李云丽
中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司 湖南长沙 410000
作者简介：李云丽（1983-），男，湖南永州人，高级工程师，本科，工作方向：工程管理。
摘要：惠州抽水蓄能电站尾水事故闸门由水电八局制作，其液压控制设备由法国ALSTOM设计、制造，该系统在惠蓄电站的应用非常成功，本文通过对其控制回路的详细介绍，希望能为类似工程建设、设计、施工提供参考。
关键词：水电站 尾水事故闸门 液压控制
1 电站概况
惠州抽水蓄能电站位于广东省惠州市博罗县城郊，A、B厂共安装8台机组，总装机容量2400MW，是一座周调节的纯抽水蓄能电站。电站主要由上水库、下水库、引水系统、地下厂房洞室群及500kV开关站等建筑物组成。
2 尾水事故闸门简介
由于抽水蓄能电站布置上的特殊性，大部分电站的机组安装高程都很低，惠州抽水蓄能电站也不例外，其地下厂房相对下水库埋深达110m，尾水位远远高于厂房，A、B厂在机组尾水管出口与尾水调压井之间各布置一个专门的尾水事故闸门室，其尺寸为（长×宽×高）84.5m×5.7m×12.75m，分别设置4套尾水事故闸门，主要功能就是及时闭门以阻断下水库及尾水隧洞的水流从而方便机组的检修或在事故时紧急下闸断流防止下库水流淹没厂房。
尾水事故闸门主要由门槽、门叶、液压接力器、液压控制系统、管路、电气设备等组成。
2.1 尾水事故闸门设计参数
孔口宽度3200mm，孔口高度4000mm，闸门全开位置高度4350mm，设计水头110m，在设计水头下的单向漏水量≤2 L/s，接力器工作行程4350mm，启门速度0.8m/min，闭门速度1.0m/min，接力器单吊点。
2.2 尾水事故闸门操作要求
1）关闭：检修水泵水轮机时能静水关闭；在事故情况下能动水关闭。
2）开启：开启旁通阀充水平压，待闸门前后水头差小于5m时开启闸门。
3）自动联锁装置：尾水事故闸门与进水阀进行联锁，当进水阀处于开启状态不能操作本闸门，本闸门处于关闭状态不能开启进水阀，互相闭锁。
4）尾水事故闸门配置有可靠的泄压设施，当闸门关闭后尾水管内水压力超过下游压力时能自动泄压。
5）尾水事故闸门采用单吊点油压接力器操作；并设有油压锁定装置，以防门叶处于开启状态时因振动而下滑进入孔口。
6）尾水事故闸门由现地控制盘进行操作，也可由监控系统在远方进行操作：
闸门平时处于孔口上方，既正常全开位置，油压锁定装置处于锁定状态；当闸门下滑一小段距离时，限位接点能自动启动油泵使闸门恢复到正常全开位置；如果复位失败，门叶与锁定装置接触，能发出报警信号并送至电站监控系统；当闸门需要关闭时，油压锁定装置处于解锁状态；当闸门到达全开、全关位置时，上限接点能自动关闭油泵。
3 尾水事故闸门液压控制回路解析
尾水事故闸门液压控制系统传输介质采用32#汽轮机油，液压控制系统主要由接力器、油泵、电动机、液压阀、安全阀、电磁阀、手动阀、止回阀、管路、油箱、储能罐等组成，并配置有完善的监视、测量、控制与保护装置。每套尾水事故闸门设置一套独立的液压系统，每套液压系统配置有两台相同的油泵及电动机，一台为主用油泵，一台为备用油泵，油泵及储能罐为控制系统提供并保持油压。通过液压控制系统操作液压起闭机上升或下降，从而实现闸门开启或关闭。控制系统原理图详见下图：
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3.1 闸门开启前各设备状态
闸门处于全关位置，603DR和604DR液压阀A、T端口导通。进水阀处于全关位置，GVG520DR液压阀P、R端口导通。挂钩释放，601DR和602DR液压阀P、R端口导通。603EM电磁阀失磁，A、T端口导通。
3.2 闸门开启过程中的油路
闸门前后水压通过旁通阀平压后，控制系统发出闸门开启命令，601MO主用电动机开启，3秒钟后601EM电磁阀励磁，601PO主用油泵给系统建压。603EM电磁阀励磁，A、P端口导通，油泵及储能罐送出的油压分为两路，一路经过603EM电磁阀A、P端口和601DR、602DR液压阀R、P端口送到601CL活塞阀上端，将活塞阀弹簧向下压紧，使其上、下腔的油路切断；一路经过604VH手动球阀、605VT止回阀供往主接力器601ZM下腔和辅助接力器602ZM、603ZM上腔，推动601ZM带动门叶一起以0.8m/min的速度缓慢上升，开启闸门，上升30mm时609FC停止向监控系统发出闸门“全关”信号。601ZM上腔通过604VT、620VH将油排至储油箱， 602ZM、603ZM则保持门叶挂钩处于释放状态，603FC、605FC送出“挂钩释放”信号。
3.3 闸门全开后各设备状态
闸门全开后，602FC向监控系统发出闸门“全开”信号，油泵停止。门叶到达顶部，通过传力装置推动603DR、604DR液压阀，使得两个液压阀的A、P端口导通，油压通过603DR液压阀的A、P端口供往602ZM、603ZM下腔，虽然上、下腔油压相同，但是下腔受力面积大于上腔，从而推动活塞杆、投入门叶挂钩，防止门叶振动滑入闸门槽而发生意外。同时，603FC、605FC停止送出“挂钩释放”信号，604FC、606FC送出“挂钩投入”信号。门叶挂钩投入后，601DR、602DR液压阀R、P端口断开，液压阀转换为单向阀功能，只能向601CL活塞阀上端补充油压，以防止漏油引起闸门误动。604DR液压阀A、P端口导通后，进水阀操作油路导通，具备开启条件；进水阀打开后GVG520DR液压阀P、R端口断开，闸门不能关闭，二者形成闭锁。
3.4 闸门关闭过程中的油路
先关闭进水阀，GVG520DR液压阀P、R端口导通。控制系统发出闸门关闭命令，603EM电磁阀失磁，A、T端口导通，602ZM、603ZM下腔油压通过603DR液压阀A、P端口和603EM电磁阀A、T端口及GVG520DR液压阀P、R端口释放到001AQ储油箱内，上腔油压及储能弹簧推动活塞杆、释放门叶挂钩，（603FC、605FC送出“挂钩释放”信号，604FC、606FC停止送出“挂钩投入”信号。）使得601DR、602DR液压阀R、P端口导通，601CL活塞阀上端油压通过601DR、602DR液压阀R、P端口和603EM电磁阀A、T端口及GVG520DR液压阀P、R端口释放到001AQ储油箱内，601CL活塞阀弹簧伸长推动阀芯上移，上、下腔的油路导通，油压释放， 601ZM上、下腔连通，门叶及主接力器活塞杆随着自重以1m/min的速度缓慢下落，关闭闸门，601ZM上腔通过603VT从储油箱补油。门叶下落后，传力装置带动603DR、604DR液压阀A、T端口导通，使门叶挂钩保持释放状态和禁止进水阀开启。
3.5 闸门全关后各设备状态
闸门全关后，603DR、604DR液压阀A、T端口保持导通，辅助接力器602ZM、603ZM的储能弹簧保持门叶挂钩处于释放状态，603EM电磁阀失磁。
3.6 闸门保护系统
1） 602ZM、603Z的储能弹簧能够在系统电源丢失的情况下释放门叶挂钩，便于在事故状态下实现紧急关闭闸门，防止水淹厂房。
2） 603VH正常情况处于常闭状态，当出现意外事件需要手动关闭闸门时才可用，其原理是打开603VH手动阀，601ZM上、下腔直接连通，油压释放，闸门在自重作用下出现下滑，下滑超过25mm时601FC（或者下滑超过50mm时612FC）发出机组紧急停机命令，门叶挂钩释放，门叶继续下落，直至全关位置。惠州抽水蓄能电站设计为无人或少人值班运行方式，而该功能需现场手动强制关闭闸门，因此对生产运行意义不大，但是对于机组试验、调试过程中的突发事故应急处理是非常有利的，属于紧急预案范畴。
3） 闸门开启操作时，601MO和601PO启动后，10秒钟以后若601SP检测管路油压低于20Bar,发出“主用油泵故障”报警信号并停止主用电动机，同时控制系统发出启动602MO和602PO命令，10秒钟以后若602SP检测油压仍然低于20Bar,则会发出“备用油泵故障”报警信号并停止闸门操作。若601ZM下腔油压超过250Bar时通过安全阀604VQ卸压。
4） 闸门全开后，通过储能罐601AQ给系统维持油压，若603SP检测油压低于35Bar,发出“低油压”报警信号，超过100Bar时通过安全阀603VQ卸压；若604SP检测压力低于40Bar,控制系统发出启动油泵命令，达到74Bar时停止油泵；油泵出口油压超过80Bar时通过安全阀601VQ、602VQ卸压。（注：闸门关闭时，603SP、604SP被闭锁，不会发出报警信号和启动油泵。）
5） 闸门全开后，门叶到达顶部，若意外事件引起门叶下滑，下滑10mm时602FC显示“闸门一级滑落”报警信号，下滑25mm时601FC显示“闸门二级滑落”报警信号并通过控制系统发出机组紧急停机命令。上述第一套系统通过机械行程开关给出接点信号进行控制，同时还有另一套控制系统，即通过601MM行程传感器测量601ZM位置，再由计算机程序计算出门叶下滑量，下滑15mm时610FC显示“闸门滑落”报警信号，下滑30mm时611FC显示“启动泵”报警信号并通过控制系统发出启动油泵命令，下滑50mm时612FC显示“机组停机”报警信号并通过控制系统发出机组紧急停机命令，下滑80mm时613FC显示“门叶在挂钩”报警信号。二套系统提高了安全冗余系数。
6） 601EM、602EM在相应的油泵启动3秒钟后励磁，将油泵由空载转为负载运行，减少电动机启动电流，延长使用寿命。
7） 操作时间过长保护：每次闸门开始动作时，延时继电器便投入运行，当整个完成提起/下落程序最长延时超过预定的80s或每一步程序最长延时超过了调试期约定时间的20%，这个延时继电器动作，控制603EM电磁阀，终止对闸门的操作（闸门下落的过程除外），并且同步发出报警信号，防止设备故障状态下系统长时间进行无效操作。
4 系统设备选型介绍
4.1 接力器
接力器是将液压能转变成直线运动形式的机械能的一种能量转换装置，本案中601ZM采用单杆活塞式接力器，缸筒固定，活塞杆在液压油作用下做上、下移动，带动闸门完成启闭操作；602ZM、603ZM采用弹簧蓄能式接力器。
液压缸工作压力主要根据运动循环各阶段中的最大总负载力来确定，并考虑以下因素：(1)各类设备的不同特点和使用场合。(2)考虑经济和重量因素，压力选得低，则元件尺寸大，重量重；压力选得高一些，则元件尺寸小，重量轻，但对元件的制造精度，密封性能要求高。本案中系统设计工作压力为6.4MPa，然后根据启门时的设计总负载和活塞杆材质计算确定接力器活塞杆直径为130mm，活塞缸内径为375mm，按照要求的启门速度0.8m/min计算确定压力油流量为78L/Min。
4.2 油泵
油泵作为液压系统的动力元件，将电动机输入的机械能转换为压力能输出，为液压系统提供压力油，其性能好坏直接影响到液压传动系统的工作性能和可靠性，是系统中最主要的设备之一。液压泵所需工作压力的确定，主要根据液压缸在工作循环各阶段所需最大压力和油泵的出油口到油缸进油口处总的压力损失，包括油液流经流量阀和其他元件的局部压力损失、管路沿程损失等。
本案中液压油采用32#汽轮机油，系统不要求变化流量、双向输油，固选用三螺杆泵，利用螺杆转动将油液沿轴向压送至受油处，其结构简单紧凑，体积小，重量轻，输出流量均匀、噪声低、自吸性能好，寿命长，对油液的污染不敏感，且泵内的油液从吸油腔到压油腔为无搅动提升，适合输送粘度较大的液体。三螺杆泵额定流量为78L/Min，油泵电动机功率=（压力×流量）÷效率，考虑一定的设计余量，选定15kW电动机。
4.3 液压阀
液压阀在液压系统中被用来控制液流的压力、流量和方向，保证执行元件按照负载的需求进行工作。基本结构主要包括阀芯、阀体和驱动阀芯在阀体内作相对运动的装置。通过阀芯在阀体内的相对运动来控制阀口的通断及开口大小，从而实现对流体压力、流量和方向的控制。液压阀选择时的基本要求：动作灵敏、使用可靠、工作时冲击和震动小，噪声低；所控制的参量稳定，受外界干扰时变化量小；压力损失小，安装、调试、维护方便，通用性好。
本案中601VT～606VT止回阀采用普通单向阀，601VQ、602VQ安全阀采用先导型溢流阀，603VQ、604VQ采用直动型溢流阀，601DR～604DR液压阀采用机动式换向阀，601EM～603EM采用电磁式换向阀。
5 综述
惠州抽水蓄能电站尾水事故闸门成套设备通过现场试验和多年来的运行实践，充分验证了该套液压系统的运行可靠性，操作准确到位、信号反馈无误，操作过程平稳、无噪音、无异常振动、无漏油等现象。例外，系统中还有一些细微之处也考虑得比较周全：
1） 通过节流片调整流量，相对于流量调节阀来说，显得简单、实用、成本低、免维护，只要调试过程中确定好尺寸，基本后续使用中不用再做调整。
2） 主接力器活塞主密封采用组合密封，碳精、聚四氟乙烯材料，其耐高压、高温和耐磨性能良好，密封使用周期较长，减少电厂机组停运次数。
3） 系统中设置了多处活动接头，便于设备调试、检修、运行维护及功能扩展。如：602PP接头，可用来连接压力表、温度表等表计随时查看相关数据，还可用来连接外部油源，代替油泵给系统提供油压，也是一种开启闸门的备用方式。
4） 液压阀等附属件基本上都集成在储油箱上，系统整体性强、布置美观，亦便于安装。系统保护措施多样化，机械、电气双重保护，系统安全有保障。
6 结束语
相对机械传动而言，液压传动优点较多：方便灵活、容易实现自动化，装置质量轻、结构紧凑，元件容易实现标准化、系列化、通用化，惯性小，运动传递均匀平稳，可实现无极调速。因此，液压技术在现实生活中的应用非常广泛，本文对惠州抽水蓄能电站尾水事故闸门液压控制回路的详细介绍，希望其中的一些闪光点能为大家在类似工作中提供一些参考。
参考文献：
1、胡世超、姜晶著：《液压及气动技术》，上海科学技术出版社2011年版。
2、陆全龙著：《液压技术》，清华大学出版社2011年版。