水電站大型液壓弧門不能開啟故障分析與處理

胡小剛，王 波

（1.重慶大唐國際武隆水電開發有限公司，重慶 408500；2.西藏開投果多水電有限公司，西藏 昌都 854000）

1 引言

某水電站位于烏江下游河段，為壩式水電站，屬日調節水電站，大壩為混凝土重力壩，壩頂高程227.5 m，最大壩高78.5 m，壩頂長600.1 m；水庫正常蓄水位 215 m，死水位 211.5 m，總庫容 3.2 億 m3，調節庫容0.37 億m3。電站主要建筑物有擋水建筑物、泄洪建筑物、電站廠房和通航建筑物。電站共有10個表孔，布置10 扇弧形15.50 m×20.00 m（寬×高）工作閘門，弧門最大開度28 m，由容量為2×4 600 kN的液壓啟閉機控制。該泄洪表孔三支臂弧形門曲率半徑是當時國內最大的。啟閉機采用現地控制或中央集中控制，可全程或局部開啟，為動水啟閉。同時，系統具有檢修調試控制功能、下滑回升控制功能以及監視報警功能等。該電站泄洪弧門于2011 年底投入運行。

2 液壓啟閉機工作原理

每臺液壓啟閉機由1 臺液壓泵站驅動，采用“一泵一機”傳動控制方式用2 臺油缸操作啟閉弧形工作閘門，如圖1所示。由于液壓啟閉機啟門力較大，為2×4 600 kN，考慮到液壓泵站的設備容量和電源容量以及閘門啟閉運行安全性，每套液壓泵站設3臺手動變量柱塞泵同時工作、互為備用。油缸活塞啟門速度為0.6～0.8 m/min（可調）、閉門速度為0.5 m/mim（可調）。液壓泵站分為集中控制功能塊和油缸旁保壓安全閥塊，其中后者用于開啟后保壓閉鎖，并具有閘門啟閉過程中保護啟閉機因管路破裂而造成事故的功能。

圖1 弧門液壓系統

2.1 啟門動作

啟門操作時，YV3、YV5 帶電，系統壓力油經閥組插裝閥（件22.1）、調速閥/比例調速閥（件49.1/26.1、49.2/26.2）、液控單向閥（件47.1、47.2）至兩油缸有桿腔，兩油缸無桿腔油液通過插裝閥（件27.3）、回油濾油器（件12）流回油箱，液壓啟閉機啟門。啟門過程中，液壓系統將油缸開度檢測裝置測出的閘門位置信號發送至本現地控制站的PLC 中，由其處理實現兩閘門的同步動作，并實現兩閘門任意開度控制。啟門壓力由溢流插裝閥（件27.2）的先導壓力控制閥（件50.2）調定。

2.2 閉門動作

YV1得電后延時5 s啟動第1臺電機，延時8 s后啟動第2 臺電機，延時11 s 后啟動第3 臺電機；延時15 s后，YV1失電，系統升壓。YV2、YV4、YV6帶電，系統壓力油由插裝閥（件22.2）、順序閥（件59）至油缸無桿腔，油缸有桿腔油液經液控單向閥（件47.1、47.2）、調速閥/比例調速閥（件49.1/26.1、49.2/26.2）、溢流插裝閥（件27.2）、回油濾油器（件12）流回油箱。液壓系統進行閉門動作時，閉門壓力由溢流插裝閥（件27.3）的先導壓力控制閥（件64）調定。

閘門在進行啟門、閉門動作時，通過2 臺比例調速閥來實現2只油缸的同步運行及啟、閉門速度的調節。具體運行工況為：將調速閥49.1、49.2 的流量值盡可能調到一致（45 L/min），主控室根據閘門啟門速度和閉門速度要求，給比例調速閥的功率放大器輸入對應的電壓信號（其中，1 臺比例調速閥控制的油缸為基準油缸，另1臺比例調速閥控制的油缸為跟隨油缸）。進行啟、閉門動作時，當2套油缸的同步誤差超過5 mm時，增大或減小跟隨油缸比例調速閥功率放大器的電壓信號值以增大或減小比例開口量，進行糾偏；當2 套油缸的同步誤差≤5 mm 時，恢復至原電壓信號的設定值。當兩油缸的位置差再次超過5 mm時，重復以上動作，以實現2套油缸同步動作。

3 啟閉機故障描述

2018 年4 月，對弧門進行機械及電氣常規汛前檢查。在對弧門進行靜水全行程試驗時發現4 號弧門開至6 m 左右，閘門開度儀顯示左缸開度數據快，發生超調現象，左右偏差達到80～90 mm，閘門開度偏差過大報警，使得弧門發生故障停機。后對弧門系統進行檢查，初步發現弧門在開啟開度5～6 m 時開度儀突然顯示左缸開度數據快、右缸開度數據慢現象，后因左右缸偏差過大進行手動強制糾偏無效停機。為此，更換了開度儀編碼器，弧門全關進行歸零設置。

4 月11 日，弧門由全關轉向開啟開度5～6 m時，開度儀突然顯示左缸開度數據快現象，發生超調報警，此時左側高度高于右側最大430 mm，同時壓力表顯示左缸壓力升高了2～3 MPa 而右缸降低了7～8 MPa。報警停機后，弧門由6 m 左右的開度向下關閉時，左缸壓力略微升高1～2 MPa 而右缸壓力突然降低5～6 MPa，此時表明左缸壓力比右缸壓力高。現場分析發現，右油缸直動式溢流閥動作，弧門由全關至5 m 多開度時，隨著弧門開啟高度升高，其負載增大，壓力也隨之增大。由于右油缸直動式溢流閥動作（低于設定值），在啟門過程中排壓，右缸壓力突然降低，弧門右側下滑，受力偏向左缸，左側壓力升高同時開度儀顯示左缸開度數據快，發生超調現象。在落門的過程中開度6～5.5 m 時，右缸溢流閥和液控單向閥同時排油，而左缸只有液控單向閥排油，右缸壓力突然降低，左缸壓力會有一個略微上升過程。在弧門落至出口壓力低于右側溢流閥的安全動作壓力時，溢流閥關閉，左右油缸都是通過相同壓力油源的單向閥排油，左右缸的出口壓力會趨于一致直至弧門全關。當時分析認為，右缸的溢流閥壓力降低至整定值，在啟閉門時超過壓力值就泄壓，需進行壓力調整。當天18∶30 至次日9∶30，開啟弧門2 m開度進行了下滑保壓試驗，15 h下滑量1 mm，數值正常，說明左右缸活塞內漏和液控單向閥正常。4 月12 日，重新開啟弧門進行驗證，同樣到開度5 m多開度儀顯示左缸開度數據快，發生超調現象，左右缸偏差過大報警，說明問題沒有得到解決。對右缸壓力表和管路檢查發現，左右缸壓力表編號貼反（表15.3/15.4），實際情況應是開度到6 m 左右時左缸壓力降低、右缸壓力升高。然而，開度儀數字顯示左缸開度高、右缸開度低，發生超調現象，左邊弧門高于右邊最大值430 mm，這就產生以下矛盾：左開度顯示高，右開度顯示低，而左缸壓力低于右缸，閘門應該偏向右側。該弧門已經投產7 a多，每年汛前都會進行凈水全行程試驗及動水1 m 開度啟閉試驗，說明弧門的導軌偏差是正常的，弧門開啟不成功是由于液壓系統及自動化原件造成的。

4 啟閉機故障分析

弧門由全關開啟時左右缸的壓力基本一致，油缸的活塞桿伸出，內置式開度儀的鋼絲繩被拉開，隨著啟門活塞收回，弧門上升，同時開度儀鋼絲繩收回。

（1）左側開度儀鋼絲繩的卷線裝置布線偏移跳槽，從而引起左缸編碼器多轉幾圈。開度儀顯示左高，比例閥會給右缸調壓，壓力表瞬間顯示右高左低，此時開度儀顯示左高右低。因為鋼絲繩偏移，手動糾偏右缸不會變化，實際是右升高，管理人員看到右側水封間隙大，而開度儀顯示的是不真實數字。關閉時，因為開度儀顯示左高右低，比例閥會給右缸壓力，右缸壓力有一個上升，左側比例閥減小油量壓力降低。通過右缸伸出的鋼絲繩伸開，帶動編碼器一起動作，左右缸開度趨于一致，直至全關。

（2）右側開度儀鋼絲繩沒有收回或收回少，而左側的開度儀正常收回。左側開度為正常開度，而右缸開度儀鋼絲沒有回卷，比例閥會給右缸調壓，越調越偏，壓力表瞬間顯示右高左低。開度儀顯示左高右低，因為右側開度儀鋼絲繩沒有收回，手動糾偏右缸也不會變化。關閉時，開度儀顯示左高右低，比例閥會給右缸壓力，右缸壓力有一個上升，左側比例閥減小油量壓力降低，通過右缸伸出的鋼絲繩伸開，帶動編碼器一起動作，左右缸的開度趨于一致，直至全關。

為此，必須檢查開度儀鋼絲繩或者開度儀恒力彈簧。由于該液壓啟閉機內置開度儀，鋼絲繩在啟閉機內部，所以先檢查開度儀恒力彈簧。拆卸后，發現右側開度儀恒力彈簧斷裂，如圖2 所示。開度儀恒力彈簧損壞導致不能完全開啟弧門。由于開度儀存在問題，不管“現場”“遠方”“手動”，弧門開度到6 m左右時，比例閥就會調節調壓，越調越偏，使得弧門不能開啟到位。

圖2 開度儀恒力彈簧

5 缺陷處理

為確保缺陷處理的安全順利進行，首先將弧門1 號、2 號比例閥電源切斷，屏蔽開度儀數顯和超調報警，派1 人監視左右缸壓力表值，派2 人觀察左右側弧門本體密封和導軌間隙，派1 人用望遠鏡觀察弧門啟動時導向輪和導軌間隙、導向輪是否轉動，另派1 人用全站儀測量左右側弧門高度。手動開啟弧門，每開啟1 m 記錄弧門左右高度，一直上升，中間可以根據弧門和導軌的間隙進行糾偏。各作業人員聽從總指揮統一調度，利用對講機做好溝通，發現異常立即停止弧門開啟試驗。若弧門可以開啟，則說明弧門本體及液壓系統沒有問題。弧門開啟至全開位置，切除啟閉機動力電源，更換右側開度儀恒力彈簧。由于開度儀恒力彈簧安裝在啟閉機底端，需要防止相關人員高空墜落。弧門開啟后恒力彈簧處于收回狀態，彈簧彈性勢能造成人員傷害的可能大大降低，風險可控。更換后，全關弧門歸零設置，并進行手動和自動全行程啟閉試驗。

6 結語

弧門故障處理后，2018 年汛期，該電站多次啟閉4 號弧門實現穩定運行，為安全度汛奠定了良好基礎。針對液壓弧門在開啟中突然偏差過大的原因進行了分析，找出了導致缺陷原因，并提出了可靠方法完成缺陷處理，可為處理類似問題提供參考。