巴基斯坦卡洛特水电站长行程大容量泄洪表孔液压启闭机关键技术研究

王启行 胡一亮 孔剑 胡剑杰

摘要：随着水利水电技术的快速发展，泄洪表孔孔口尺寸不断增大，液压启闭机的行程和容量亦随之加大，因此，有必要对长行程大容量液压启闭机进行研究以满足工程实际需求。结合巴基斯坦卡洛特水电站泄洪表孔弧门液压启闭机的实际布置情况，利用数值分析方法和Mathcad计算软件，分析了上铰点的位置对液压启闭机设计的影响，优化了液压启闭机的行程和容量;创新性地采用了行程大于8 m的静磁珊位移传感器，分析了长行程传感器存在的问题，并运用预拱和加大截面等方法，避免了由于传感器自身变形引起的误差，扩大了静磁栅位移传感器的应用范围。长行程大容量液压启闭机的研究成果在卡洛特水电站的成功应用对其他工程的设计和应用具有一定参考价值。

关键词：液压启闭机;长行程大容量;有限元分析;行程传感器;铰点位置;卡洛特水电站;巴基斯坦

中图法分类号：TV664.2文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.11.015

文章编号：1006 - 0081（2021）11 - 0066 - 04

0 引 言

近几十年来，随着国内水利水电技术高速发展，泄洪表孔孔口布置越来越大，泄洪表孔弧形工作闸门的规模不断增大，其启闭设备液压启闭机的行程和容量亦呈现加大的趋势。因此，长行程大容量液压启闭机的设计要求和难度不断提高。宗和刚、张延忠、金丛成等[1-3]采用理论分析、数值计算和调试试验等方法对泄洪表孔液压启闭机的远程控制精度和同步控制方法进行了研究和优化。董家等[4]采用有限元的方法，对液压启闭机油缸及活塞杆整体进行受压稳定性分析，研究了影响液压缸活塞杆整体挠度的因素。沈燕萍等[5]研究了接力式液压缸在水口电站溢洪道上的应用与设计。王启行等[6]采用有限元的方法，对大型液压启闭机油缸支铰座结构进行了分析与优化。刘国瑞[7]分析了泄洪表孔液压系统的工作原理及结构特点，并对闭门方案、阀组选择等内容进行了总结及改进。相关学者对泄洪表孔液压启闭机同步控制、结构分析和液压系统做了较多研究，但是对长行程大容量液压启闭机的研究较少。因此，本文结合巴基斯坦卡洛特水电站泄洪表孔弧门液压启闭机的设计，重点分析了长行程大容量液压启闭机的优化布置和长行程静磁栅行程传感器的应用。

1 工程概况

巴基斯坦卡洛特水电站是吉拉姆（Jhelum）河规划的5个梯级电站的第4级，上一级为阿扎德帕坦（Azad Pattan）水电站，下一级为曼格拉（Mangla）水电站。卡洛特水电站装机容量72万kW（720 MW），多年平均年发电量约32.10亿kW·h。

卡洛特水电站枢纽为Ⅱ等大（2）型工程，主要由大坝、泄水建筑物、电站引水及尾水系统、电站厂房等组成。坝址处控制流域面积26 700 km2，多年平均流量819 m3/s，多年平均年径流量258.3亿m3。水库正常蓄水位461.00 m，死水位451.00 m，正常蓄水位以下库容15 200万m3，调节库容1 587万m3，库容系数0.06%，为日调节水库，电站设计引水流量1 248.4 m3/s。

2 泄洪表孔弧门液压启闭机的布置优化

2.1 液压启闭机布置

泄洪建筑物共布置6个泄洪表孔，每孔设置1扇弧形工作闸门。总体布置如图1所示，泄洪表孔堰顶高程439.00 m，弧门孔口尺寸14.0 m×22.0 m，底坎高程438.472 m，设计水头22.65 m，总水压力36 730 kN。弧门弧面半径为29 m，支铰高程451.945 m。弧门操作方式为动水启闭，可局部开启控制泄流。弧门为双吊点，由双吊点悬挂式液压启闭机操作。吊点设在下主梁悬臂段，油缸上设刚性行程传感器及上、下行程限位开关，机房及中控室有弧门开度显示，能分别进行现地或集控操作，每扇闸门配置1套液压启闭机，共6套。液压启闭机油缸布置在每个闸孔两侧闸墙上，液压泵站及系统总成、油箱和电控系统布置在坝顶高程469.62 m闸墩机房内。

2.2 油缸上铰点位置选择与优化

露顶式弧门液压启闭机油缸上铰点的位置对启闭机的容量和行程具有较大影响[8-9]。根据笔者的研究成果[10]，对卡洛特水电站泄洪表孔液压启闭机进行优化研究。

计算模型如图2所示，泄洪表孔弧形工作门拉门点半径r为28 m，弧门旋转角度α为48.39°，弧门全关时拉门点与弧门支铰点连线与垂直方向的夹角β为68.12°，弧门全关时启门阻力矩M1为95 704 kN·m，弧门全开时启门阻力矩M2为71 229 kN·m，油缸结构长度L为4.2 m。将以上参数输入到Mathcad软件中，可计算出各未知数的解，如图3所示。

由此可得拉门点B的坐标如下：

[bx=-rsin β=-28×sin68.12°=-25.056 m]

[by=-rcos β=-28×cos68.12°=-10.435 m]

将bx，by，z，v的值代入Mathcad软件，如图4所示，即可计算出上铰点A的坐标值暨上铰点的位置。其中，bx和by为拉门点B点的横坐标和纵坐标，m，z和v见图2所示。

根据工程实际布置情况，将计算结果圆整确定上铰点A的坐标值为（-9.5 m，11.4 m），确定液压启闭机的启门力为2×4 500 kN，行程为12.1 m。优化设计后的缸体内径为640 mm，油缸活塞杆直径为320 mm，有杆腔计算油压为19.5 MPa。

运用Mathcad软件进行计算，有效降低了油缸上铰点位置的设计难度，较好地协调了启闭力和行程之间的关系，避免了因不合理布置而导致启闭机造价费用的增加，同时也减轻了人工多次试算的工作量。

3 长行程静磁栅位移传感器应用研究

3.1 位移傳感器简介

静磁栅位移传感器是一种外置式绝对型位移传感器，通过静尺和动尺之间的位移来反映液压启闭机的行程。在卡洛特水电站项目中选用的CS1102-12100MM-N33-42-YR型静磁栅闸门行程传感器是静磁栅直线绝对编码器系列产品之一，属数字化直线绝对位移传感器。静磁栅行程传感器为外置式安装，该传感器主要由静磁栅尺、测量杆、导向套管等部分构成，布置如图5所示。静磁栅尺长13 m，精度可达到1 mm，其上配有导向套管，电缆由后部引出，导向套管利用抱箍式安装座固定安装在油缸上;测量杆装在导向套管内，其长度略大于测量行程，测量杆前部有万向关节轴承与安装在油缸前端吊耳上的测量杆连接抱箍相连，随着油缸伸缩运动，测量杆也对应在导向套管内伸缩移动，静磁栅尺上感应到闸门开度信号。按照水利工程惯例，当活塞杆完全伸出时，开度为“0”，活塞杆完全缩进时，开度最大。

近年来，静磁栅行程传感器在水利水电行业得到了广泛应用，但常规的静磁栅行程传感器能够适应的行程一般都不超过8 m。在卡洛特水电站工程中，油缸行程为12.1 m，大大超过了现有规模，因此有必要研究适应长行程的静磁栅行程传感器，而这种传感器亟需解决的就是挠度问题。在卡洛特水电站项目中，主要从材料选择和工艺等方面进行技术改进。

3.2行程传感器挠度问题

为解决长行程静磁栅行程传感器的挠度问题，主要考虑测量杆和导向套管两大部件。

（1）测量杆的挠度问题。在设计过程中，测量杆选用的是截面为80 mm×80 mm，厚度为2 mm的304不锈钢方管，由于行程长，测量杆是由两段不锈钢方管焊接而成。测量杆可看成两端简支梁，受重力产生的均布荷载作用，计算挠度采用下面的公式：

[f=5ql4384EI=5Gl3384EI]

式中： [G=637  N]，  [l=13  000  mm]， [I = a4-a4112=804-76412=633 152 mm4]

通过理论计算得出，测量杆中间最大挠度为f=139.7 mm，挠度太大，严重影响静磁栅行程传感器的测量精度和功能要求。采取的措施是在焊接两段测量杆之前，将测量杆进行一定的预拱并完成焊接，从而得到一个中间微微隆起的测量杆。将隆起面向上，再次测量测量杆挠度，得到的挠度数据±2 mm，这样就较好地解决了13 m长测量杆的挠度问题。

（2）导向套管的挠度问题。导向套管选用的是截面为100 mm×100 mm，厚度为2 mm的304不锈钢方管，将若干抱箍与油缸缸体连在一起，通过增加中间的抱箍来解决导向套管的挠度问题。导向套管和抱箍的连接如图6所示。在套管口（测量杆进入的方向）专门制作了限位装置，既确保了测量杆在套管中顺畅滑动，又解决了测量杆与编码尺之间的测量间隙问题。

图6 导向套管和抱箍的连接

通过对测量杆的预拱及对导向套管增加支撑等措施，有效解决了长行程静磁栅行程传感器的挠度问题。目前该传感器已成功应用于巴基斯坦卡洛特水电站。

4 结 论

本文结合卡洛特水电站项目实际，通过对长行程大容量泄洪表孔液压启闭机进行研究，得出如下结论：

（1）通过数值计算得到油缸上铰点位置，对行程和容量进行了合理的优化设计，使行程和容量得以匹配。

（2）行程大于8 m的静磁栅位移传感器首次在工程项目中得到成功应用，对水工金属结构设计具有一定参考价值。

参考文献：

[1] 宗和刚. 乌弄龙水电站泄洪闸门远程控制精度优化[J].云南水力发电， 2021， 37（3）： 201-204.

[2] 张延忠. 安格庄水库溢洪道液压启闭机纠偏系统调试与优化[J].水科学与工程技术，2021（1）：4-7.

[3] 金丛成， 韩友春. 液压双吊点闸门启闭同步控制方法研究[J].中国水能及电气化，2021（1）：25-29.

[4] 董家， 赵建平， 严根华， 等. 大型液压启闭机活塞杆挠度影响因素数值研究[J].水利与建筑工程學报， 2018，18（5）：192-197.

[5] 沈燕萍， 金晓华， 蔡锟， 等. 水口电站溢洪道接力式液压启闭机液压缸总成设计[J].大坝与安全， 2020（4）： 23-24.

[6] 王启行， 王磊. 基于ANSYS的大型液压启闭机油缸支铰座结构研究与优化[J].常熟理工学院学报， 2019，66（2）： 70-74.

[7] 刘国瑞. 表孔弧门液压启闭机液压系统分析[J].液压气动与密封. 2018，38（11）： 28-32.

[8] 李季川，周鹏. 水布垭水利枢纽溢洪道液压启闭机设计[J]. 人民长江，2007，38（7）： 81-82.

[9] 罗涛. 露顶式弧门液压启闭机容量及上支点位置的确定方法[J]. 西北水电，2007（2）： 58-60.

[10] 王启行， 王磊， 仪彤. 露顶式弧门液压启闭机上铰点合理位置算法[J].水电与抽水蓄能， 2020，6 （1）： 118-120，86.

（编辑：唐湘茜）

Key technology research of spillway outlet hydraulic hoist with long-stroke and large-capacity

WANG Qihang，HU Yiliang，KONG Jian，HU Jianjie

（Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan 430010， China）

Abstract：With the rapid development of water conservancy and hydropower technology， the outlet size of spillway is increasing so as the stroke and capacity of the hydraulic hoist of spillway. So， the research of long-stroke and large-capacity hydraulic hoist is necessary to meet engineering requirement. Based on the actual layout of the hydraulic hoist for the radial gate of the spillway outlet of Karot Hydropower Station in Pakistan， the influence of the position of the upper hinge point on the design of hydraulic hoist is analyzed by using numerical analysis method and Mathcad software， the stroke and capacity of the hydraulic hoist are optimized. Stroke sensor with a stroke greater than 8m is adopted and the problems of long-stroke sensors is analyzed. The error caused by the deformation of the sensor itself is avoided by means of pre-arch and enlarged-crosssection which expands the scope of application of the sensor. The application of the research results of the long-stroke and large-capacity hydraulic hoist in Karot Hydropower Station has a good reference value for the design and application of other projects.

Key words：hydraulic hoist; long-stroke and large-capacity; finite element analysis; stroke sensor; hinge position; Karot Hydropower Station; Pakistan