大型泵站常用断流方式分析

朱佳佳，刘 斌

（江苏省骆运水利工程管理处，江苏宿迁 223800）

0 引言

大型泵站断流方式根据机组结构和泵站出水流道不同，一般常用快速门断流、真空破坏阀断流、拍门断流、蝶阀断流等方式，快速门断流又分为卷扬式快速门断流和液压快速门断流。本文通过论述卷扬式快速门、液压快速门和真空破坏阀断流方式的工作原理，分析比较各种断流方式的利弊和应用范围，阐述合理地选择泵站断流方式可以保障工程安全运行，提高泵站工程效益，实现区域内水资源的合理利用，希望能为相关工作人员带来参考。

1 泵站出水流道

大型泵站出水流道是从水泵导叶体出口到上游出水池之间的管道段流道。出水流道管道段部分，常见有虹吸管式和直管式2 种[1]。虹吸式出水流道是目前国内采用较多的一种型式，其结构较复杂、土建工程量大，施工较困难，对上游水位变化幅度有要求；但流速小、水头损失较小、运行维护费用低、运行成本较经济。直管式出水流道结构简单，施工方便，启动扬程较低，但启闭设施运行期维保养工作量较大。

2 泵站断流方式

大型泵站直管式出水流道常采用快速门断流，快速门分为卷扬式和液压式2种，虹吸式出水流道常采用真空破坏阀断流。

2.1 卷扬式快速门

水利工程中常见的卷扬式启闭机通过电机、减速机、齿轮组将动力传递到钢丝绳卷筒、联轴器上，从而保证联轴器两侧的钢丝绳卷筒同步运行实现闸门提升。当闸门提高至全开位时，高限位行程开关断开，电机失电，电磁刹车线圈失电，刹车抱死，闸门静止。当机组停机时，需联动闸门下落至全关位以断流，此时电磁刹车线圈带电，解除制动，闸门在重力的作用下带动钢丝绳卷筒、联轴器、减速机、电机旋转，从而将闸门落至全关位。以徐州睢宁境内的沙集站的快速门为例，其动力主回路、控制回路分别如图1（a）～（b）所示。

图1 快速门电路原理图

通过现场手动和开停机联动2种方式来提落门控制。1KA 线圈带电，电机运行通过减速机、齿轮组、连轴器带动钢丝绳卷筒将闸门提升，同时电磁刹车的限位开关延时闭合后，电磁刹车吸持器线圈Q带电，解除制动，当闸门提至全开位时，闸门上限位SL1断开，闸门启门回路断开，电磁刹车吸持器线圈Q失电，制动抱死。闸门启门回路与落门回路通过2KA常闭触点、1KA常闭触点互为电气闭锁。2KA线圈带电，电磁刹车吸持器线圈Q带电，解除制动，闸门在重力的作用下带动钢丝绳卷筒旋转落门。在闸门下落过程中，离心刹车起到抑制闸门下落速度失控的作用，当闸门落至全关位时，闸门下限位SL2断开，闸门落门回路断开，电磁刹车吸持器线圈Q 失电，制动抱死。通过开关柜的转换开关节点NK和主机断路器的QF常开触点，实现主机开机联动闸门提升；通过主机断路器的QF常闭触点，实现主机停机联动闸门落门。在未操作闸门和动力电失电的情况下，电磁刹车刹车抱死，闸门静止。

2.2 液压闸门

液压闸门与卷扬式快速门类似，最重要的区别是卷扬式快速门是通过电机和机械装置实现闸门的开启和关闭；而液压闸门动力部分是由液压泵把原动机输出的机械能转换为液体压能。其中液压缸为主体部分，油泵、电动机、油箱、滤油器、液压控制阀组合为动力和控制总成。高压油泵将油箱中的油加压后通过控制相应的电磁阀通断，将压力油输送到两端液压钢中的有杆腔内，从而推动活塞杆带动闸门向上做直线运动，在活塞上升的过程中无杆腔中的液压油被推至回油母管直至返回油箱中。在落门时，通过控制电磁阀，导通插装阀，将有杆腔中的压力油直接释放到油箱中，完成泄压；闸门在自重的情况下快速落门，同时补油箱将向无杆腔补油。只需要接通电动机的电源，在液压系统的控制下，液压缸内的活塞体内壁做轴向往复运动，从而带动连接在活塞上的连杆和闸门做直线运动，以达到开启、关闭孔口的目的。以南水北调蔺家坝泵站的液压快速门的控制系统为例，其液压系统原理图如图2所示。

图2 液压闸门系统原理图

大型泵站使用的液压快速闸门的控制除了完成基本的提门、落门外，还要对闸门同步进行检测，即通过传感器和PLC控制系统全程检测2只液压缸的行程偏差[2]。当偏差值超过设定值后，通过导通相应的电磁阀调节有杆腔进、出油量，使双缸行程趋于同步。同时，该液压控制系统还有完善保护、压力保护、油位保护、油温保护、滤清器堵塞报警为日常管理带来安全与便捷，其快速工作闸门与事故检修闸门互为备用，当任一孔快速闸门闭门故障时，液压控制系统发出快速闭门信号给事故检修闸门控制系统，相对应的事故检修闸门快速闭门。

2.3 真空破坏阀

电磁式真空破坏阀主要由空气腔、水腔、主电磁操作机构、副电磁操作机构及控制箱组成，如图3所示[3]。其空气腔与大气相通，水腔与流道相通。当电磁操作机构断电时，真空破坏阀打开，当电磁操作机构得电时，真空破坏阀关闭。在正常情况下，真空破坏阀是处于常开位，这时流道与大气是相通的，破坏了虹吸形成的条件，隔离泵站上下游水流。当机组启动时，流道内充满水流，空气被水流挤压携带，真空破坏阀这时仍然为打开状态，起到给流道排气的作用。数秒钟后当机组运行稳定时，阀门电气控制模块通电，主、副电磁操作机构在电磁铁的吸力作用下带动阀轴快速移动，阀瓣和阀座相密封，真空破坏阀关闭，形成虹吸现象[4]，该工况能够起到减小水泵扬程、提高水泵效率、节约能耗的作用。当机组停机时，通过断路器的常开辅助触点联动真空破坏阀，使电磁操作机构断电，电磁铁分离；在蓄能弹簧的作用下，阀轴快速移动复位，阀瓣和阀座相分离，真空破坏阀打开，大气进入流道，破坏虹吸效应，上下游水流被阻断。

图3 真空破坏阀系统结构图

3 特点分析

3.1 卷扬式快速门优缺点

卷扬式快速门在结构与外形上与节制闸普遍使用的卷扬式启闭机类似，机械方面较为成熟[5]，故障较少，但由于电气方面的限位开关较多，电气控制方面的故障较为常见；另一个缺点是闸门下落速度较慢，特别是配合高扬程泵站使用时，由于长时间的上游水在机组停机后倒流冲刷叶轮引起长时间倒转[6]，给机组的泵轴、轴瓦、电机带来危害。另外，卷扬式启闭机日常的维护保养工作量较大，给管理人员带来较大压力，需要一定的经费支持。目前大型泵站在设计时更倾向于其他形式的断流方式。优点是流道较短，施工时节省土建成本；机组启动时，启动扬程低，启动过程时间较短。

3.2 液压闸门优缺点

液压闸门结构简单、传动平稳，承载能力大、缓冲性能好，液压元件标准化，易防过载、安全可靠；流道较短，施工时节省土建成本；机组启动时，启动扬程低，启动过程时间较短。其缺点是液压缸与活塞杆配合精度要求高，加工成本高，密封老化易渗油，增加管理运行人员日常养护工作。

3.3 真空破坏阀优缺点

电磁式真空破坏阀结构简单、检修便利，机构控制简单、可靠，针对唯一可能的电磁操作机构的故障，还设计了开阀操作手柄和应急锤敲破观察孔的方式作为紧急备用方式[7]，通过上述3 种方式完成断流。缺点是真空破坏阀需要与虹吸式出水流道相配套安装，要求安装高于出水侧最高运行水位，出水口必须低于运行的最低水位，受上游水位变化幅度约束较大[8]。虹吸式流道设计较复杂，施工较困难，土建施工成本较大，机组启动扬程偏高，管道有排气形成真空过程，启动时间较长。

4 结束语

大型泵站机组断流方式的选择受水泵机组结构和泵站出水流道方式限制，通过综合考虑和经济比较，选择最为合理的方式。通过卷扬式快速门、液压闸门、真空破坏阀断流方式相互比较，真空破坏阀是这3种断流方式中，无论电气和机械都是最为简单、可靠的。目前南水北调众多泵站的断流方式中，真空破坏阀断流运行口碑良好。因此，在大型泵站实际情况允许下，可以优先选用真空破坏阀断流方式。当然，真空破坏阀断流也可以进行进一步深入研究，缩断启动时间，降低启动扬程，保障机组启动更加平稳运行。