角木塘水電站泄洪表孔液壓設(shè)備集中布置的設(shè)計(jì)與研究

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(貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴陽，550002)

1 工程概況

芙蓉江角木塘水電站位于干流下游河段，地處貴州省道真縣忠信鎮(zhèn)聯(lián)江村，為芙蓉江水電梯級(jí)開發(fā)中的第10級(jí)，電站距道真縣城33km，壩址以上流域面積6886km2，多年平均年徑流量42.3億m3，多年平均流量136m3/s，水庫總庫容3259萬m3，壩高55m，壩軸線長154.8m，電站裝機(jī)容量70MW，保證出力10.1MW，多年平均發(fā)電量為2.51億kW·h。

水庫下游無防洪要求，水庫不設(shè)防洪限制水位，無防洪庫容，自正常蓄水位起調(diào)，閘門控制初期泄量等于來量，調(diào)度按閘門開啟次序和下游消能防沖要求等，按0.1H的漲率逐扇開啟，對大于50年一遇洪水，根據(jù)上游水庫的水情測報(bào)系統(tǒng)，全開閘門泄洪；對小于50年一遇洪水時(shí)，通過控制閘門開度，控制水庫水位保持為正常蓄水位。

為避免泄水時(shí)折沖水流的發(fā)生，使下游的消能效果好，并減小下泄水流對廠房尾水的影響，閘門運(yùn)行調(diào)度常遇洪水工況，應(yīng)優(yōu)先開啟3#孔，再開啟1#、2#孔，最后開啟靠近電站側(cè)的4#、5#孔。

2 液壓啟閉機(jī)的布置

角木塘水電站表孔位于水庫的壩頂，共設(shè)有5孔，孔口尺寸為12.5m×19.6m(寬×高)，在每孔上均設(shè)置有1扇弧形閘門，用于抬高水庫的水位，增加庫容，滿足發(fā)電要求，汛期及時(shí)地開啟渲泄庫內(nèi)的多余水量，確保大壩安全。

每扇閘門采用1套型號(hào)規(guī)格為QHLY-2×2800kN-10.2m的露頂式弧形閘門液壓啟閉機(jī)操作，總體布置形式為雙吊點(diǎn)，油缸為傾斜式布置，閘門操作油缸懸掛在閘墩側(cè)墻上，連接處均采用球面關(guān)節(jié)軸承以補(bǔ)償安置誤差，在油缸的回轉(zhuǎn)工作平面內(nèi)，能滿足閘門開啟的全過程(67.806°)，油缸與管路之間采用進(jìn)口軟管連接，保證油缸的自由擺動(dòng)。泵站共設(shè)置2個(gè)動(dòng)力站，左側(cè)泵站控制左2孔閘門(1#、2#)，右側(cè)泵站控制右3孔(3#、4#、5#)，液壓泵站和電氣控制柜布置在閘墩頂部389.00m高程的泵房內(nèi)，分別布置在壩頂右、左岸，液壓油管選用不銹鋼鋼管，將動(dòng)力油通過交通橋下前方油管橋從液壓泵站引入至啟閉機(jī)缸體內(nèi)，實(shí)現(xiàn)閘門全過程的啟閉功能。

啟閉機(jī)設(shè)備由10套油缸總成(含油缸、支鉸埋件)、10套閘門開度(行程)檢測裝置、2套液壓泵站設(shè)備及液壓管路系統(tǒng)、2套現(xiàn)地電氣控制柜及其附件、1套專用檢修工具等組成。

溢洪表孔弧形工作閘門液壓啟閉機(jī)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。

表1溢洪表孔弧形工作閘門液壓啟閉機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

序號(hào)項(xiàng)目參 數(shù)單位備注1型 號(hào)QHLY-2×2800kN-10.2m2額定啟門力2×2800kN3額定閉門力閘門自重kN4工作行程10.2m5最大行程10.4m6啟門速度～0.7m/min可調(diào)7閉門速度～0.7m/min可調(diào)8油缸缸徑520mm9活塞桿直徑270mm10啟門壓力18.1MPa11試驗(yàn)壓力22.6MPa12操作條件動(dòng)水啟閉13型 式雙吊點(diǎn)、單作用

3 液壓啟閉機(jī)主要部件的設(shè)計(jì)

3.1 油缸總成

油缸總成由液壓缸缸體、活塞桿、油缸活塞桿吊頭、密封件、導(dǎo)向套、防塵圈和青銅刮污圈、液壓啟閉機(jī)開度測量(油缸行程檢測)等組成。

其中液壓缸缸體采用優(yōu)質(zhì)45鋼無縫鋼管制作，正火處理?；钊麠U材料為40Cr合金結(jié)構(gòu)鋼，活塞桿表面鍍鉻為雙層鍍，第一層鍍?nèi)榘足t(有效防腐層)，第二層鍍硬鉻層(有效抗磨層)。活塞有桿腔密封件、無桿腔密封件、活塞桿密封件采用進(jìn)口的“EK”V型組合密封件，“OMK-MR”型組合密封件及“ES”V型組合密封件，材料選用夾布橡膠。導(dǎo)向采用進(jìn)口的KB和SB型非金屬導(dǎo)向套系列，油缸活塞桿出口端部設(shè)置進(jìn)口防塵圈和青銅刮污圈，確?；钊麠U能干凈的進(jìn)入油缸。

液壓啟閉機(jī)開度測量(油缸行程檢測)采用國產(chǎn)的FDK-IV/A型外置式行程檢測裝置，該檢測裝置為絕對型編碼器，輸出SSI信號(hào)，其防護(hù)等級(jí)為IP65，行程檢測傳感器的行程檢測誤差±1mm，重復(fù)檢測誤差±2mm，最大檢測行程20m，適應(yīng)環(huán)境溫度-20℃～+80℃。

3.2 液壓泵站系統(tǒng)

泄洪表孔液壓啟閉機(jī)每孔布置1套，分別由2套液壓泵站按“左2孔(1#孔、2#孔)工作閘門液壓啟閉機(jī)設(shè)置1套液壓泵站，泵組為2工1備配置，即每臺(tái)液壓機(jī)配置1套工作泵組，2套液壓機(jī)共用1套備用泵組；右3孔(3#孔、4#孔、5#孔)工作閘門液壓啟閉機(jī)設(shè)置1套液壓泵站，泵組為3工1備配置，即每臺(tái)液壓機(jī)配置1套工作泵組，3臺(tái)液壓機(jī)共用1套備用泵組”方式驅(qū)動(dòng)和控制。

液壓油泵的啟停、閘門的啟閉均由現(xiàn)地PLC控制及遠(yuǎn)程(發(fā)電廠房)中控執(zhí)行，該泵站共用1套移動(dòng)備用泵站，以保證在特殊情況下，液壓機(jī)失去主供電源和備用電源后，仍能開啟閘門。5孔啟閉機(jī)在全行程范圍內(nèi)，經(jīng)過油缸行程檢測及相關(guān)配套閥控制，每孔閘門2套液壓缸同步運(yùn)行誤差不大于20mm，以保證閘門開啟時(shí)的同步性，液壓系統(tǒng)啟門動(dòng)作時(shí)額定工作壓力21.1MPa，單泵最大輸出流量220L/min，右3孔油箱容積10800L，左2孔油箱容積8400L，油箱和管路的材質(zhì)均采用不銹鋼。

本液壓系統(tǒng)控制回路采用電液換向閥、比例流量控制閥、插裝閥和板式溢流閥來控制。液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)有安裝、檢修工況對油缸上腔加壓的回路，調(diào)定壓力為2MPa，此壓力用于推動(dòng)活塞桿空載時(shí)伸出，液壓系統(tǒng)具有監(jiān)測和保護(hù)元器件，油缸有桿腔、無桿腔分別設(shè)有壓力繼電器來進(jìn)行失壓保護(hù)，系統(tǒng)泵站壓力油管路設(shè)有1路4-20mA模擬量輸出信號(hào)和兩路開關(guān)量信號(hào)的壓力傳感器，來進(jìn)行系統(tǒng)壓力監(jiān)測、超壓保護(hù)和失壓保護(hù)，每臺(tái)泵出口都設(shè)有壓力繼電器來進(jìn)行油泵故障檢測，液壓系統(tǒng)留有P、Q、T檢測儀、油液污染度檢測儀及油箱用油液凈化裝置接頭，并能接上實(shí)現(xiàn)在線檢測和進(jìn)行油水分離，油箱中設(shè)有液位繼電器、溫度傳感器、積水報(bào)警器和具有除濕功能的空濾器，高壓濾油器、回油濾油器帶濾芯堵塞報(bào)警器，用于保證液壓泵站系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.3 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)設(shè)置現(xiàn)地控制及遠(yuǎn)程控制2套，遠(yuǎn)程控制通過光纜傳輸至電站廠房中控內(nèi)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場的“少人值班，無人值守”。每套液壓泵站及相應(yīng)液壓啟閉機(jī)設(shè)置1套現(xiàn)地控制單元，分別設(shè)置在左、右岸泵站室內(nèi)，每套溢洪表孔弧形工作門液壓啟閉機(jī)現(xiàn)地控制單元設(shè)置2面動(dòng)力柜和1面操作控制柜，2套現(xiàn)地控制單元共設(shè)置6面柜。

每套泵站設(shè)置1套PLC控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)閘門啟閉全過程控制以及液壓泵站的自動(dòng)啟停等控制，每套現(xiàn)地控制單元設(shè)置1臺(tái)10.4英寸彩色觸摸屏，用于現(xiàn)地顯示閘門開度、油壓、模擬信號(hào)等狀態(tài)參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)閘門啟閉過程中各種工況參數(shù)的自動(dòng)采集與監(jiān)視，以及故障報(bào)警和事故處理等功能。每套PLC控制系統(tǒng)采用可編程控制器做為控制主機(jī)，實(shí)現(xiàn)啟閉機(jī)等設(shè)備的監(jiān)視與控制，并預(yù)留1個(gè)RS485(Modbus)通信接口，采用現(xiàn)場總線方式與電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場自動(dòng)、手動(dòng)操作以及遠(yuǎn)方集中操作。液壓啟閉機(jī)可接收計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的遠(yuǎn)方啟/閉/?？刂泼?，以及通過通信接口發(fā)出的控制命令，每套現(xiàn)地控制單元中每回動(dòng)力主回路設(shè)置1套進(jìn)線總空開和1臺(tái)軟啟動(dòng)器，用于電機(jī)的啟?？刂婆c保護(hù)。

本系統(tǒng)與電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過I/O方式硬線連接和通信方式(通信規(guī)約為MODBUS，通信接口為RS485)進(jìn)行連接，向計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)傳送液壓泵站和閘門設(shè)備運(yùn)行信息，并接受計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)送來的控制命令，所有輸入/輸出開關(guān)量均采用無源接點(diǎn)，模擬量輸入/輸出采用4-20mA，并連接至端子排，控制柜內(nèi)還應(yīng)提供與監(jiān)控系統(tǒng)連接的通信接口。

4 結(jié)語

角木塘水電站溢洪表孔弧形工作閘門是本工程最為重要的泄洪系統(tǒng)，5孔弧形閘門能否正常運(yùn)行關(guān)系著整個(gè)工程的泄洪安全及發(fā)電效益，通過泵站集中布置在壩面的左、右岸，首先減少了設(shè)備的數(shù)量及造價(jià)，其次現(xiàn)場操作及遠(yuǎn)程控制的界面也非常的簡潔、穩(wěn)靠，操作簡便，壩面布置美觀。經(jīng)過2017年10月至今的發(fā)電運(yùn)行反饋，該布置方案合理，運(yùn)行可靠，為以后同類項(xiàng)目提供了參考及借鑒。