解除了使用者的擔憂，又對原工程造成的影響最小，工期最短，投資最少，在實際使用過程中切換迅速。

5 結語

溢洪道弧門是保障水電站安全穩定運行的重要設施，其液壓啟閉系統對于水位檢測、泄流具有重要的作用，是維系水電站安全水位及整站安全的核心。白山市雙河二級水電站工程按選定方案完成改造后，實現了新舊泵站相互備用，并能夠實現機、電、液的遠程與快速切換。此次改造滿足了結構簡單、布局合理、安全可靠、經濟適用的目標，同時也全面提高了溢洪道弧門液壓啟閉機及其液壓控制系統工作的可靠性，從而解除了防洪安全隱患。