陳 敏

（上海城投原水有限公司，上海 200125）

1 取水閘門(mén)概況

位于上海長(zhǎng)興島北側(cè)的青草沙水庫(kù)，是我國(guó)最大的蓄淡避咸河口江心水庫(kù)，能有效應(yīng)對(duì)長(zhǎng)江冬季咸潮和各類(lèi)突發(fā)水污染事故，向中心城區(qū)供應(yīng)安全、優(yōu)質(zhì)的長(zhǎng)江原水。水庫(kù)上游取水閘門(mén)主要功能為非咸潮期自流引水入庫(kù)、咸潮期搶引淡水（表2）。取水閘東西方向設(shè)置5 孔潛孔式閘門(mén)，雙吊點(diǎn)平面定輪鋼制閘門(mén)。由于閘段跨度較長(zhǎng)，配置2 套液壓?jiǎn)㈤]機(jī)進(jìn)行操作（倒掛式雙作用液壓缸啟閉機(jī)），其中一套控制3 孔閘門(mén)，另一套控制2孔閘門(mén)（表2）。

表1 取水閘工作閘門(mén)技術(shù)參數(shù)

表2 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)技術(shù)參數(shù)

2 存在問(wèn)題

青草沙水庫(kù)上游取水閘門(mén)，利用庫(kù)內(nèi)外潮位差開(kāi)閘引水期間，應(yīng)對(duì)長(zhǎng)江沉船、江面油污、漂浮垃圾、水質(zhì)污染及咸潮入侵等各類(lèi)突發(fā)水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，需要立即閉門(mén)避污避咸。在這個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻，如果閘門(mén)操作設(shè)備液壓?jiǎn)㈤]機(jī)發(fā)生以下情況：①啟閉機(jī)電氣元件故障，包括液壓泵電機(jī)、軟啟動(dòng)、PLC 控制器等；②啟閉機(jī)液壓元件故障，包括液壓泵、電磁溢流閥、換向閥、糾偏閥、液控單向閥及順序閥等；③啟閉機(jī)設(shè)備供電跳閘、停電等，將無(wú)法進(jìn)行閉門(mén)操作。取水閘門(mén)總寬70 m 進(jìn)水流量巨大，避污避咸分秒必爭(zhēng)，等待專(zhuān)業(yè)維修人員趕至現(xiàn)場(chǎng)排故、搶修或恢復(fù)供電，時(shí)間上根本不允許。目前，針對(duì)上述常見(jiàn)故障，現(xiàn)有啟閉機(jī)設(shè)備未配置有效的應(yīng)急操作功能。

因此，為了確保青草沙水庫(kù)的供水安全，降低水質(zhì)事故風(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)現(xiàn)有閘門(mén)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)設(shè)備進(jìn)行改造，使其在上述故障發(fā)生時(shí)，具備迅速、有效且安全地將取水閘門(mén)關(guān)閉的功能。

3 改造方案

3.1 技術(shù)要求

液壓?jiǎn)㈤]機(jī)應(yīng)急閉門(mén)改造必須以迅速、有效、安全為原則，結(jié)合閘門(mén)運(yùn)行工況、現(xiàn)有啟閉機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)、功能及特性、操作人員的配置情況以及現(xiàn)場(chǎng)操作環(huán)境等因素綜合考慮，改造基本要求如下：①主要針對(duì)上游取水閘門(mén)正向引水常見(jiàn)工況；②手動(dòng)操作方式，操作簡(jiǎn)便，無(wú)需使用工具；③操作環(huán)境不受惡劣天氣影響；④無(wú)需額外液壓源，采用獨(dú)立液壓回路及元件；⑤閉門(mén)過(guò)程中，閉門(mén)速度及雙缸同步誤差可控制調(diào)節(jié)；⑥改造措施易于實(shí)施。

3.2 改造方案

上游取水閘門(mén)門(mén)體自重（每扇包括2 個(gè)液壓缸缸體、6 個(gè)懸臂滾輪等）約47 t，根據(jù)估算及10年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在閘門(mén)正向引水的常見(jiàn)工況下，閘門(mén)自重足以克服來(lái)自滾輪、止水等閉門(mén)運(yùn)行阻力。具體方案為：將被操作閘門(mén)的兩側(cè)液壓缸的無(wú)桿腔與有桿腔通過(guò)管路相連通，同時(shí)切斷液壓缸與液壓?jiǎn)卧g的油路，在閘門(mén)自重的作用下，將有桿腔的液壓油直接壓入無(wú)桿腔中，隨之液壓缸缸體下降，從而實(shí)現(xiàn)關(guān)閉閘門(mén)的操作。

液壓缸中有桿腔與無(wú)桿腔存在容積差，閘門(mén)關(guān)閉過(guò)程中，無(wú)桿腔中會(huì)產(chǎn)生一定負(fù)壓，為保證閘門(mén)平穩(wěn)關(guān)閉，在無(wú)桿腔總油路上再設(shè)置了獨(dú)立的補(bǔ)油回路及單向閥與液壓油箱相連，當(dāng)無(wú)桿腔產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)，來(lái)自油箱的液壓油可通過(guò)此油路補(bǔ)入無(wú)桿腔中。

另外，在兩側(cè)液壓缸有桿腔總油路上設(shè)置一個(gè)流量調(diào)節(jié)閥，用于控制閘門(mén)整體下降速度，防止過(guò)速下降，沖擊底檻；在有桿腔支路上，各設(shè)置1 個(gè)流量調(diào)節(jié)閥，應(yīng)對(duì)由于閘門(mén)兩側(cè)運(yùn)行阻力不同而導(dǎo)致兩側(cè)液壓缸產(chǎn)生同步誤差時(shí)，通過(guò)單獨(dú)調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)液壓缸的下降速度，來(lái)控制、修正兩側(cè)液壓缸的同步誤差值，防止閘門(mén)因門(mén)體傾斜過(guò)度，在門(mén)槽中卡死。

將上述功能閥件組成的應(yīng)急手動(dòng)操作閥組，制作成一體式閥塊，安裝在液壓站內(nèi)的液壓?jiǎn)卧拖渑?，便于與液壓缸油管連接及切換操作且不受環(huán)境天氣影響。2 套啟閉機(jī)，各配置1 套應(yīng)急手動(dòng)操作閥組，其中一處為3 孔閘門(mén)共用一套，另一處為2 孔閘門(mén)共用一套。實(shí)際操作時(shí)，通過(guò)切換管路球閥，來(lái)選擇需要被操作的閘門(mén)。

圖1 3 孔液壓?jiǎn)㈤]機(jī)改造液壓原理

3.3 閥組選型配置說(shuō)明

該應(yīng)急操作閥組主要組成為有桿腔微調(diào)節(jié)流閥、有桿腔總節(jié)流閥、板式高壓球閥及無(wú)桿腔補(bǔ)油管路等。應(yīng)急自重閉門(mén)過(guò)程中，門(mén)體兩側(cè)因運(yùn)行阻力不同，形成雙缸同步誤差，由于此時(shí)PLC 不參與液壓缸速度調(diào)節(jié)且閘門(mén)寬度大（14 m），也不能依靠門(mén)體剛性同步雙缸，只能通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)流閥的方式來(lái)控制雙缸下降速度，這就要求閘門(mén)自重關(guān)閉速度不宜過(guò)快。根據(jù)實(shí)際工況條件，將閉門(mén)速度控制在0.3 m/min 以?xún)?nèi)較為合適。

閘門(mén)自重47 t，應(yīng)急閉門(mén)過(guò)程中，需要利用閘門(mén)自重克服閉門(mén)阻力。根據(jù)目前的正向引水工況，閉門(mén)阻力主要為閘門(mén)滾輪及止水帶的摩擦力，并且大小與水庫(kù)內(nèi)外水頭差及庫(kù)外潮位成正比。當(dāng)閘門(mén)自重與閉門(mén)阻力的差值接近0 時(shí)，閘門(mén)將無(wú)法依靠自重下降了。根據(jù)估算及近10年的運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)，正向引水工況下，有桿腔中產(chǎn)生的壓力范圍約為2～4 MPa，由此可見(jiàn)，有桿腔壓力最小富余值為2 MPa。所以在閥件選型時(shí)，油路上所有閥件產(chǎn)生的壓降越小越好。根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，這里設(shè)定不超過(guò)1 MPa。

（1）有桿腔微調(diào)節(jié)流閥的選擇。根據(jù)自重閉門(mén)速度，單支油缸產(chǎn)生的回油量。其中，D 為液壓缸的缸徑，為3 dm；d 為液壓缸的桿徑，為1.4 dm；V 為液壓缸運(yùn)行速度，為3 dm/min。

計(jì)算得，回油量為16.5 L/min。選型時(shí)還需考慮調(diào)節(jié)圈數(shù)及調(diào)節(jié)反應(yīng)速度，選型太小，調(diào)節(jié)反應(yīng)太過(guò)靈敏；反之則太遲鈍。參考力士樂(lè)DV 系列節(jié)流閥的工作曲線，最終選用DV12 規(guī)格的節(jié)流閥，在16.5 L/min 的工作流量，調(diào)節(jié)穩(wěn)定圈數(shù)設(shè)定在6 圈，壓降約為0.5 MPa。

（2）有桿腔總節(jié)流閥的選型。液壓缸單支回油量為16.5 L/min，有桿腔總回油量則為33 L/min。參考力士樂(lè)DV 系列節(jié)流閥的工作曲線，選用DV16 規(guī)格的節(jié)流閥，調(diào)節(jié)圈數(shù)設(shè)定在6 圈，壓降約為0.33 MPa。

（3）其余切斷用球閥均選用DN20 通徑，低流量壓降可忽略不計(jì)。支管節(jié)流閥與總節(jié)流閥一共產(chǎn)生的壓降約為0.8 MPa，低于1 MPa。

（4）無(wú)桿腔補(bǔ)油管路。閉門(mén)過(guò)程中，單支液壓缸所產(chǎn)生的補(bǔ)油量為有桿腔與無(wú)桿腔的容積差其中，d 為液壓缸的桿徑，為1.4 dm；V為液壓缸運(yùn)行速度，為3 dm/min。則計(jì)算得補(bǔ)油量為4.6 L/min，2 支油缸總補(bǔ)油量為9.2 L/min。補(bǔ)油油管通徑計(jì)算公式。其中，V0為補(bǔ)油管的流速，一般取1 m/min。則D0為14 mm，實(shí)際選DN25 油管，直接油箱放油閥處DN25 通徑球閥連接，滿(mǎn)足閉門(mén)補(bǔ)油要求。

3.4 操作流程

結(jié)合液壓原理圖，以應(yīng)急關(guān)閉1#閘門(mén)為例：

（1）關(guān)閉閘門(mén)與液壓?jiǎn)卧g的球閥1（3 個(gè)）。

（2）打開(kāi)閘門(mén)與應(yīng)急閉門(mén)操作閥組之間的球閥2（3 個(gè)）。

（3）將有桿腔微調(diào)節(jié)流閥（2 個(gè)），與有桿腔總節(jié)流閥，調(diào)節(jié)圈數(shù)至6。

（4）先打開(kāi)板式高壓球閥3（2 個(gè)），再緩慢打開(kāi)板式高壓球閥6，閘門(mén)開(kāi)始下降。

（5）當(dāng)出現(xiàn)雙缸同步誤差時(shí)，可以選擇液壓缸相對(duì)應(yīng)的有桿腔微調(diào)節(jié)流閥4 進(jìn)行調(diào)節(jié)：下降速過(guò)快，順時(shí)針旋轉(zhuǎn)減小流量；下降速度過(guò)慢，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)增大流量。微調(diào)節(jié)流閥調(diào)整幅度為0.5 圈/次，由于閘門(mén)整體下降速度較慢，速度變化略有滯后，所以每次調(diào)節(jié)完0.5 圈后，可以先觀察一段時(shí)間，速度穩(wěn)定之后，再進(jìn)行下一次調(diào)節(jié)。

（6）閘門(mén)關(guān)閉到位之后，立即復(fù)位操作閥組，避免影響下一扇閘門(mén)的操作。關(guān)閉板式高壓球閥6 與板式高壓球閥3（2 個(gè)），關(guān)閉球閥2（3 個(gè)），打開(kāi)球閥1（3 個(gè)）。

4 總結(jié)

上游取水閘門(mén)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)應(yīng)急閉門(mén)改造方案實(shí)施后，在多種工況下，進(jìn)行了反復(fù)測(cè)試，效果良好，完全滿(mǎn)足操作簡(jiǎn)便、迅速、有效、安全的技術(shù)要求。同時(shí)，通過(guò)對(duì)運(yùn)行操作人員的相關(guān)培訓(xùn)。定期開(kāi)展閘門(mén)應(yīng)急閉門(mén)操作演練，以確保運(yùn)行操作人員在應(yīng)對(duì)上游取水閘門(mén)引水期間突發(fā)水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)候，能夠準(zhǔn)確、熟練地實(shí)施應(yīng)急措施。