赵山渡水利枢纽液压启闭机双缸同步控制系统的分析和应用

董合慧

(浙江珊溪经济发展有限责任公司,浙江 温州 325000)

1 工程概况

浙江温州赵山渡引水枢纽工程,于1996年12月完成初步设计,1998年8月开工建设,2002年10月竣工,至今已安全运行7 a。赵山渡引水枢纽工程,设计库容3 414万m3,日调节水库,设计洪水标准为10 a一遇,校核洪水标准为100 a一遇,防汛任务相当艰巨。赵山渡水利枢纽泄洪闸门为露顶式弧形工作闸门16孔,其中12m×12m(宽×高)7孔,配备液压泵站1套,2×800 kN液压启闭机7套;12m×14m(宽×高)9孔,配备液压泵站1套,2×1 000 kN液压启闭机9套。

双缸弧形闸门的同步控制问题,一直是影响液压启闭机设备安全、正常运行的关键因素,也是在同类闸门启闭设备运行过程中故障比较多的部分。赵山渡水利枢纽,在设计上充分考虑了这个技术难题,经过多方面的考察研究后,大胆引进、应用了2项国际先进技术,以彻底解决双缸弧形闸门同步控制的精度和运行稳定性。

2 磁致伸缩位移传感器的行程测量装置

液压缸运行过程中的行程测量系统,是同步控制系统工作的基础。不管采用何种同步控制装置,其工作完全建立在行程测量系统所采集的闸门左右开度数据上的;因此,液压缸行程测量系统的精度和工作可靠性,对液压启闭机的同步控制起决定性作用。

磁致伸缩意指一些金属(如铁和镍),在磁场作用下具有伸缩能力,磁致伸缩的效果是非常细微的,一般的镍铁合金是30 ppm。磁致伸缩位移传感器是利用2个不同磁场相交时产生的1个应变脉冲信号,然后计算这个信号被探测所需的时间周期,从而换算出准确的位置。

磁致伸缩位移传感器检测精度达到0.01mm;传感器输出信号为绝对数值,即使电源中断重接也不会影响数据接收,更无需重新归回零位。由于传感器的敏感元件在工作时,都应用了非接触技术,即使感测过程不断重复,也不会对传感器造成任何磨损。国外有关资料显示,美国太空署(NASA)的计算,磁致伸缩位移传感器的无故障时间(MTBF)为23 a。

赵山渡水利枢纽在双缸弧形闸门的行程检测装置上,引进了德国磁致伸缩位移传感器,以保证液压启闭机同步控制系统工作精度和可靠性。这是国内水利水电工程第一次大批量使用这种先进的位移传感器,即使在10 a后的今天,磁致伸缩位移传感器,仍然是国内水利水电行业液压启闭机设备最先进的行程测量系统之一。

3 比例流量伺服系统和旁路纠偏原理相结合的同步控制系统

在2000年以前,国内的液压启闭产品只能采用行程开关实现简单的限位控制;没有任何自动化同步伺服技术。闸门启闭时的同步控制依靠节流阀或调速阀手动调节;这种手动的调节方式,精度低、稳定性较差,在压力、温度、闸门启闭阻力等因素发生变化时,无法保证闸门启闭的同步控制。

国外在液压启闭机同步控制技术上,有2种常用的控制系统,即比例流量伺服系统和旁路自动纠偏系统。

3.1 比例流量伺服系统

比例流量伺服控制技术,是国外应用最广泛的同步控制技术,其工作流程简单。工作流程见图1。

比例流量伺服控制技术,直接作用在液压系统的主油路上,对液压启闭机的速度调节,反应敏捷,效果明显。比例流量伺服控制技术,同步控制精度高,工作稳定、可靠;但对流量的调整范围有一定的限制,比较适合中、小型液压启闭设备,很难满足大型、超大型液压启闭机工作时大通径、大流量的要求。

图1 比例流量伺服系统工作流程图

3.2 旁路自动纠偏系统

旁路自动纠偏控制技术,控制原理非常简单,其工作流程见图2。

图2 旁路自动纠偏系统工作流程图

旁路自动纠偏控制技术,尽管能够满足同步控制要求,但同步控制精度低,并且对整个液压系统的工作稳定性,有不良影响。主要反映在压力波动甚至瞬间失压,旁路打开时产生震动、液压缸动作停滞甚至快速下滑。主要原因是泄油旁路开口大小不能根据同步偏差大小自动调节。旁路泄油量的不可调整性,大大降低了同步控制系统的自动化程度;并且在一定的运行条件下:例如气候寒冷,液压油运动粘度过大,或者闸门出现卡阻等情况下,原设置的旁路泄油量不能满足流量调整需要,会出现纠偏动作失效,同步数据超差等故障。

3.3 比例流量伺服系统和旁路纠偏原理相结合的同步控制系统

赵山渡水利枢纽的液压启闭机同步控制系统,创新性的采用了旁路纠偏技术和比例流量阀结合的技术方案,同步控制效果非常理想。当行程测量装置检测到出现同步偏差时(偏差值很小,一般在5 mm),旁路纠偏系统开始工作,由于采用了比例流量阀控制泄油旁路的开关,比例流量阀只是打开了一个很小的泄油口,对整个系统压力和液压缸动作几乎没有影响。如果偏差值趋小,比例阀自动缩小泄油口,直至恢复平衡;如果偏差值继续趋大,比例阀自动增大油口,直至偏差值趋小,逐步恢复平衡。该同步控制系统技术含量较高,设计原理先进,改进和完善了单纯的旁路纠偏技术的缺陷,充分发挥了比例流量伺服系统的高精度、高稳定性、高可靠性的卓越性能,完全实现了闸门同步状态的自动化控制。经近10 a的运行实践证明,赵山渡水利枢纽液压启闭机在闸门启闭过程中,没有发生过同步控制系统的故障情况,同步控制精度在10mm以内。

赵山渡水利枢纽液压启闭机的同步控制系统,设计理念先进,在元件的选型上也采用了最高的标准以保证同步控制系统的工作稳定性和可靠性。其中,行程检测装置选用了德国进口的磁致伸缩位移传感器,比例流量阀及其配套产品选用了美国进口产品。经过近10 a的运行实践,全部32套磁致伸缩位移传感器无一故障,比例流量阀及其配套产品也仅更换过1套,足以反映该设备的可靠程度。

4 磁致伸缩位移传感器的防潮和液压油清洁度的保证

除了正常的维护保养工作外,为保证设备的正常安全运行,还必须解决磁致伸缩位移传感器的防潮和液压油清洁度的保证2个问题。

4.1 磁致伸缩位移传感器的防潮

磁致伸缩位移传感器安装在室外,露天工作环境恶劣,尤其是淋雨受潮后,可能会出现闸门开度数据跳变的情况。尽管出现数据跳变是极少的偶然现象,但如果在闸门启闭状态下出现数据跳变,必然会造成故障停机,严重威胁设备的安全运行。因此,在2005年,对磁致伸缩位移传感器的防潮装置,进行了重新设计和改造。

改造后的防潮装置,由传感器保护罩、防爆软管和防水接线盒3部分组成。

传感器保护罩分上下两个,上面的保护罩内填充硅胶干燥剂,用于驱除进入保护罩的空气中的水份;下面的保护罩内是传感器和数据传送电缆;保护罩通过螺栓固定并采用标准密封圈密封防水。

数据传送电缆从保护罩引出位置设置螺纹接头和防爆软管连接,防爆软管的另一头与防水接线盒连接,数据传送电缆通过防爆软管引入接线盒。

保护罩、防爆软管和防水接线盒之间全部采用标准密封圈密封,确保防水可靠。

改造后的防潮装置,彻底杜绝了雨水对传感器的侵蚀,与传感器接触的空气也得到有效干燥,保证了传感器在恶劣工作环境下的防潮驱湿功能。经过改造后,磁致伸缩位移传感器再没有数据跳变的现象出现。

4.2 液压油清洁度的保证

比例流量伺服系统,对液压油的清洁度有较高要求。赵山渡水利枢纽液压启闭机设备投入运行后,在前期的维护保养中,多次对液压油进行过滤、净化处理,但液压油检测报告反映的清洁度情况不是很理想,并且液压油的过滤、净化处理工作需要准备大量油桶周转,工作量大,滤油过程中容易受环境因素影响滤油效果。

为保证液压油清洁度,保证比例流量伺服系统的正常工作。2005年,赵山渡水利枢纽设备主管部门,在每个液压泵站上,增加了1套在线滤油装置。该在线滤油装置主体是1台滤油机,安装在油箱上,具有3道过滤网。第1道为磁性吸附过滤,去除液压油中的金属粉末和金属颗粒;第2道为粗过滤,可清洗铜质过滤网,过滤精度100～180 um;第3道为精细过滤,一次性纸质滤芯,过滤精度10 um。

在线滤油机的吸油管插入油箱底部,经过滤后的液压油通过油管注入油箱上部,油箱和滤油机以及管路形成完全密封的循环系统。

经过长期的运行实践证明,在线滤油装置的投入,极大的减轻了液压油过滤的工作量,简化了液压油过滤的工作程序,在任何时间,都可以启动滤油机,进行液压油的过滤、净化处理;同时,在线滤油装置,有效避免了外部环境因素对滤油效果的影响,保证了液压油的清洁度要求。

5 结 语

赵山渡水利枢纽液压启闭机设备的可靠性能,经受了长期的运行实践的考验,在2005年 “桑美” 台风、2006年“泰利”、“海棠”台风等关键时刻,出色的完成了闸门启闭泄洪,防汛抗台的重任。尤其在闸门同步控制系统的设计上,大胆引进、应用了国际先进技术和产品,并有所创新。直至今日,该设计方案在国内水利水电工程中已得到广泛应用。