液壓傳動在水利水電工程中的應用

張博軒+羅紅英+白軍+姜梅

摘 要：液壓技術憑借其傳動效率高、工況穩定等優點被廣泛認可，在水利水電工程中的應用越來越普遍。文章以閘門啟閉機、水輪機調節（調速器、過速保護）為例，通過原理概述、列舉實例介紹液壓傳動技術在水利水電工程中的應用，并對其發展趨勢做出分析，為水利水電工程的發展提供參考。

關鍵詞：液壓傳動；水利水電工程；機組調節；液壓啟閉機

中圖分類號：TH137.9 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）26-0161-02

1 液壓傳動概述

液壓傳動是機械工程中常用的傳動方式之一。相比其他傳動方式，液壓傳動具有許多優點，如力矩大，輸出相同功率的情況下電動機的慣量是液壓馬達的50倍，而獲得相同的加速度電動機所需功率是液壓馬達的1.25倍；體積小、重量輕，液壓馬達的體積僅是電動機的1/20，重量僅是電動機的1/10；傳動簡單，液壓傳動可以將動力直接傳遞到目標位置，不需要中間環節的聯系[1]。

液壓傳動是水利水電工程中傳遞動力的主要方式，在閘門啟閉、升降船只、機組調節等方面發揮重要作用。液壓傳動在水利水電工程中的應用十分普遍，對其研究也有很多，其中多以液壓技術在啟閉機和機組調節中的應用研究為主，如李力強、張明松等對液壓啟閉機在水電站中的應用的研究[2][3]，通過液壓啟閉設備的應用實例，闡述了液壓傳動的優勢。唐江友針對過速保護應用的研究[4]，根據過速保護裝置在電站中的應用現狀和施工問題，討論了在今后的發展趨勢。這些研究為液壓技術應用到水利水電工程中做出巨大貢獻。啟閉機是水電站壩體上的常用設備，用于壩體閘門的升降，液壓啟閉機是采用液壓穿銷的方式控制多扇閘門，利用液壓缸的缸筒或活塞桿的伸縮來實現閘門吊耳的連接與分離，再通過起重機來實現閘門的升降[3]。在機組調節方面，當轉速超過允許范圍時，機械液壓過速保護系統會直接啟動液壓回路，觸動導葉接力器的開關，使活動導葉關閉，同時阻斷進水通路，使機組停止運轉[4]。調壓閥也是一種油壓控制裝置，通過油壓裝置控制調節閥接力器、導葉接力器動作，最終使導葉關閉[5]。

2 液壓技術在水利水電工程中的應用

作為一種高效的傳動方式，液壓傳動已經廣泛地應用到了水利水電工程的方方面面。這里僅以液壓啟閉機和調節保護液壓系統為例，舉例說明液壓技術在這些方面的應用。

2.1 在啟閉機中的應用

水利工程在啟閉閘門方面多采用液壓傳動的方式，良好的應用了液壓傳動的傳動比高、工作穩定、造價低的優點。在性能方面和經濟方面也有不可比擬的優勢，廣泛應用到我國各類水電站中。

大型水電站：如三峽水利工程中，選用的液壓啟閉機具有規格大、數量多、技術水平高、制造難度大等特點。這些液壓啟閉機都安裝在泄洪、通航、發電等關鍵部位，啟閉機的安全穩定運行直接關系到三峽工程的整體效益。為方便泄洪。在泄洪壩段，設置了有23個泄洪深孔和22個導流底孔的弧形工作閘門，這些閘門的啟閉均是由液壓傳動來實現的；為實現通航。三峽船閘每線閘首對稱布置中間支撐雙向擺動、雙作用、臥式安裝的液壓直聯式人字門液壓啟閉機，共有24臺。在每線船閘閘首兩側的閥門頂部布置下部銷軸豎缸式輸水閥門啟閉機，也是24臺[1]。在每線船閘閘首處設置一個液壓啟閉機機房，并在每個機房內設置一個泵站。人字門與輸水廊道反弧門共用一組液壓系統，不僅便于操縱控制，還能節省投資[6]。該液壓系統設置了傳感設備，并結合PLC自動控制，便與自我維護，實現安全運行，確保發電。三峽中有26臺水輪機發電機組的進水口裝有快速閘門，這些閘門的啟閉方式也采用液壓傳動。據統計，三峽水利工程液壓啟閉機共計120多臺，其中最大的啟門力矩達53100kN·m，最大閉門力矩為7800kN·m，相應的啟門力為4500kN，閉門力為500kN，最大工作行程為16m，最大液壓缸內徑為4800mm[1]。

中小型水電站：緊水灘水電站水輪機機組進水口快速閘門處裝有6臺液壓啟閉機，液壓缸布置在壩頂194m高程處，并在該處設置了液壓泵站，由6臺液壓缸共用。中孔、淺孔泄洪道工作弧門啟閉機各2臺，由于這4臺啟閉機相距較遠，所以在每臺啟閉機附近單獨設置泵站，分布在高程150m和177m處[7]。吉林省安圖縣兩江水電站，溢洪道的弧形閘門采用后拉式液壓啟閉機，可比弧門卷揚機節省投資30萬元[2]。

2.2 在水輪機調節的應用

機械液壓過速保護系統依靠壓力油對機械的一系列操作，消除自身對電力系統的依賴，提高了過速調節的效率，保證水電站的安全穩定運行。當機組轉速過高時，首先是調速器進行調節，如果調速器出現工作故障，轉速未能進行有效調節，轉速測量裝置會立即向過速保護裝置傳遞信號，使其關閉進水通路令機組停止運轉。液壓調節保護系統可以擺脫對電力的依賴，實用性強，應用范圍更廣。國內有多家水電站采用了液壓過速保護技術，如西霞院水電站、萬家寨水電站、龔嘴水電站、寶珠寺水電站、官地水電站等。

在2000年發生的銅子街水電站水輪機組飛逸事故后，安裝了機械液壓過速保護裝置，在后來的兩次過速中，成功實現了停機，避免了飛逸事故的發生[8]；黃河小浪底的西霞院水電站采用傳統過速保護與機械液壓過速保護系統相結合的方式，為發電機組提供雙重保護[4]。在幾次過速事故后，成功得到處理，官地水電站使用的是JXB機械液壓過速保護系統，是根據當地實際情況研發的一款產品，該裝置利用油壓裝置切換油路，實現了機組停止運行[9]。

3 發展趨勢

我國在《水利發展改革十三五規劃》中提出，將進一步完善水利基礎設施網絡，大力發展水利建設。液壓技術作為水利水電工程中重要的傳動方式，發展趨勢也是值得我們探討的。本文以液壓技術在啟閉機和機組保護這兩個方面為主，介紹液壓技術在未來的發展趨勢。

3.1 液壓技術在啟閉機中的發展趨勢endprint

隨著我國水電行業的迅猛發展，水電領域對于液壓啟閉機的需求量也越來越大，要求也越來越高，這也促進了液壓啟閉機的發展。其未來的發展趨勢主要與水電站的需求相結合，體現在以下幾個方面：

（1）向大型和超大型化發展[10]：當今，水電站正朝巨型水電站方向發展，例如三峽水利工程，裝機容量達2240萬千瓦；規劃中的雅江大拐彎水利工程，水頭高達2190米。這也反映了未來水電站會朝著巨型化方向發展，水頭高勢必會影響到閘門的高度，這也對未來液壓啟閉裝置所能承受的荷載提出了更高的要求，可以預見到液壓啟閉機會向大型化發展。

（2）應用廣泛化：近年來，我國液壓式啟閉機市場發展迅速，國家鼓勵液壓式啟閉機產業向高技術產業發展。在國際上啟閉機也露出了表面化、液壓化的發展方向。這都源于液壓式啟閉機的優點眾多：傳動平穩，結構簡單，易于實現自動化；液壓啟閉機的外形、單位和載重量比其他類型啟閉機要好；液壓元件可自主潤滑，效率高，壽命長；易于實現無級調速。

3.2 液壓技術在水輪機調節中的發展趨勢

（1）機電一體化。當液壓過速保護裝置完成保護任務后，需要依靠人工力量將裝置調回正常工作狀態，費時費力。隨著科技水平的發展，機械和電子技術的聯系越來越緊密，液壓系統在機組調節方面應該逐漸擺脫人力。液壓系統作為水電站中的主要傳動系統，需要與計算機技術、自動控制技術、傳感技術等電子技術協同工作，保證水電站穩定運行。

為了保證在轉速過高時能夠快速、準確的響應，對離心探測器、柱塞、切換閥之間的距離要求很高。大力發展微機電子技術對機件之間的校核成為該領域的發展方向。

減少油路控制環節，降低事故率，提高調節效率。

液壓油和油管的清潔問題，油路的通暢是保證液壓系統正常工作的重要條件。如何高效便捷地清理油路油管也是日后液壓系統研究進步的方向之一。

（2）液壓缸密封圈的改進。液壓缸密封圈具有維持壓力、防止漏油、阻擋外界異物進入液壓油中等作用。我們希望密封圈的使用壽命長、耐磨損、耐高溫，這也對其選材和制作提出了更高的要求。

3.3 液壓技術在其他方面的應用及發展趨勢

改變水輪機主軸槳葉的方向，可以調節水對的轉輪沖擊，調節轉速。槳葉的調節，也可以通過液壓的方式來實現。這種調節方式不需要電力支持，穩定可靠。液壓傳動在水利水電工程中應用廣泛，廠房中有專門的油路，用黃色表示。

總的來說，液壓裝置在水電水電工程中的主要發展趨勢有以下幾點：

（1）基礎學科的進步帶動技術的發展。基礎學科，尤其是材料科學的發展，越來越趨于與多種技術結合向一體化、智能化的發展，應用到了各個領域。材料科學的發展，使液壓裝置朝著結構簡單、體積小、耐高溫、耐磨損的方向發展；對于液壓油的選取，遵循粘度小、耐高溫、不易揮發、化學性質穩定的原則。現代液壓技術的發展與突破，很大程度上取決于基礎學科的發展，也為工業技術的未來帶來無限可能。

（2）人工智能化。人工智能是一門拓展人的思維、技術、方法的新興科學技術。液壓技術在水電站中的人工智能化是指，機器可以平穩、準確的完成調節、啟閉等任務，甚至可以實現自我維護，從而達到自主控制無人看守的目的。機械的人工智能化也是當今科技發展的一大趨勢。

4 結束語

（1）隨著水電站的巨型化，液壓啟閉機會朝大型化方向發展。由于傳動效率高、結構簡單、沒有特殊適用要求，使得液壓啟閉機適用于各類水電站，會廣泛應用道閘門啟閉中。

（2）過速保護裝置、調速器正常工作是機組穩定運行的重要保障，液壓系統因其穩定可靠、操作簡單的特點得到業內認可。除了要對密封圈、油路油管進行改進，機組調保中的液壓系統還可以與電子技術相結合，提高調節效率。

（3）液壓技術憑借其傳動效率高、運行穩定等優點，廣泛應用到水利水電工程當中。水電站是一項巨型工程，利用液壓傳遞能量充分體現在了各個方面，液壓傳動對于水電行業來講，現在需要，未來更是不可缺少。

（4）現代液壓技術的發展與突破，很大程度上取決于基礎學科的發展。

參考文獻：

[1]董必欽.三峽樞紐工程中的液壓啟閉機[J].液壓與氣動，1998（1）：3-6.

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[3]張明松，何旭若.水下液壓系統在水電站的應用[J].起重運輸機械，2007（8）：9-10.

[4]唐江友.水電站中機械液壓過速保護系統的應用分析[J].機電信息，2011（24）：73-74.

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