水电站溢洪道弧门液压启闭系统的改造探索

毕帅，梁硕

（国网新源集团吉林松江河水力发电有限责任公司，吉林 抚松 134500）

弧门液压启闭系统是水电站防洪溢流的关键设备，通常位于水坝的一侧，通过实时监测水位并在超过安全警戒水位后开闸泄流，防止水坝溃堤而引发次生灾害。常见的溢洪道包括正槽、侧槽、井式、虹吸等类型，组成部分包括进水渠、控制段、泄槽、出水渠等。弧门是溢洪道的核心组成部分，也是保障水电站安全运行、实现泄洪分流的重要设施，其通过液压系统实现安全启闭，对于保障电站安全、实现水电站满发足供至关重要。为此，本文以双河水电站为例，对水电站溢洪道弧门液压启闭系统进行研究探索，提出多种不同的改造对比方案并进行研究论证，为提升水电站安全稳定运行水平奠定基础、提供借鉴。

1 工程概况

白山市双河二级水电站位于吉林省白山市境内，为引水式梯级开发的电站，由拦河坝、引水隧洞和发电厂房组成。水库正常蓄水位为715.00 m，总库容为0.153×10 m3，总装机容量为12 MW。大坝由混凝士重力坝和粘土心墙土石坝组成，坝顶高程717.00 m，大坝全长256.00 m，其中混凝士重力坝长173.00 m，最大坝高为31.00 m，坝顶宽度为10.00 m。溢洪道高程为709.50 m，溢洪道设有2扇露顶式弧形工作闸门（10 m×5.41 m-5.11 m，宽×高-水头），用2 台2×250 kN-3.5 m 液压启闭机操作，其液压控制系统为“1 控2”，即1 套液压泵站集中控制2 台液压启闭机。

2 弧门液压启闭系统组成及改造的必要性

2.1 系统组成

白山市双河二级水电站溢洪道弧门采用双缸液压启闭机，弧门液压启闭系统由电气控制系统、液压传动系统、指示检测系统组成[1]。液压启闭机是“机电液”一体化设备，系统控制复杂、维修保养要求高，尤其远程切换、控制、维保等方面随着使用年限增加及控制要求提高而出现许多问题。其中，电气控制系统主要通过PLC 程序实现溢洪道弧门在开启、关闭过程中的启停状态切换与有序控制；液压传动系统由各类阀组、液压泵组、油箱及辅件组成；指示检测系统用于溢洪道弧门状态信息采集、过程监测及故障预警[2]。液压传动系统是实现溢洪道弧门启闭控制的核心，其控制系统以可编程逻辑控制器PLC为核心，通过量测终端对弧门的状态、行程、位置等信息进行监测，并通过控制指令的执行实现弧门的精准、有序启闭。通常而言，溢洪道弧门启闭控制系统的控制部分由信息采集终端、电磁比例阀、油缸位移传感器、弧门启闭纠偏回路等实现自动纠偏与平稳控制[3]。溢洪道弧门启闭控制系统根据控制方式的不同可实现手动就地控制、远程控制及自动控制，不同控制方式可以通过工作方式选择旋钮进行切换选择。无论采用何种方式，溢洪道弧门启闭控制系统均可以通过紧急停机按钮实现危急状态下的紧急控制。此外，溢洪道弧门启闭控制系统还具有反馈控制及自动纠偏等功能，比如弧门由于重力作用下滑距离达到一定门槛值时，能够自动启动液压泵进行弧门提升，并到达原先预定位置后停机、保持状态。

2.2 改造的必要性

液压启闭机是一种先进的“机电液”一体化设备，关键零部件均为国外进口产品，可靠性高、故障率低，但如果运行维护的系统性达不到要求，液压设备的故障率会不断增加，尤其是多台液压机由1 个泵站集中控制，随设备使用年限的增加，其安全隐患也随之增加[4]。

截止到目前，白山市双河二级水电站弧门液压启闭设备投运10 年以上，设备操作基本正常，但老化严重，小问题时有发生。由于2 台液压启闭机是由1 个液压泵站集中控制，因此，它的运行安全可靠性是关键，尤其是在汛期，如果发生大洪水，启闭机液压系统又发生重大故障，且售后服务人员无法在2 d 内及时赶到现场解决问题或损坏的原器件没有现货而造成闸门不能实现正常启闭[5]，将对整个电站的安全运行和人民的生命财产安全构成严重威胁，按水电站的调蓄能力将酿成漫坝甚至溃坝事故。为此，建议对溢洪道弧形闸门的液压启闭系统进行改造。

3 弧门液压启闭系统改造的基本思路

3.1 新建液压泵站

由于白山市双河二级水电站弧门液压启闭设备运行年限较长，所以应对现有液压启闭机进行技术鉴定，根据技术鉴定结果和液压启闭机原设计图纸完成：1）修改液压系统原理图和电气原理图，增加新旧液压泵站的液压和电气切换装置；2）按标准要求新建液压泵站、泵房、电气控制柜、电源箱、液压和电气切换装置及（油和电气）管路布置等。

3.2 原系统改造与大修

确定原设备大修组件后，待新增设备到货后应及时组织施工，将电气控制柜、电源箱等固定就位，布设油和电气管路，与此同时要对原有启闭机实施大修，主要内容包括更换液压启闭机已经落后的某些重要元器件、清洗油管路并更换液压油、更换已损坏的油缸密封件等[6-8]。完成以上工作后，要进行机电液联调。

4 弧门液压启闭系统改造方案

4.1 改造原则

根据电站以往的运行管理经验及专家分析确定改造原则[9，10]：1）确保溢洪道弧门液压启闭机及其液压控制系统正常工作，以解除防洪安全隐患；2）按照常规和现场实际情况，提出结构简单、布局合理、安全可靠、经济适用的解决方案。

4.2 系统解决方案

1）方案一：2 孔弧门的2 台液压启闭机由1 个液压泵站的集中控制（“1 控2”）改为“1 控1”液压泵站的对应控制。

1 扇闸门独立采取1 套液压泵站，各泵站设置2 套互为备用的油泵电机组（相同型号），备用泵和工作泵须实现无扰切换自动化。系统须使油泵空载稳压及启动的需求得到满足，须规避液压冲击及振动现象形成，同时不能噪声异常，不可存在气穴与进气等情况，使全开至全关过程中每个位置的停与启等操作的需求得到满足，油缸下腔油路设置闭锁装置。在闸门全部或者局部启动时，设置活塞杆回升与下滑的程序。活塞杆下滑100 mm 时，油泵电机组开始启动，通过油缸将活塞提高到工作的位置上；如果大于100 mm，那么液压启闭机不能加以启动，闸门持续性滑动；在下滑量为150 mm 时，另外一组油泵电机组开始启动，油缸把活塞杆提高到工作的位置上，发送报警信号。液压系统设置同步双缸纠偏回路，使双缸同步启闭闸门得到保障。

换向阀、溢流阀、流量控制阀等控制元件需尽可能地明确布置于控制面板中，执行元件的接口在板块中直接连接，先导换向阀应具有平滑的换向特性。油箱本体采取矩形架构，倾斜底板，设定人孔盖、回油过滤器、温度传感器等附件，最低的地方设定排污球阀。在回油、工艺口处需根据规定维系应有距离，对油的流动方向进行合理有效的分隔与设定。系统装设1 套优质回油滤油器，其最大过滤精度应不大于10 μm，通过流量应不小于400 L/min。

液压启闭机的集控设备（现地控制单元）采用GE-90-70 可编程控制器，并预留与上位机监控系统通讯的485 接口。控制系统具有控制各孔闸门全开、全关及开至任意位置的功能，能够在固定开度中启落及维系闸门；同时可显示出各闸门开度、报警信号等。所选择的元件与设备需满足工程特定环境下的使用要求，并满足防尘、防潮、防腐、防霉等要求。

该方案需要将原液压泵站和油管路解体，以尽量使用原有器件为原则，重新形成2 个液压系统，实现单台液压启闭机的单独控制，从而能够保证整个水库泄水系统的可靠运行。但在工程现有的实际情况下，原液压泵室和电气控制室空间有限，新增加的1 台液压泵站及其电气控制柜存在无处安置的问题。此外，该方案对原系统改动大，技术难度大。

2）方案二：在闸门中墩处新建1 座“1 控2”液压泵站，与原泵站（改造后）互为备用。

新建液压泵站由泵房、液压泵站和电气控制柜、新增管路等组成，液压泵站和电气控制柜等的要求与方案一相同。当运行泵站及原液压系统出现故障时，备用泵站立即投入运行。该方案经济可靠，对原系统改动较小，在实际使用过程中切换迅速。

3）方案三：为每扇弧形工作闸门另增设1 台备用固定卷扬式启闭机。

根据弧形闸门在挡水水头下进行启闭操作时所需要的启闭力，单孔弧门需另设1 台2×250 kN固定卷扬式启闭机，当原液压启闭机控制系统出现故障时，可以通过卷扬式启闭机对工作闸门进行启闭操作。为此需要做到以下几点：①在闸门顶梁与纵梁交汇处增设一对双腹板吊耳，并对纵梁进行局部补强；②增加3 台固定卷扬启闭机，新建卷扬机的启闭机室，由于施工只能安排在汛前或讯后两个时段，存在工期紧张的问题；③液压系统要做修改，当卷扬机启闭闸门时，液压启闭机的活塞杆应能随之伸缩，液压油能自由进出油箱。

3 个方案对比见表1。

表1 方案对比表

综上所述，根据现有条件和工程实际，决定推荐采用方案二，采用在闸门中墩处新建1 座“1 控2”液压泵站与原泵站互为备用，该方案性价比高，既解除了使用者的担忧，又对原工程造成的影响最小，工期最短，投资最少，在实际使用过程中切换迅速。

5 结语

溢洪道弧门是保障水电站安全稳定运行的重要设施，其液压启闭系统对于水位检测、泄流具有重要的作用，是维系水电站安全水位及整站安全的核心。白山市双河二级水电站工程按选定方案完成改造后，实现了新旧泵站相互备用，并能够实现机、电、液的远程与快速切换。此次改造满足了结构简单、布局合理、安全可靠、经济适用的目标，同时也全面提高了溢洪道弧门液压启闭机及其液压控制系统工作的可靠性，从而解除了防洪安全隐患。