快速卷扬式启闭机结构及运行分析

2017-04-07刘国瑞

水利规划与设计 2017年10期

关键词：启闭机调速器减速器

刘国瑞

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州 310002）

快速卷扬式启闭机结构及运行分析

刘国瑞

（浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州 310002）

分析快速卷扬式启闭机的结构及运行特点。快速卷扬式启闭机在运行中除需具备普通卷扬机的功能外，还应具备交流电缺失情况下的快速闭门功能，因此其结构型式及操作控制方式均不同于普通卷扬启闭机。快速闸门及启闭机的运行原则，关系到工程、机组的安全和效率，以较典型的泵站出口快速闸门为例，分析选择较优的运行原则。

快速卷扬式启闭机；离心调速器；快速闸门；泵站

1 概述

快速卷扬式启闭机是专门用于操作快速闸门的一种启闭设备。快速闸门是用来保护机组或钢管的，平时悬挂在孔口上方，当发电机、水泵或钢管发生事故时，可以快速截断水流，避免事故扩大［1］。快速闸门的关闭时间，应满足对机组和钢管的保护要求，一般要求启闭机能在2m in内将快速闸门关闭。同时为防止闸门底缘和底槛因猛烈碰撞而损坏，快速卷扬启闭机应设有限速装置，将闸门接近底槛时的下降速度限制在5m/min以内，但下降过程中的速度并无限制要求，只要不对启闭机零部件造成损害即可［2］。

快速闸门在正常启闭时，对启闭速度并无特殊要求，因此快速卷扬式启闭机还应具备普通卷扬机的功能。快速闸门启闭机，应有就地操作和远方操作两套系统，并应配有可靠电源［3］。远方操作系统可用来操作闸门的正常闭门和事故快速闭门，《钢闸门设计规范》（SL74-2013）规定，从安全角度考虑不提倡远方启门［3］，但有些泵站为了实现自动控制，也具备远方启门的功能。为保证电源供应，远方操作系统除采用交流电源控制正常启闭外，还应采用由蓄电池室内蓄电池组供应的直流电源控制事故快速闭门；机组或钢管发生事故时，故障信号应能激发远方操作系统直流电源自动控制闸门快速闭门；现地也可手动释放常闭式制动器的抱闸，控制闸门快速关闭。就地操作系统仅用来操作闸门的正常启闭，因此采用交流电源即可。就地操作和远方操作两套系统应相互闭锁。

2 快速卷扬式启闭机结构型式及操作控制方式

快速卷扬式启闭机通常是在普通卷扬式启闭机上增设离心调速器、直流电磁铁等设备，满足在无交流电源情况下能快速闭门的需要，其结构型式及操作控制方式较多，在此作一简要介绍。

2.1 直流电磁液压松闸制动器配硅整流器操作

正常启闭时采用交流电源，直流电磁铁由通过硅整流的交流电源供电，操作制动器。此时电动机正常接入交流电工作，电动机驱动圆柱齿轮减速器（开式传动通常为二级，闭式传动通常为四级）和卷扬装置启闭闸门，而离心调速器由于转速较低，不参与工作。快速下降时，直流电磁铁直接从蓄电池室接入直流电源，操作制动器，此时电动机不通电，闸门自重及水柱、加重等竖直向下的力迫使卷扬装置、减速器和电动机旋转。当减速器高速轴达到一定转速时，安装于其上的离心调速器动作，控制闸门快速下降。在离底槛约0.3m时，主令控制器动作，自动切断直流电源，制动器抱闸，使闸门悬挂在底槛之上。过5S后，时间继电器动作，接通直流电源，使直流电磁铁继续工作，松开制动器而将闸门下降至底槛，闸门下降至底槛时的速度应控制在5m/min以内，因此闸门悬挂位置不能离底坎太高；此时若交流电恢复供应，时间继电器也可接通交流电源，松开制动器后使电动机也投入工作，而将闸门下降至底槛［4］。

闸门在快速下降过程中，速度并不局限在5m/min以内，而是根据需要由离心调速器来进行控制。但离心调速器也是有最高转速限制的，调速器的最高转速受电动机或减速机最高转速的限制，同时也受调速器自身运行平稳和发热要求的限制。在走访中发现，有些工程由于闸门孔口高度不大，闸门在整个快速下降过程中的速度由离心调速器控制在5m/min以内，就可以满足2min内关闭孔口要求，因此不用在闸门接近底槛时断电，而是直接落至底槛。

在这种结构型式中，只有一个制动器，且只配备一种电磁铁，因此采用更加可靠的电磁液压制动器代替普通电磁铁制动器。电磁液压制动器动作平稳、噪音低、寿命长，还可以自动补偿自动闸瓦的磨损，制动力矩有保证［5］。由于这种结构型式只需要一种电磁铁和一台二级圆柱齿轮减速器，布置紧凑，虽制动器价格稍高，但总体造价较低，是较常采用的一种结构型式。

2.2 长行程双电磁铁松闸制动器操作

这种操作型式的主要特点，是在长行程制动器上装交流和直流电磁铁各一个，并通过同一根操纵杆操作制动器。正常启闭时采用交流电源，交流电磁铁投入工作松开制动器，电动机接入交流电工作。快速下降时，交流电磁铁及电动机不通电，直流电磁铁在继电保护装置的作用下接入直流电源，松开制动器，进入2.1所述快速闭门模式。这种操作型式中，只需要一个制动器，但需要安装两种电磁铁，因此采用制动力矩大、结构尺寸也较大的长行程电磁铁制动器。这种操作型式总体上布置较紧凑、投资较低，也较常采用。

2.3 差动圆锥齿轮减速机及行星联轴节传动

在差动圆锥齿轮减速机传动的快速卷扬式启闭机机构布置中，圆柱齿轮减速器不直接与电动机相连，而是由电动机通过一台单级差动圆锥齿轮减速器驱动。电动机端设交流制动器，差动圆锥齿轮减速器十字轴端设直流制动器，圆柱齿轮减速器高速轴悬臂端设离心调速器。正常启闭时采用交流电源，电动机端交流制动器松闸，电动机驱动差动减速器、圆柱齿轮减速器和卷扬装置而启闭闸门，此时直流制动器处于制动状态，差动减速器的十字轴不转动。快速下降时，电动机及交流制动器不通电，直流制动器的电磁铁在继电保护装置的作用下接入直流电源，将制动器松开，使闸门自行下降。此时，圆柱齿轮减速器的高速轴及差动减速器的十字轴同时转动，进入2.1所述快速闭门模式。行星联轴节传动的快速卷扬启闭机，就是用行星联铀节代替单级差动圆锥齿轮减速器，其余结构和传动原理都大致相同［4］。

在这两种操作型式中，都是通过中间传动机构，使电动机在快速闭门时从传动机构中完全脱离，从而改善了电动机的工作状况。但这两种机型需增加中间传动机构，并需要配置两个制动器，安装占地面积较大，传动复杂，造价昂贵，在实际工程中很少采用。

3 泵站出口快速闸门运行原则

轴流泵及混流泵站出口为了保护机组安全需设置断流装置，断流方式很多，较常采用的是拍门或快速闸门。当单泵流量在8m3/s以上时，泵组出口若设置整体自由式拍门，则可能产生较大的撞击力，影响机组安全运行，且开启角过小，增加水力损失［6］。此时多采用带小拍门的快速工作闸门作为断流设备，并通常在工作闸门的下游侧设置1道快速事故闸门，在工作闸门发生事故时可快速闭门，防止事故扩大，当泵组停机检修时也可用事故检修闸门挡水。事故闸门停泵闭门宜与工作闸门联动，快速启闭机应能就地操作和远动控制，并应有可靠的操作电源，事故闸门、工作闸门事故停泵闭门时间应满足机组保护要求［6］。

泵站出口快速闸门的运行操作要求，关系到泵组的安全、高效运行，各个泵站不尽相同，笔者在此根据工作实践作一总结，供同行参考。

3.1 泵站起排时闸门运行原则

泵站起排时，先将事故闸门持住在孔口上方作为事故备用，工作闸门全关；当泵组正常开机时，工作闸门应与水泵电动机联动，即水泵电动机得到启动信号的同时，工作闸门也应得到启动信号，闸门没有全开时水流从闸门自带的拍门流出；工作闸门提起后持住在孔口上方作为事故备用。

也有一些泵站采用泵组启动前工作闸门全关，待泵组启动到额定转速后再开启工作闸门的方式。在这种起排方式下，水流完全由拍门流出，实践中发现这会对闸门及拍门造成较大冲击，如果每次都这么操作，会对拍门安全造成较大威胁。拍门损坏虽然可以维修，但毕竟费钱、费力、误工，万一拍门脱落还易酿成安全事故。有观点提出如果启动水泵的同时开启工作闸门，泵组会难以顺利启动，其实这种担心是多余的，相反闸门提起、流道畅通，水力损失减小，更有利于水泵启动。当然，泵组启动前，工作闸门也不应该事先提起，否则可能导致流道内发生气锤，使机组产生有害振动。

3.2 排涝结束时闸门运行原则

排涝结束时，对工作闸门发闭门指令（正常速度闭门），待工作闸门底缘距底槛一定距离（比如1.0m）时，再发停泵指令；当工作闸门在发停泵指令之前发生故障无法关闭时，故障信号应激发事故闸门的关闭（正常速度闭门），待事故闸门底缘距底槛为1m时，发停泵指令；当工作闸门在发停泵指令之后发生故障无法关闭时，故障信号应激发事故闸门的关闭（快速闭门，满足1m in之内全关）。

闸门应确保在发停泵指令后2min内全关，这是确定闸门何时关闭的基本原则，发停泵指令时闸门底缘距底槛的具体距离，也是据此决定的。这当然也跟闭门速度有关，不过这时的闭门速度是正常闭门速度，而不是快速闭门，快速闭门功能仅在事故工况下使用，因为经常性的快速闭门无论对闸门还是对启闭机都难免有一定损伤。这里事故闸门的快速闭门速度之所以要求更快，是因为事故闸门快速闭门时，停泵指令已经发出，时间更为紧迫。

对于停泵时闸门的操作方式，通常会有以下两种不同观点：一种认为应该在工作闸门关闭的同时发停泵指令，由于普通卷扬机正常闭门速度一般不超过2.5m/m in，采用这种方式时，除非闸门孔口高度很小，否则难以确保工作闸门在发停泵指令后2min内全关。虽然可以采取措施提高启闭机的正常闭门速度，比如通过降低减速器传动比或滑轮组的倍率（此时需增加电机功率，由于仍为匀速闭门，因此闭门速度不应超过5m/min，而且不应超过离心调速器工作的临界闭门速度，即离心调速器不应投入工作），或者使用变频调速电机（此时闭门速度为起、停慢，中间快，因此闭门过程中速度可以超过5m/m in，但同样不应超过离心调速器工作的临界闭门速度）等方法，但这些方法均会使启闭机成本有较大增加。而且停泵后2min闭门只是一个极限状态，正常停泵时应争取更短的闭门时间，这样会对泵组更为有利。此外，采用这种方式时万一工作闸门发生故障无法关闭，故障信号虽能激发事故闸门的关闭，但此时停泵指令已发出，也很难保证事故闸门在发停泵指令后2m in内能够全关。还有一种观点认为，应该等工作闸门全关之后再发停泵指令，这样的话闸门又关闭过早，水流对闸门、拍门冲击较大，而且也不利于泵组运行，甚至可能造成水泵电动机超载。