沙沱水电站液压启闭机换油方法的改进

许海洋

(贵州乌江水电开发有限责任公司沙沱发电厂，贵州 沿河 565300)

沙沱水电站总装机容量1 120 MW(4×280 MW)，多年平均发电量45.52亿kWh，设计年利用小时数4 064 h。工程为Ⅱ等大(2)型工程，大坝形式为碾压混凝土重力坝。机组进水口为坝式布置，由左岸坝身取水，引水发电系统采用一机一管布置方式。每台机在引水管进口设置一扇快速事故闸门，运行方式为动水关闭、静水开启。每扇快速事故闸门设置一台液压启闭机进行启闭操作，其采用拉杆与闸门相接。

每台机设置的进水口液压启闭机技术参数如表1。

表1 进水口液压启闭机的技术参数表

1 液压启闭机液压油更换的情形

1.1 液压启闭机液压油更换的情形

1.1.1 《安装使用维护说明书》要求

根据设备制造厂家提供的《安装使用维护说明书》，本液压控制系统调试完后更换新液压油，初次使用一年后应更换一次液压油，以后每隔两年更换一次，或采用油水分离器及精细滤油小车进行过滤并化验液压油各项指标是否合格，以保证系统的正常运行。由此可见，系统初次调试完成后和初次使用一年后都应更换液压油，以保证新装设备不因安装质量和部件加工精度不够导致性能下降。投入运行后可视油质化验结果，根据需要更换液压油。

1.1.2 标准规范规定

1)H-LM型液压油在使用过程中的质量监控标准要求，当使用中的H-LM型液压油起重设备一项指标超过表2的指标时应更换新油。

表2 H-LM型液压油换油指标表[3]

2)液压式启闭机通用技术要求液压介质污染等级不应高于《液压传动 油液 固体颗粒污染等级代号》(GB/T 14039-2002)标准中代号19/16级的规定[1-2]，即对照美国标准NAS1638油液固体颗粒污染等级为10级。由此可知，液压启闭机的液压油颗粒污染度NAS等级≤10级。

1.2 沙沱水电站液压启闭机液压油更换背景

沙沱水电站四台机组进水口快速事故闸门液压启闭机在机电安装、调试完成后，安装单位未按照设备说明书的要求进行整体换油，2013年机组投产运行以来，液压启闭机的液压油分别存在颗粒污染度超标和水分含量超标等问题。经过机组检修期分别对液压油过滤处理后，2018年采集液压油油样进行化验分析，油品化验结果如表3。由化验结果可以看出，40℃运动粘度变化率和水分含量等指标尚未超出油质指标标准值，但液压油的颗粒污染度NAS等级均大于12级，已达到换油指标。由此看出，电厂维护人员在每年机组检修期间净化处理后液压油品质能得到一定的改善，但未能从根本上解决以上超标问题。

另外，电站4号机液压启闭机又发生过一次较严重的防雨罩进水情况，油液中水分严重超标，导致液压油乳化，加剧了油品质恶化，严重影响该液压启闭机的安全可靠运行。采用油循环净化处理措施已不经济，并且检修期间进行液压油净化处理时，仅能处理主油箱中的油液，无法实现对启闭机整个系统中全部油液进行彻底循环处理。因此，只能整体更换合格的新液压油，才能从根本上解决油质不达标问题。

表3 液压启闭机抗磨液压油油样化验结果表

2 液压启闭机液压油更换方法改进

2.1 液压启闭机结构及运行原理

沙沱水电站进水口快速事故闸门液压启闭机主要由液压油缸、液压泵站(含两台柱塞油泵及液压阀组)、主油箱、高位油箱、机架(支座)、管路系统和自动控制系统(含监控测量元件)组成，安装示意见图1。

图1 液压油缸、机架和闸门安装示意图

液压启闭机基本运行原理是：①当液压油泵启动，空载运行延时后电磁阀动作，系统加载且提门电磁阀动作，使得压力油直接进入油缸下腔，实现闸门提升，同时油缸上腔液压油经过插装阀下腔和回油滤芯，排回主油箱。②当机组有事故、现地或远方操作落门按钮时，落门电磁阀动作，插装阀动作，使得油缸上、下腔油管接口联通，闸门在自重作用下将油缸下腔的液压油排至油缸上腔，实现闸门快速下落，同时上、下腔液压油的体积差由高位油箱存放的液压油进行自流补油。③当高位油箱油位低于设置油位下限时，自动控制系统启动液压油泵，延时后加载电磁阀动作后系统加载，且补油电磁阀得电，油泵直接将主油箱的液压油泵入高位油箱，高位油箱油位正常后自动停止注油。

2.2 液压启闭机换油方法改进

针对在机组检修期间，对进水口快速事故闸门液压启闭机换油的工作需求，设备生产厂家提供的换油方法为将进水口快速事故闸门全关，此时活塞杆全部伸出，活塞处于最低位置，液压油缸内液压油主要存储于上腔，则分别对主油箱、高位油箱和液压油缸上腔进行排油。主油箱和高位油箱均有排油管和放空阀，用临时管路接入废油收集容器中，即可实现排油。液压油缸上腔液压油的排出需将油缸上端盖打开，放入临时吸油泵的吸油管，利用临时油泵进行抽排。此方法看似步骤简单，但液压油缸上腔排油过程中，实施难度较大，涉及高空作业，且需搭设临时作业平台。拆除液压油缸上端盖时，因其与缸体止口配合关系，会造成部分液压油溢出洒落，造成设备表面污染及环境污染风险。油缸高度较高，常规吸油泵的吸出高度不足，无法将液压油缸上腔底部的油液完全抽出排空。装复时需更换上端盖和缸体把合面的密封件，造成备件的消耗，且需重新调整校对安装在上端盖上部的开度编码器等。由于液压油缸属于户外设备，在拆、装上端盖过程中，对环境条件要求较高，下雨、下雪、大风、大雾等天气条件均无法开展工作，且打开端盖后有异物掉落或缸体损坏的风险。因此，厂家提供的原换油方法存在极大的风险和事故隐患，不利于保证人身安全、设备安全，不利于机组检修工期的控制。

笔者在仔细研究现场设备的布置和液压启闭机系统原理，结合机组检修安全措施的执行等情况，利用液压启闭机在闸门下落过程中，液压油缸下腔的液压油会置换至液压油缸上腔且不会回流至主油箱，同时在闸门提升过程油泵打出的压力油全部进入下腔，上腔油液的全部回流至主油箱这一特点，依靠液压启闭机电气控制系统，创造性地提出了液压启闭机液压油缸排油的新方法，对厂家提供的标准换油方法进行改进，使液压启闭机换油工作更安全、更高效、更易于控制。

改进后的液压启闭机换油方法分为以下8个步骤：①机组检修安全措施中落下进水口检修闸门，进水口快速事故闸门保持充水阀高度(300 mm)以上的小开度，保证液压启闭机高位油箱油量不少于该闸门当前开度下落至全关时的补油量；②可靠断开进水口快速事故闸门液压启闭机所有电源及液压油管路上的截止阀，对液压启闭机主油箱进行排油；③打开主油箱检修进人孔，对油箱内部进行清扫，通过验收后封闭主油箱的检修进人孔；④给主油箱注入满足整台液压启闭机所需足量的合格的新液压油，把主油箱上部液压阀块出口的回油管口进行改接，接至旧油回收容器中；⑤液压启闭机操作功能保留现地操作，切除高位油箱自动补油功能，对液压启闭机电气控制系统上电，打开启闭机操作油管路上的截止阀，现地操作启闭机使进水口快速事故闸门落下至全关位置，则油缸下腔的旧液压油全部转移至油缸上腔，不会对主油箱已注入的合格的新液压油造成影响和污染；⑥闸门全关后，迅速操作液压启闭机提升进水口快速事故闸门，提升过程中，主油箱新油进入油缸下腔，油缸上腔的旧油经回油管排至旧油盛放容器中；⑦闸门提升至全开后，油缸下腔已全部注入新油，上腔旧油全部排出，液压油缸上、下腔已换油完成，恢复改接的回油管口，使其正常接至主油箱；⑧将高位油箱剩余的旧油进行排空，打开其检修进人孔，对油箱内部进行清扫，通过验收后封闭主油箱的检修进人孔，用液压油泵直接将主油箱的新油泵入高位油箱，注油至正常油位。

改进后的换油方法，保证系统中的旧油不会影响和污染新液压油，两种油液不发生混合。该方法操作灵活，可以根据机组安全措施执行情况进行细微调整，个别机组高位油箱和主油箱之间的逆止阀密封效果不好，存在高位油箱的旧油倒流回主油箱的风险时，可以在第②、③步骤中同时对主油箱和高位油箱进行排油、清扫，在第④步给主油箱注入新油后，同时给高位油箱注入新油，也可以达到换油的效果，同时省略第⑧步骤。第⑥步骤中，在闸门提升过程中若主油箱新油油量不够时，可以随时停止提升，给主油箱中补充新油后继续提门操作；在闸门提升过程中若盛装旧油的容器已装满时，也可以随时停止提升，更换旧油盛装容器后继续提门操作。若第⑤步和第⑥步之间衔接操作时间未控制好，未尽快提升快速事故闸门，造成检修闸门和快速事故闸门之间积水，也可以中断整体换油工作，在机组检修工作结束后，机组进行充水试验时，配合提门充水操作进行油缸中液压油更换。

2.3 4号机液压启闭机实施换油

2019年3月，沙沱水电站在#4机组C修期间，采用改进后的液压启闭机液压油更换方法，对#4机液压启闭机不合格的液压油进行更换。检修人员提前加工制作了回油管专用改接管口，提前开展新油的检测化验和转运工作，提前做好旧油的回收、盛放准备，使得整个换油过程顺利、平稳、可控，仅用了3 d完成整台启闭机的换油工作，换油量约6 t(7 000 L)，未发生跑冒滴漏等异常情况，未发现影响人身安全和设备安全的因素。实施换油的所有节点均按计划进行，大部分操作步骤都允许随时暂停和间断，未发生应急处置和加班加点的情况，极大提高了工作效率，降低检修人员的劳动强度。通过4号机液压启闭机换油工作，证明改进后的液压油更换方法是行之有效的工作方法，换油后该启闭机运行正常，液压油品质整体达到各项指标要求，根本性地提高了设备的健康水平。

3 换油方法改进后的分析和总结

3.1 4号机液压油缸上腔排油操作次数偏多原因

在换油过程中检修人员采用容积为200 L油桶对旧油进行收集。按照等体积换算的方法，油缸上腔排出的旧油若将200 L油桶装满，需要操作液压启闭机闸门提升高度约为700 mm，即h=V/S=200 L/πr2(式中r为液压油缸内部截面半径)，则从闸门全关0 mm提升全开位置10 800 mm，应该操作16次即可。

检修人员换油过程中，提门操作达22次，比计划提升操作次数稍多。分析其换油操作的过程，检修人员在排油过程中，为了防止盛装旧油的200 L油桶盛装过满导致溢出、不便于转运，每只油桶盛油量约为油桶总容积八九成时即停止提升，造成操作次数增加。

另外，检修人员选择排出旧油的转接口不是油缸上腔回油管的管口，而是启闭机液压油回油总管的管口，启闭机回油总管还承接油泵启动后空载运行的溢油，导致提升闸门时油泵空载运行的延时期间，油泵将主油箱内注入的新油从回油总管处泵出，浪费了部分新油且占据了盛装旧油油桶的部分容积，对应单次提升操作启闭机的高度减小，造成操作次数增加。

3.2 4号机液压启闭机换油量误差分析

4号机液压启闭机此次换油共消耗新油35桶，约7 000 L，整个系统液压油更换完毕后收集到的旧油油量约为7 000 L。换油前后注入的新油与排出的旧油油量基本一致，各油箱换油前后油位大致相当，表面上看似严丝合缝，其实换油量已超出系统实际使用油量，这一点误差引起笔者关注。笔者在4号机液压启闭机换油前，对该启闭机实际运行油量进行核算，主油箱、高位油箱和启闭机全部油量约为6 400 L。换油后，消耗的新油与启闭机中旧油两者相差约600 L的油量。

根据油缸上腔排油操作次数计算，提升闸门时油泵空载运行的延时期间，油泵将主油箱内注入的新油从回油总管处泵出，浪费了部分新油。油泵的排量为2.5 L/s，按照操作提升闸门至全行程操作22次，手动操作规程中规定每次操作油泵空载运行10 s延时后，液压系统才开始加载，计算出压油泵空载运行期间泵出的新油油量为V=Qt=2.5×22×10=550 L，则表明新油实际没有注入设备内，而是和旧油一起排出。

另外，主油箱注入新油时，采用临时吸油泵从200 L的新油桶中直接抽入，抽油泵吸油口不可能将新油完全抽出，新油桶底部会残余少量新油，35个新油桶中的残余新油总量约50 L左右。油泵空载运行排出的新油和油桶残余的新油油量之和约为600 L。

实际更换到启闭机内部的新油仍为6 400 L，还有约600 L的新油在换油过程中被视作旧油，未能利用。

3.3 换油方法改进后的进一步优化

针对在4号机液压启闭机采用改进后的液压油更换方法换油作业中，造成部分新油油品浪费和过于频繁的手动操作次数，笔者再提出换油作业中的以下优化措施：在改接旧油回收油口时，一定要选择在油缸上腔排油管的接头处改接，同时将油泵空载运行时的溢油管口与回收旧油管口可靠隔离，保证油泵空载运行时泵出的新油完好地流回主油箱，减少油品的浪费。在选择盛装回收旧油的容器时，尽可能选择敞口的非密闭大容量的容器，这样就会提高液压油缸上腔排油的连续性，减少提升闸门的操作次数。

还可将启闭机工作行程的上限值临时设定为最大行程，以便于对液压油缸上腔的全部液压油进行更换。

4 结 语

相较于原来的换油方法，液压启闭机液压油更换方法的改进和进一步优化，提高了液压启闭机液压油更换的可操作性，而且利用提升闸门时对油缸上腔旧油产生的压力，无论旧油盛装容器摆放在何处，都可以使旧油顺利排入，减少了抽排设备的投入，也降低了旧油容器装满之后转运的难度。改进后的换油方法结合进一步优化措施的应用，能最大限度减少液压油的消耗浪费、减少不必要的备件物资消耗、简化检修工艺流程、降低环境污染风险和人身、设备安全风险。