陳 敏
(上海城投原水有限公司,上海 200125)
位于上海長(zhǎng)興島北側(cè)的青草沙水庫,是我國(guó)最大的蓄淡避咸河口江心水庫,能有效應(yīng)對(duì)長(zhǎng)江冬季咸潮和各類突發(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。水庫上游取水閘門主要功能為非咸潮期自流引水入庫、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,雙吊點(diǎn)平面定輪鋼制閘門。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,另一套控制2孔閘門(表2)。
表1 取水閘工作閘門技術(shù)參數(shù)
表2 液壓?jiǎn)㈤]機(jī)技術(shù)參數(shù)
青草沙水庫上游取水閘門,利用庫內(nèi)外潮位差開閘引水期間,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突發(fā)水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)時(shí),需要立即閉門避污避咸。在這個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻,如果閘門操作設(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,將無法進(jìn)行閉門操作。取水閘門總寬70 m 進(jìn)水流量巨大,避污避咸分秒必爭(zhēng),等待專業(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關(guān)閉的功能。
液壓?jiǎn)㈤]機(jī)應(yīng)急閉門改造必須以迅速、有效、安全為原則,結(jié)合閘門運(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)上游取水閘門正向引水常見工況;②手動(dòng)操作方式,操作簡(jiǎn)便,無需使用工具;③操作環(huán)境不受惡劣天氣影響;④無需額外液壓源,采用獨(dú)立液壓回路及元件;⑤閉門過程中,閉門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。
上游取水閘門門體自重(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),在閘門正向引水的常見工況下,閘門自重足以克服來自滾輪、止水等閉門運(yùn)行阻力。具體方案為:將被操作閘門的兩側(cè)液壓缸的無桿腔與有桿腔通過管路相連通,同時(shí)切斷液壓缸與液壓?jiǎn)卧g的油路,在閘門自重的作用下,將有桿腔的液壓油直接壓入無桿腔中,隨之液壓缸缸體下降,從而實(shí)現(xiàn)關(guān)閉閘門的操作。
液壓缸中有桿腔與無桿腔存在容積差,閘門關(guān)閉過程中,無桿腔中會(huì)產(chǎn)生一定負(fù)壓,為保證閘門平穩(wěn)關(guān)閉,在無桿腔總油路上再設(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)無桿腔產(chǎn)生負(fù)壓時(shí),來自油箱的液壓油可通過此油路補(bǔ)入無桿腔中。
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,用于控制閘門整體下降速度,防止過速下降,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),通過單獨(dú)調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)液壓缸的下降速度,來控制、修正兩側(cè)液壓缸的同步誤差值,防止閘門因門體傾斜過度,在門槽中卡死。
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 孔閘門共用一套,另一處為2 孔閘門共用一套。實(shí)際操作時(shí),通過切換管路球閥,來選擇需要被操作的閘門。
圖1 3 孔液壓?jiǎn)㈤]機(jī)改造液壓原理
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、板式高壓球閥及無桿腔補(bǔ)油管路等。應(yīng)急自重閉門過程中,門體兩側(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)且閘門寬度大(14 m),也不能依靠門體剛性同步雙缸,只能通過手動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)流閥的方式來控制雙缸下降速度,這就要求閘門自重關(guān)閉速度不宜過快。根據(jù)實(shí)際工況條件,將閉門速度控制在0.3 m/min 以內(nèi)較為合適。
閘門自重47 t,應(yīng)急閉門過程中,需要利用閘門自重克服閉門阻力。根據(jù)目前的正向引水工況,閉門阻力主要為閘門滾輪及止水帶的摩擦力,并且大小與水庫內(nèi)外水頭差及庫外潮位成正比。當(dāng)閘門自重與閉門阻力的差值接近0 時(shí),閘門將無法依靠自重下降了。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,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1 MPa。
(1)有桿腔微調(diào)節(jié)流閥的選擇。根據(jù)自重閉門速度,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)太過靈敏;反之則太遲鈍。參考力士樂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)無桿腔補(bǔ)油管路。閉門過程中,單支液壓缸所產(chǎn)生的補(bǔ)油量為有桿腔與無桿腔的容積差其中,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,滿足閉門補(bǔ)油要求。
結(jié)合液壓原理圖,以應(yīng)急關(guān)閉1#閘門為例:
(1)關(guān)閉閘門與液壓?jiǎn)卧g的球閥1(3 個(gè))。
(2)打開閘門與應(yīng)急閉門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)先打開板式高壓球閥3(2 個(gè)),再緩慢打開板式高壓球閥6,閘門開始下降。
(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):下降速過快,順時(shí)針旋轉(zhuǎn)減小流量;下降速度過慢,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)),打開球閥1(3 個(gè))。
上游取水閘門液壓?jiǎn)㈤]機(jī)應(yīng)急閉門改造方案實(shí)施后,在多種工況下,進(jìn)行了反復(fù)測(cè)試,效果良好,完全滿足操作簡(jiǎn)便、迅速、有效、安全的技術(shù)要求。同時(shí),通過對(duì)運(yùn)行操作人員的相關(guān)培訓(xùn)。定期開展閘門應(yīng)急閉門操作演練,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。