孤山航電樞紐工程表孔弧形工作門側(cè)水封智能潤(rùn)滑系統(tǒng)研究

孔劍 熊順鋒

摘要：

為有效解決泄水閘和大壩泄洪表孔弧形工作門啟閉時(shí)容易發(fā)生水封翻轉(zhuǎn)或損傷問題，研究了側(cè)水封智能潤(rùn)滑系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)布置、工作流程及變頻恒壓技術(shù)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用于孤山航電樞紐工程表孔弧形工作門中。結(jié)果表明：側(cè)水封智能潤(rùn)滑系統(tǒng)

解決了弧形工作門啟閉時(shí)的水面線以上側(cè)水封與止水座板無水干摩擦問題，延長(zhǎng)了水封使用壽命，實(shí)現(xiàn)了側(cè)水封潤(rùn)滑與閘門啟閉智能聯(lián)動(dòng)控制。研究成果可為同類工程提供借鑒。

關(guān)鍵詞：

大壩泄流； 弧形工作門； 側(cè)水封； 潤(rùn)滑； 孤山航電樞紐工程

中圖法分類號(hào)：TV663

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S1.017

文章編號(hào)：1006-0081（2023）S1-0057-04

0 引 言

水利水電工程中，泄水閘和大壩的泄洪表孔常使用弧形工作門來調(diào)節(jié)水位并控制流量。為保證密封效果、控制漏水量，弧形工作門采用側(cè)水封與弧門側(cè)軌埋件上的不銹鋼止水座板配合止水。弧形工作門啟閉過程中，側(cè)水封與止水座板始終接觸，當(dāng)閘門開啟至正常蓄水位以上時(shí)，側(cè)水封與止水座板處于無水干摩擦狀態(tài)。根據(jù)尤聿寧等［1］對(duì)水工閘門水封的摩擦特性研究，水介質(zhì)對(duì)水封摩擦有很好的潤(rùn)滑作用，普通水封的干摩擦系數(shù)為1.35～1.95，而清水中摩擦系數(shù)為0.40～0.60，濕摩擦系數(shù)只有干摩擦系數(shù)的30%。此外，側(cè)水封與止水座板的強(qiáng)烈干摩擦極易造成水封的翻轉(zhuǎn)或損傷，從而降低閘門整體的止水密封性能，縮短和減少水封的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)還可能會(huì)造成閘門漏水量增加，出現(xiàn)安全隱患。

在目前的已建工程中，為避免表孔弧形工作門側(cè)水封與止水座板發(fā)生干摩擦，一般在弧形工作門開啟或關(guān)閉時(shí)，由人工取水對(duì)側(cè)水封和止水座板進(jìn)行噴淋潤(rùn)滑。這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力，在遇到需緊急啟閉時(shí)無法做到及時(shí)潤(rùn)滑。有些運(yùn)管單位管理松懈，操作人員為避免麻煩甚至不經(jīng)過噴淋潤(rùn)滑而直接啟閉閘門。張步溪等［2］以蒼南縣朱家站排澇泄洪閘為例，研究了漏孔式噴水管閘門潤(rùn)滑水控制系統(tǒng)。針對(duì)錦屏二級(jí)水電站攔河壩溢洪道表孔弧門，雷立超等［3］設(shè)計(jì)了側(cè)水封淋水系統(tǒng)，通過潛水深井泵從壩前水庫取水，在淋水管路上鉆孔噴淋止水座板。周江等［4］在梨園水電站溢洪道工作閘門中通過小孔對(duì)墻壁噴淋，使水流沿閘墻往下流至閘門水封及止水座板，達(dá)到潤(rùn)滑目的。韋文藝［5］和吳燕勤［6］分別對(duì)亭子口水電站工程和曹娥江大閘樞紐工程中水封潤(rùn)滑進(jìn)行了研究。

針對(duì)目前已有的研究，水封潤(rùn)滑多采用對(duì)淋水支管鉆孔使水流沿墻壁流至水封及止水座板上的方式，普遍存在淋水流量小、個(gè)別出口壓力不足、淋水不均勻或不到位等問題。為解決這些不足，本文研究了表孔弧形工作門側(cè)水封智能潤(rùn)滑系統(tǒng)，并在孤山航電樞紐工程右區(qū)泄水閘弧形工作門上應(yīng)用。

1 側(cè)水封智能潤(rùn)滑系統(tǒng)

1.1 結(jié)構(gòu)布置

側(cè)水封智能潤(rùn)滑系統(tǒng)主要由水泵、電動(dòng)球閥、噴頭以及潤(rùn)滑水管路等組成。潤(rùn)滑水管路布置采用總分的形式，從水源點(diǎn)（管理區(qū)生活用水或消防水管）布置埋設(shè)一根總供水母管，敷設(shè)至閘墩上各孔口啟閉機(jī)房?jī)?nèi)，通過連接支管與設(shè)置在啟閉機(jī)房?jī)?nèi)的水泵和電動(dòng)球閥，潤(rùn)滑水經(jīng)過水泵后以恒定壓力引至弧形工作門側(cè)止水座板上方，引水管用管夾固定在閘墩側(cè)面，出水端安裝萬向直射噴頭，噴頭噴水口朝向弧形工作門止水座板。萬向直射噴頭［7-8］旋轉(zhuǎn)角度在0°～150°范圍內(nèi)可調(diào)，噴射距離2～4 m，且不受8級(jí)以內(nèi)風(fēng)力影響，能夠盡可能大的覆蓋噴水范圍，確保潤(rùn)滑效果，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。為保證各出水口水壓不受沿程水頭損失影響，通過水泵變頻恒壓技術(shù)，使各出水口水壓恒定。圖2為表孔弧形工作門側(cè)水封智能潤(rùn)滑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)布置。

1.2 變頻恒壓技術(shù)

考慮到某些工程泄水閘孔口數(shù)量多，供水母管跨度大、支管多，沿程水頭損失大，造成各出水口噴頭處水壓不均的問題，為保證潤(rùn)滑效果，側(cè)水封智能潤(rùn)滑系統(tǒng)采用變頻恒壓控制原理設(shè)計(jì)，通過變頻器控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，壓力傳感器反饋?zhàn)冾l器過程，達(dá)到自動(dòng)恒壓的運(yùn)行狀態(tài)，并通過通訊傳輸與控制，實(shí)現(xiàn)啟停運(yùn)行、報(bào)警與故障指示，確保系統(tǒng)的運(yùn)行安全。

1.2.1 變頻恒壓供水原理

傳統(tǒng)的供水常通過在高處設(shè)立蓄水箱、氣壓供水等手段來保證水壓，存在水壓不足、水源二次污染、功耗大、成本高、管道閥件易損、不易維護(hù)等問題［9］。變頻恒壓供水技術(shù)以管路水壓為參數(shù)，采用壓力傳感器監(jiān)測(cè)管路中的水壓，壓力傳感器將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)傳輸至變頻器PID回路，通過PID運(yùn)算后，反饋水量增加或減小的信號(hào)，自動(dòng)調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，使水壓始終恒等于設(shè)置的水壓［10-12］。當(dāng)用水量增加時(shí)，輸出頻率升高，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度加快；用水量減小時(shí)，輸出頻率降低，水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度相應(yīng)減慢，供水量減小。這樣既可保證管路中的水壓，又可保證用水量，實(shí)現(xiàn)了用水與供水之間的平衡，提高供水效率。變頻恒壓供水原理如圖3所示。

1.2.2 變頻恒壓供水優(yōu)勢(shì)

（1） 啟停平順。消除了傳統(tǒng)管道供水中的水錘效應(yīng)［13］對(duì)水泵和電機(jī)的振動(dòng)且沖擊小，有效延長(zhǎng)了水泵和電機(jī)的使用壽命。

（2） 水壓恒定。傳統(tǒng)供水中，由于無法精準(zhǔn)控制水壓，經(jīng)常出現(xiàn)水壓過大造成供水管破壞或者共振現(xiàn)象，變頻恒壓技術(shù)能夠保持水壓恒定不變，根據(jù)水壓信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整，自動(dòng)控制水泵流量。

（3） 安全衛(wèi)生。為了保證供水水壓，往往需要設(shè)置頂樓蓄水箱或者采用二次增壓設(shè)備，變頻恒壓技術(shù)減少了此項(xiàng)投資，并避免了對(duì)水源的污染。

（4） 高效節(jié)能。變頻恒壓技術(shù)可以讓水泵轉(zhuǎn)速自適應(yīng)流量變化，水泵工作始終在高效區(qū)間，當(dāng)檢測(cè)到流量為零時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)睡眠功能，水泵停機(jī)；流量增加后，水泵再次啟動(dòng)工作，按需供水，節(jié)能效果明顯。

（5） 功能完善。系統(tǒng)具備過壓、欠壓、斷相、過流、過載、失速保護(hù)、低液位保護(hù)、瞬時(shí)停電保護(hù)等功能，功能齊全，智能化程度高。

（6） 自動(dòng)化程度高。系統(tǒng)能夠按照設(shè)定的時(shí)間自動(dòng)供水，分段供水，全自動(dòng)控制與運(yùn)行，不需要專人值守，控制系統(tǒng)具有故障報(bào)警功能，并且可以在工頻和變頻間轉(zhuǎn)換，緊急情況下也可實(shí)現(xiàn)供水。

（7） 占地小。變頻恒壓技術(shù)使整個(gè)系統(tǒng)布置緊湊，占地面積小，安裝也較為方便。

1.3 智能潤(rùn)滑系統(tǒng)工作流程

表孔弧形工作門側(cè)水封智能潤(rùn)滑系統(tǒng)既可作為閘門啟閉機(jī)控制系統(tǒng)的子系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，也可以作為單獨(dú)的控制系統(tǒng)，與閘門啟閉機(jī)控制系統(tǒng)互相獨(dú)立，互不干擾。

作為子系統(tǒng)時(shí)，側(cè)水封潤(rùn)滑由表孔弧形工作門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整體控制。當(dāng)弧形工作門準(zhǔn)備開啟或者關(guān)閉時(shí)，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)控制系統(tǒng)［14-15］的控制柜向電動(dòng)球閥發(fā)出信號(hào)，控制電動(dòng)球閥打開，噴頭開始噴水，給側(cè)止水座板及弧形工作門上的橡皮水封加水潤(rùn)滑，延時(shí)1 min后，弧形工作門開始動(dòng)作。當(dāng)弧形工作門停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓?jiǎn)㈤]機(jī)控制系統(tǒng)的控制柜向電動(dòng)球閥發(fā)信號(hào)，控制電動(dòng)球閥關(guān)閉，噴頭停止噴水，停止?jié)櫥？刂屏鞒倘鐖D4所示。

作為獨(dú)立控制系統(tǒng)時(shí)，該系統(tǒng)包括閘門啟閉傳感器、信號(hào)接收裝置、信號(hào)處理裝置和控制器，其中，閘門啟閉傳感器安裝在弧形工作門或液壓?jiǎn)㈤]機(jī)上，信號(hào)接收裝置的信號(hào)輸入端與閘門啟閉傳感器的信號(hào)輸出端連接，用于接收閘門啟閉傳感器的信號(hào)。信號(hào)處理裝置用于處理接收到的信號(hào)并輸出給控制器，控制器的信號(hào)輸出端分別與電動(dòng)球閥、水泵以及噴頭的控制端連接，控制電動(dòng)球閥、水泵的開啟以及噴頭的旋轉(zhuǎn)。控制流程如圖5所示。當(dāng)弧形工作門開啟時(shí)，置于弧形工作門上的閘門啟閉傳感器接收到閘門開啟的信號(hào)，將信號(hào)傳遞給信號(hào)接收裝置，再輸出到信號(hào)處理裝置，經(jīng)處理后傳送到控制器，由控制器控制電動(dòng)球閥打開，噴頭開始噴水，給橡皮水封加水潤(rùn)滑；當(dāng)弧形工作門停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，閘門啟閉傳感器發(fā)出關(guān)閉信號(hào)，控制器控制電動(dòng)球閥關(guān)閉，噴頭停止噴水潤(rùn)滑。

表孔弧形工作門側(cè)水封智能潤(rùn)滑系統(tǒng)無論作為獨(dú)立控制系統(tǒng)還是整體控制系統(tǒng)的一部分，均可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制。當(dāng)弧形工作門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)控制系統(tǒng)不工作時(shí)，也可以手動(dòng)控制噴頭的旋轉(zhuǎn)角度和流量大小，對(duì)止水座板及水封進(jìn)行潤(rùn)滑。

2 孤山航電樞紐工程應(yīng)用實(shí)例

2.1 工程概況

孤山航電樞紐工程位于漢江干流夾河到丹江口樞紐回水末端河段內(nèi)，主要開發(fā)任務(wù)是發(fā)電和航運(yùn)，其次為防洪、水資源保護(hù)、水土保持和灌溉等。根據(jù)工程的開發(fā)任務(wù)和功能要求，樞紐主要由擋水建筑物、泄水建筑物、電站廠房、通航建筑物及過魚建筑物等組成。

泄水建筑物分左、右兩區(qū)，共布置18個(gè)敞孔型式的孔口，其中左區(qū)布置7孔（平面工作門）、右區(qū)布置11孔（弧形工作門）。孤山航電樞紐工程承擔(dān)壩址下游防洪任務(wù)，水庫調(diào)洪以減少庫區(qū)淹沒影響、確保樞紐本身防洪安全為前提，當(dāng)小流量（Q≤3 000 m3/s）通航情況下，電站機(jī)組先過流，再均勻逐步開啟右區(qū)11孔泄水閘；當(dāng)12 000≥Q>3 000 m3/s不通航時(shí)，可使用左、右兩區(qū)18孔泄水閘泄洪；當(dāng)Q>12 000 m3/s，機(jī)組停機(jī)，全部18孔泄水閘泄洪。左區(qū)順?biāo)飨蚍謩e布置有平面事故檢修門和平面工作門，右區(qū)布置有平面事故檢修門和弧形工作門。

右區(qū)泄水閘位于縱向圍堰及電站廠房之間河床中心洲上，溢流前沿長(zhǎng)207 m，共11孔，包括上游進(jìn)水渠、泄水閘、消力池及下游出水渠4個(gè)部分。右區(qū)工作門為弧形門，按一孔一機(jī)設(shè)置，孔口寬15 m，露頂布置。正常蓄水位177.23 m，設(shè)計(jì)水頭19.13 m，底坎高程158.10 m，支鉸高程179.10 m，弧面半徑27.00 m，閘門為雙主橫梁，斜支臂，雙吊點(diǎn)，支鉸型式為球鉸，由2×3 600 kN液壓?jiǎn)㈤]機(jī)控制操作。閘門動(dòng)水啟閉，可以局部開啟以調(diào)節(jié)過閘流量，一旦水位高于正常蓄水位，閘門全開敞泄。

2.2 弧形工作門側(cè)水封智能潤(rùn)滑系統(tǒng)

孤山右區(qū)泄水閘弧形工作門側(cè)水封智能潤(rùn)滑系統(tǒng)將管理區(qū)生活消防用水作為水源點(diǎn)，通過1根總的供水母管和11根支管敷設(shè)至閘頂各啟閉機(jī)房?jī)?nèi)，經(jīng)水泵和電動(dòng)球閥后將潤(rùn)滑水以恒定壓力送至萬向直射噴頭，供水母管布置于壩頂門機(jī)下游軌道下游側(cè)電纜管溝內(nèi)，管道布置如圖6所示。為方便工作人員對(duì)噴頭進(jìn)行檢修、調(diào)整，噴頭設(shè)置在側(cè)止水座板上方距離門機(jī)平臺(tái)1.20 m的位置，噴水口朝向側(cè)止水座板，噴水范圍能夠覆蓋死水位175.00 m高程以上的側(cè)止水與止水座板的接觸范圍，見圖7。

弧形工作門啟閉機(jī)液壓泵站、電控柜、電動(dòng)球閥和水泵均布置在閘頂啟閉機(jī)房?jī)?nèi)，電控柜的信號(hào)輸出端與電動(dòng)球閥、水泵、液壓泵站的控制端連接，實(shí)現(xiàn)側(cè)水封潤(rùn)滑與弧形工作門啟閉一體化整體聯(lián)動(dòng)控制。系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)側(cè)水封潤(rùn)滑1 min后弧形工作門開始動(dòng)作，后期根據(jù)實(shí)際潤(rùn)滑效果對(duì)潤(rùn)滑時(shí)間進(jìn)行調(diào)整，以保障弧形工作門動(dòng)作前側(cè)水封處于充分潤(rùn)滑狀態(tài)，保護(hù)水封，減小啟閉過程中的摩阻力。

3 結(jié) 論

（1） 表孔弧形工作門側(cè)水封智能潤(rùn)滑系統(tǒng)可以有效減小側(cè)水封與止水座板之間的摩擦，保證閘門始終處于安全穩(wěn)定的運(yùn)行工況，大大延長(zhǎng)側(cè)水封的使用壽命，節(jié)約側(cè)水封維護(hù)更新的安裝、采購成本。

（2） 通過控制系統(tǒng)設(shè)置，表孔弧形工作門側(cè)水封的潤(rùn)滑過程與閘門啟閉操作相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化、智能化、聯(lián)動(dòng)化，側(cè)水封智能潤(rùn)滑系統(tǒng)既可以遠(yuǎn)程獨(dú)立控制，又可以與閘門啟閉聯(lián)動(dòng)控制。

（3） 表孔弧形工作門側(cè)水封智能潤(rùn)滑系統(tǒng)幾乎不需要人為操作，大大減少了人工取水對(duì)閘門水封潤(rùn)滑的工作量，同時(shí)降低了由于水封發(fā)生破壞而引起閘門漏水的風(fēng)險(xiǎn)。

（4） 表孔弧形工作門側(cè)水封智能潤(rùn)滑系統(tǒng)同樣適用于其他各類型閘門水封的潤(rùn)滑，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、直接成本和間接成本低、施工方便、經(jīng)濟(jì)效果顯著，可為水利水電工程中各類型閘門的水封潤(rùn)滑提供借鑒。

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