巨型水电站机组进水口闸门启门速度异常研究

2020-11-21周立成黄真懿邓友汉

水电与抽水蓄能 2020年5期

张堃，周立成，黄真懿，邓友汉

（三峡水力发电厂，湖北省宜昌市 443000）

0 引言

水电机组的运行是水能转化电能的一种能量转化过程，水能是机组运行的原动力，进水口闸门[1]是机组最重要的设备之一，机组正常运行时，通过进水口闸门开启、关闭来控制水能。

该巨型水电站包括多台水轮机组，每台机组均采用一管一机布置，每台机组进水口均配置了进水口闸门。闸门具备集控、现地、检修三种控制方式[2]，三种控制方式下均可对闸门进行开启与关闭，闸门正常运行在集控方式。闸门正常运行时在充水位置平压后自动启门多次报启门速度异常故障，导致闸门停止开启，严重制约了机组安全、稳定运行，本次论文通过软件、硬件、理论计算等方面开展闸门在运行过程中存在的启门速度异常研究[3]。

1 进水口闸门启门速度异常故障现象

该水电站进水口闸门设有自动控制和检修方式[4]，自动控制设有集控和现地两种，自动控制方式下具备保护功能，检修方式下则无保护功能。远方监控系统在进行闸门开启的过程中，经流道充水平压后，油泵电机将液压系统压力升至15MPa时进行启门，液压系统多次出现下述问题：

（1）“集控”方式开启闸门，出现“启门速度异常报警停机”故障信号并停止启闸门。

（2）“现地”方式开启闸门，出现“启门速度异常报警停机”故障信号并停止启闸门。

（3）“检修”方式开启闸门，正常启门，但在270～300mm开度区间启门速度慢。

液压系统启门流程如图1所示，启门时油泵电机升压使液压油进入有杆腔启门，闭门时液压油进入无杆腔闭门，活塞杆带动闸门进行启闭。启门过程中两台油泵电机启动后，系统压力达到15MPa条件下，5s内速度小于6mm/s将触发速度异常故障报警并停止启门，闸门在启门过程中产生启门速度异常主要是由以下几个方面原因引起：

（1）液压系统内存在大量气泡，闸门建压过程中受压力作用，气泡体积缩小，使在规定时间内压力达不到设定值，从而无法在规定时间开启闸门。

（2）水中沙石过多，使固定闸门的门槽内存在异物卡阻，造成启门阻力过大，导致无法在规定时间开启闸门。

（3）上、下游存在的压差过大未能平压导致启门不畅（闸门工作方式为静水启门、动水落门，启门前需充水平压）。

2 进水口闸门启门速度异常故障分析

2.1 电气控制系统和硬件分析

闸门系统包括电气部分和硬件部分两部分，电气控制系统主要用于控制硬件部分，硬件部分主要包括闸门、油缸、液压部分等，在对闸门启门速度异常故障分析时，主要从以下三个部分进行：

2.1.1 电气控制系统分析

该水电站进水口闸门开度计算采用德国海德汉（HEIDENHAIN）生产的多转绝对型编码器将现场位置信号送至现地PLC控制系统，通过控制程序来计算闸门速度：[5]

式中：v——闸门速度；

h——闸门在t时间内提升的高度；

t——闸门提升时间。

图1 闸门正常运行启门流程图Figure 1 Flowchart for normal operation of the gate

（1）“检修”方式下正常启门，数据显示正常，电气回路正常。

（2）落上游检修门，将闸门处于工作在无水状态，此时不考虑压差影响，运行方式切换至“集控”方式，监控系统发令正常启门从全关至全开位，闸门正常开启，运行平稳无异常，系统压力维持在10.2MPa左右，无任何故障出现。

通过上述两种方式动门试验可判断电气部分控制正常，信号数据采集正常，闸门门槽内无异物卡阻，液压系统内无过量气体。由此可推断产生启门速度异常的原因是过充水位二次启门时充水平压未完成，启门阻力过大未在规定时间内达到设定值。

2.2 闸门充水平压位数据分析

正常转动编码器后，开度指示正常；在开度模拟量输入端输入4～20mA电流值，模块计算所得的开度与实际一致，模块功能正常；系统升压后，压力表及控制系统压力均正常一致，电气部分功能正常。

2.1.2 硬件部分分析

为排除因门槽内异物卡阻原因导致启门速度异常，对闸门门槽[6]硬件部分进行检查如下：门顶、充水阀及吊耳部分外观检查未见变形、锈蚀等异常现象，闸门主滑块与主轨贴合紧密无缝隙，反向滑块与反轨存在均匀间隙，但空间限制无法测量间隙数据，左右侧主轨在靠近末端部位可见部分摩擦痕迹，反轨未见异常，硬件部分正常。

2.1.3 试验论证

在确认液压系统的电气控制系统和硬件部分均无异常后，在检修方式下进行了相关启门试验[7]：

闸门在启门过程中，如果闸门前后压力不一致，平压未完成，将无法对闸门进行启动。闸门充水平压时间定值为120min，为确认经过充水平压时间后闸门是否平压，现对闸门充水平压位闸门进行试验分析：

2.2.1 现地平压方式

（1）“自动”方式下将闸门由全关位开启至充水位，充水位定值为240～270mm，经过120min充水后，监控操作启门，手动平压，系统出现“启门速度异常报警停机”故障信号并停止启闸门，启门不成功，此时测量闸门前后水位：闸门前175m，闸门后165.5m，水位差9.5m，经过充水时间后闸门未实现平压。

（2）“检修”方式下将闸门开启至500mm左右，此时闸门已过充水位，测量上下游水位，闸门前后均是175m，此时水位差为0，切集控方式顺利启门。

2.2.2 自动平压方式

考虑充水时间过短，将闸门由全关位开启至充水位，延长充水平压时间，经过180min后，测量闸门前后水位：闸门前175m，闸门后165.5m，水位差9.5m，系统无平压信号，由此怀疑流道下游侧有部位漏水量偏大。

闸门充水后运行数据如图2所示，在充水位时给定平压信号后闸门未正常运行，过充水位后闸门运行正常。

2.3 漏水量计算

2.3.1 理论计算

因闸门充水后门前后压差一直为9.5m，可以推断此时充水阀的充水量与漏水量维持平衡，故可根据充水阀的充水量计算出漏水量。根据流体力学公式[8]，将充水阀出流简化为薄壁小孔口恒定出流进行计算，则充水流量：

式中：μ——流量系数，取0.6；

图2 闸门充水后运行数据Figure 2 Operating data after gate flushing

A——充水阀截面积；

h——充水阀阀口中心水头。

当门前后水位差9.5m时，充水流量为：

计算得出漏水量为：

2.3.2 实测计算

当闸门处于全关位，使用水位尺测量1min调压井（2个）水位下降高度，计算出1min漏水量（忽略闸门水封漏水量）：

2.3.3 集水井排水泵运行数据分析

机组蜗壳渗漏水流进集水井中，从集水井的水位和启泵排水次数可以得出蜗壳至集水井整个管道、阀门是否漏水，从趋势系统中统计出：集水井第一阶段水位30天变化0.312m，第二阶段水位20天变化0.442m，其中第二阶段10月20～30日水位变化0.194m，10月31日～11月9日水位变化0.238m，其运行具体数据如图3所示，从集水井水位变化未出现异常情况。

从理论计算出的漏水量及实测漏水量数据基本一致，集水井水位数据总体平稳，机组蜗壳、盘型阀、管道密封良好未出现异常。

2.4 闸门压力计算

闸门控制系统、硬件系统、现场的机械部件正常运行，机组蜗壳、管道、盘型阀门密封良好未出现异常漏水情况，闸门的开启和关闭是通过液压力进行的，最后通过理论计算来测量现场的额定液压是否满足闸门启门要求，具体计算如下：

2.4.1 启门压力理论计算

根据SL 74—2019《水利水电工程钢闸门设计规范》[9]中有关平面闸门启闭力的计算公式，有：

式中：FQ——启门力，kN；

nT——摩擦阻力安全系数，可采用1.2；

n′G——计算持住力和启门力用的闸门自重修正系数，可采用1.0～1.1；

Ws——作用在闸门上的水柱压力，kN；

Gj——加重块重量，kN；

Px——下吸力，kN，参见SL 74—2019《水利水电工程钢闸门设计规范》附录D；

Tzd——支承摩阻力，kN；

Tzs——止水摩阻力，kN。

闸门主要支撑为主滑块支撑，两侧滚轮受力较小，因此计算时取Tzd=0；闸门全关位时，Px为0；闸门无加重块Gj=0，取水位差为9.5m，可以得出Psz值（以下计算时涉及的物理量有：G为闸门自重，kN，当有拉杆时应计入拉杆重量，计算闭门力时选用浮重；P为作用在闸门上的总水压力，kN；f1、f2、f3为滑动摩擦系数，计算持住力应取小值，计算启门、闭门力应取大值，可参照SL 74—2019《水利水电工程钢闸门设计规范》附录M选用；Pzs为作用在止水上的压力，kN）。

图3 集水井水位第二阶段数据趋势Figure 3 Water level data trend of catchment wells

根据SL 74—2019《水利水电工程钢闸门设计规范》中要求有关摩擦系数取值规定橡塑复合水封与不锈钢止水座板为0.05～0.2，当前取0.1。

Tzs=f3Pzs=0.1×11306=1131kN

该电站进水闸门尺寸为9.2m×13.2m×1.65m。

理论启门力计算：

该电站闸门液压启闭机容量为4000kN/8000kN，油缸内径710mm，活塞缸直径330mm。

反推需要液压启闭机系统压力为：

2.4.2 实际启门力矩计算

有水时平稳启门力：

2.4.3 水位差所增加的启门力

F水头=FQ－F=2526kN

约等于：

WS+Tzs=2544kN（垂直水压力与水平摩擦阻力之和）

最终判断闸门远方自动方式下报启门速度异常主要原因为闸门前后的水位差过大导致，根据SL 74—2019《水利水电工程钢闸门设计规范》，潜孔闸门设计容许水头差为1～5m，目前水位差已达9.5m，系统压力需提升至18.4MPa才能正常启门，当前闸门设置系统压力为15MPa，经过对系统压力调整后闸门正常开启再未出现启门速度异常现象。