水电厂进水口工作闸门液压启闭系统改造.pdf

湖南电力第3O卷第4期HUNANELECTRICPOWER2010年8月doi：lO．3969／j．issn．1008-0198．2010．04．019水电厂进水口工作闸门液压启闭系统改造陈红平，方幸裕，黄建平(湖南省电力公司凤滩水力发电厂，湖南沅陵419600)摘要：进水口设置快速事故工作闸门是防止水电机组飞逸的重要保护措施，可保护机组主设备不被损坏，避免事故扩大。2009年，俄罗斯萨扬一舒申斯克水电站发生的严重事故与保护失效不无关系，而目前国内各水电厂进水口事故工作闸门系统常因运行时间长、设备老化、设计不合理等问题，严重影响到水电机组的安全稳定运行。简要介绍凤滩一期工程进水口闸门系统的改造，供此类设备的改造工作参考。关键词：水轮发电机组；事故工作闸门；液压启闭系统；工作原理中图分类号：TV698文献标识码：B文章编号：1008-0198(2010)04-0059-04凤滩水电厂位于湖南省酉水下游，地处沅陵、片式油泵装置，2台油泵互为备用，液压油泵装置永顺、古丈3县交界处，坝址控制流域面积通过1根邮6mm的总供油管为每台机组的油压启17500km，电厂一期工程设计装机规模为闭机提供压力油源。400MW，安装4台单机容量100Mw水轮发电机目前，4台机组的进水口快速事故工作闸门液组。主体工程于1970年lO月开工兴建，1978年5压启闭系统共用1套液压油泵装置及公用压力油系月第1台机组发电，1979年电厂一期工程基本建统，经长期运行，油压泵站设备日趋老化，特别油成，4台机组全部投产发电。电厂在系统中的主要压泵站控制柜内电气元件已严重老化，以致油压系作用是调峰、调频，承担系统事故备用，是一项以统故障频发，严重威胁着机组的安全稳定运行，有发电为主的综合利用水利工程。必要对其进行改造。4台水轮发电机组引水为单机单管方式，每台1存在的问题机组的引水管进口设置1扇快速事故平板闸门，闸门整体结构为主梁实腹式焊接结构，封水尺寸为宽1．1存在严重安全隐患：由于控制系统设计问题，4．29in，高8．2681TI，总水压力3157t，支撑跨度不能实现远方快速关闭闸门。4．64m，单吊点形式，每扇闸门自重42．709t。闸1．2电磁操作阀发卡问题严重：闸门长期处于开门按2min内快速关闭要求设计，启闭条件为静启启状态(停留在上限位置)，导致电磁阀发卡，不动闭，由1台150t／300t油压启闭机快速启闭。能正常动作，甚至运行人员进行手动控制都不能实原油压启闭机主要参数：现正常工作。启门力：150t；持门力：300t；闸门启闭行1．3自动化元器件性能差：如开度仪行程接点、程：11．75rfl；平压阀开启行程：0．251TI；闸门启闸门平压接点、主令开关装置等工作不可靠，急需闭速度：启门0．45m／min，闭f-16m／min；活塞直进行更换。径：600Innl；活塞杆直径：230l／lrll；启门时油压：1．4启闭机的附属设备老化严重、备品不足：如6．6MPa；持住时油压：13．0MPa。油压启闭机密封件由于老化，密封效果不良、漏油4台油压启闭机共用1套液压油泵装置，泵站较为严重，人字密封备件难以购置，造成检修困内设有1个重力油罐、1面控制柜以及2台高压叶难。收稿日期：2010-01-07·59· 第30卷第4期湖南电力2010年8月1．5油压启闭机年久失修，缸体外部锈蚀严重，制系统，包括液压缸总成、液压泵站、管路系统、油质劣化严重。电气控制系统及闸门开度检测装置等。1．6泵站油泵系双级叶片泵，使用的年限已到，3．1液压缸总成设计需要进行更新。液压缸总成由液压油缸、支座、机架、基梁及1．7油管上的阀门使用时间长、关闭不严。且由埋件等部分组成。支座、机架、基梁及埋件采用原于供、排油管路设计不合理，4台机组共用1根有部件，油缸缸体按原油缸安装尺寸设计，油缸密供、排油管，导致部分阀门不能正常更换。封形式采用目前成功运用的工程实例相同形式设计，具有先进性、可靠性和良好的密封性。液压缸2改造的必要性及方案总成采用立式安装，上部采用球面支承，与支座接2．1技术落后，无法满足安全运行的需要。本厂触。油缸由机架浮动支承于孔口上方，使油缸能够进水口闸门液压启闭系统为上个世纪7O年代初的自由摆动，以满足启闭闸门时液压缸的动作要求，产品，由于设计及制造技术等原因，该系统已不能同时可以补偿液压启闭机及闸门的制造和安装误满足现代远方自动集控的需求。差。吊头与闸门之间采用吊环插销轴相连，活塞杆2．2维护不便，设备存在严重隐患。由于4台机与吊头之间采用原设计所采用的联接方式，用联接组的事故闸门液压启闭系统公用1套液压油泵装螺母联接。为防止闸门快速下降时冲击底坎，在液置，当任意1台机组检修时，都会影响到对事故闸压缸有杆腔末端设置缓冲装置，缓冲行程为门系统用油的处理和更换；液压油中常因存在大量400mm，同时为了调节闸门快速下降的速度，保水分、杂质等，导致闸门起落控制电磁阀生锈发证闸门在关闭时其关闭时间小于2min，并在有杆卡，无法可靠地实现远方自动控制，万一机组发生腔油口设置了节流孔板，以调节合适的下降速度。飞逸事故，将失去最后一道重要保护，因此该问题．(1)油缸工作油压计算已成为影响安全生产的一个重大隐患。持门油压：2．3设备老化，备品采购困难。4台事故闸门液P】=4F1／[1T(D一d)]12．45MPa压启闭系统普遍存在油缸盖、阀组、压力表接头等启门油压：渗漏现象，阀门组件、液压密封元件多已淘汰，市P2=4F2／[订(D一d)]6．23MPa场上现已无该型号的备品备件，更换时必须与厂家式中为油缸最大持住力，F：3000kN；定制，维修成本较高。为油缸最大启门力，=1500kN；根据原设计确2．4实现远方集控、机组安全运行的需要。随着定液压缸的缸径和杆径：D=600mm，d：230mm。电力技术的发展，电厂实现“无人值班”(少人值(2)油缸壁厚的计算守)管理模式已成必然，对发电设备进行计算机根据《机械设计手册》，当3．2≤D／6<16时，远方监控是必不可少的手段之一。但目前闸门控制按中等壁厚计算，则：系统存在元件老化、远方控制不可靠等缺陷，因：P，l／[(2．3[]一P3)·]+c此，对事故闸门液压启闭系统控制部分进行技术改：43．55mm+c造已迫在眉睫。式中为试验压力，按工作压力P<16MPa时，2．5改造方案的确定P，=1．5P；D为油缸缸径600mm；[]为缸体材改造原则：安全可靠、自动先进、操作简便、料的许用应力，[]=／n=600MPa／5=易于维护。120MPa；为缸体材料的屈服强度；选用45号钢主要内容：液压油缸更换；供、排油管路分正火，6≥600MPa；几为安全系数，为3．5～5，离；原液压油控制系统分离为每台机组设置独立闸取5；为材料系数，对优质碳素钢：取1．0；门液压启闭控制系统，互不干扰。C为修正值。根据计算，取缸体壁厚为60mm，则缸体外圆3系统设计直径为600+2X60=720(1／ln1)。在每台机组进水口设置完全独立的闸门液压控(3)活塞杆强度计算·60· 第3O卷第4期陈红平等：水电厂进水口工作闸门液压启闭系统改造2010~年8月活塞杆最危险截面是两端连接螺纹的退刀槽截闸门快速关闭时油缸有杆腔回流量：面，其应力计算如下：Q闭=7r(D一d)／41446．5L／rain拉应力：=4KF／Ird125．75MPa(4)油泵一电机组选型剪应力：r=K1KFd2—61．03MPa根据现场使用要求，泵站设2台油泵一电机式中F为油缸最大持住力，F=3000kN；K为螺组，1台工作，1台备用。由于闸门快关时不启动纹拧紧系数，静载时，取K：1．25～1．5，这里取油泵，无杆腔采用自然补油方式。因此液压泵的出为1．5；K1为螺纹内摩擦系数，一般取K1=0．12，油量只需大于启门时油缸有杆腔进流量，压力只需d为螺纹小径；d=213．505mm；d：为螺纹外径，满足最大的系统压力即可。按要求选用三相异步电d2=220nlin，M220X6；[]为活塞杆材料的许动机，取转速凡=1500r／rain，则油泵的流量为：用应力；[]=／n=500MPa／2．5=200MPa；q≥Q～=108．5×10mL／min为活塞杆材料的屈服强度；对于锻钢40Cr调质经计算，新液压控制系统应满足下列参数：后，I>500MPa；n为安全系数，这里取n=2．5。液压泵出口压力：7MPa；启门流量(有杆／么，=(125．752+3×61．032)0．5无杆)：108．5L／min／127．2L／rain；闭门流量(无164．28MPa<[]，符合要求。杆／有杆)：1695．6L／rain／1446．5L／rain；开启／根据以上计算结果，确定新液压缸的主要技术关闭速度：0．45／6m／rain；液压泵出口流量：参数如下：108．5×1O。mL／min最大启门力：1500KN；最大持住力：4系统工作原理3000KN；最大行程：12000mm；液压缸内径：q)600mm；活塞杆直径：q)230lIlrn；缸体壁厚：系统设置2套油泵电动机组，布置在油箱上，60mm；有杆腔计算油压：6．23MPa；有杆腔持住1套工作，1套备用，可自动切换。正常工作时，2油压：l2．45MPa；无杆腔计算油压：1．5MPa。套油泵电动机组可通过PLC程序实现轮换工作，3．2液压控制系统设计液压系统原理见图1。液压泵站布置在油缸室活动厂房内。泵站按一4．1开启闸门机一站配置，泵站由油箱、安全阀组1组、控制阀油泵电机(M，或M)得电启动，延时15S组1组、2台油泵一电机组等组成，油泵一电机组后，电磁阀DT得电，延时2s后DT得电，压力按1台工作，1台备用设计考虑。油经电磁单向阀(2．1)、单向阀(2．5)进人油缸(1)泵站压力选择有杆腔，活塞开始上升，同时油缸无杆腔油液经补液压系统液压泵出口压力应能满足启门时液压油管及回油管流人油箱。当活塞行程达到250一缸的最大工作压力(P为6．23MPa)，并考虑适当时，充水阀被全部打开。开度测量仪发讯，电磁阀的压力损失。综合考虑液压元件的压力损失及系统DT，DT2失电，当接到闸门前后已平压讯号后，管路的沿程损失，选取系统工作压力为7MPa。电磁阀DT，，DT：得电，压力油经电磁单向阀(2)活塞起落速度选择(2．1)、单向阀(2．5)进入油缸有杆腔，闸门开始根据原设计，工作闸门启门时间为0～25rain，开启，当闸门开至预定开启位置时，开度测量仪发工作闸门快速关闭时间为2rain以内；计算得知，讯，电磁阀DT，DT2失电，闸门停止上升，延时=0．45m／rain；=6m／rain。1～2s后油泵电机失电停止工作，闸门开启过程结(3)油流量计算束。启门时油缸有杆腔进流量：4．2程控快速闭门Q启=7r(D一d)启／4108．5L／rain当接到快速闭门指令后，电磁阀DT，得电，启门时油缸无杆腔回流量：油缸有杆腔油在持住力作用下通过方向插件进入无Q启=仃D／4—127．2L／rain杆腔，同时由补油管向油缸无杆腔补油，当闸门和闸门快关时油缸无杆腔进流量：充水阀全关闭后由开度测量仪发讯，DT，失电，闸q闭=7rD／41695．6IZmin门关闭过程结束。在快速闭门过程中，若系统压力·61· 第30卷第4期湖南电力2010年8月出现故障情况下，打开截止节流阀(2．12)，油缸有杆腔油在持住力作用下通过方向插件(2．3)进入无杆腔，同时由补油管向油缸无杆腔补油，当闸门和充水阀全关闭后由开度测量仪发讯，闸门关闭过程结束。同时系统还应具有的功能：闸门下滑回升、压力过压保护、液位报警、油温报警、滤油器堵塞报警、远方自动控制等功能。5结束语2000年凤滩水电厂开始着手对闸门液压启闭系统进行前期改造调研，2004年至2006年先后对3，4号机组闸门液压启闭及控制系统进行改造，选用中船重工中南装备有限责任公司的QPKY一3000／1500kN系列液压启闭机及液压控制系统，更换了原油缸，新建液压泵站及控制系统。系统自投运以来，稳定可靠、操作简单，维护方便，达到了预期目的，取得了良好的效果，为电厂长期安全可靠运行奠定了坚实的基础。设备的安全性因此得到了极大提高，为避免发生类似俄罗斯萨扬一舒申斯克水电站的严重事故提供了有力保障。参考文献(1)徐灏．机械设计手册[s]．北京：机械工业出版社，1991．图1新闸门液压系统原理[2]雷天觉．新编液压工程手册[s]．北京：理工大学出版社，2oo5．超过溢流阀的设定压力值时，压力油同时经过溢流(3]杨可桢．机械设计基础[M](4版)．北京：高等教育出版阀进入油缸上腔，对油缸起保护作用。社，1999．4．3手动快速闭门当系统失电或快速关闭闸门电磁球阀(2．2)(上接第55页)解决潮湿、鼠害等问题，同时也减小了风力对垂线范要求。同时，也有效地解决了鼠害对垂线自动化的摆动，从而提高了自动化观测和人工观测精度。的破坏，提高了系统运行的稳定性，取得了很好的(3)新建的数据采集系统及管理系统具有开改造效果。放性好、组态灵活、采集速度快、防雷性能好、便于维护等特点，同时便于今后监测系统的扩充。3结语(1)凤滩电厂垂线观测自动化改造后运行情作者简介况良好，系统运行较为稳定，维修少，能及时提供陈建文(1967一)，男，汉族，湖南湘阴人，工程师，从事水电厂管理工作。大坝运行数据，可有效地降低人工观测强度。(2)在竖井垂线测点处安装仪器房可有效地·62·