青草沙水庫取水閘門液壓啟閉機應急閉門改造

陳 敏

（上海城投原水有限公司，上海 200125）

1 取水閘門概況

位于上海長興島北側的青草沙水庫，是我國最大的蓄淡避咸河口江心水庫，能有效應對長江冬季咸潮和各類突發水污染事故，向中心城區供應安全、優質的長江原水。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）。取水閘東西方向設置5 孔潛孔式閘門，雙吊點平面定輪鋼制閘門。由于閘段跨度較長，配置2 套液壓啟閉機進行操作（倒掛式雙作用液壓缸啟閉機），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參數

表2 液壓啟閉機技術參數

2 存在問題

青草沙水庫上游取水閘門，利用庫內外潮位差開閘引水期間，應對長江沉船、江面油污、漂浮垃圾、水質污染及咸潮入侵等各類突發水質風險時，需要立即閉門避污避咸。在這個關鍵時刻，如果閘門操作設備液壓啟閉機發生以下情況：①啟閉機電氣元件故障，包括液壓泵電機、軟啟動、PLC 控制器等；②啟閉機液壓元件故障，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啟閉機設備供電跳閘、停電等，將無法進行閉門操作。取水閘門總寬70 m 進水流量巨大，避污避咸分秒必爭，等待專業維修人員趕至現場排故、搶修或恢復供電，時間上根本不允許。目前，針對上述常見故障，現有啟閉機設備未配置有效的應急操作功能。

因此，為了確保青草沙水庫的供水安全，降低水質事故風險，需要對現有閘門液壓啟閉機設備進行改造，使其在上述故障發生時，具備迅速、有效且安全地將取水閘門關閉的功能。

3 改造方案

3.1 技術要求

液壓啟閉機應急閉門改造必須以迅速、有效、安全為原則，結合閘門運行工況、現有啟閉機設備結構、功能及特性、操作人員的配置情況以及現場操作環境等因素綜合考慮，改造基本要求如下：①主要針對上游取水閘門正向引水常見工況；②手動操作方式，操作簡便，無需使用工具；③操作環境不受惡劣天氣影響；④無需額外液壓源，采用獨立液壓回路及元件；⑤閉門過程中，閉門速度及雙缸同步誤差可控制調節；⑥改造措施易于實施。

3.2 改造方案

上游取水閘門門體自重（每扇包括2 個液壓缸缸體、6 個懸臂滾輪等）約47 t，根據估算及10年的運行經驗，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、止水等閉門運行阻力。具體方案為：將被操作閘門的兩側液壓缸的無桿腔與有桿腔通過管路相連通，同時切斷液壓缸與液壓單元之間的油路，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，從而實現關閉閘門的操作。

液壓缸中有桿腔與無桿腔存在容積差，閘門關閉過程中，無桿腔中會產生一定負壓，為保證閘門平穩關閉，在無桿腔總油路上再設置了獨立的補油回路及單向閥與液壓油箱相連，當無桿腔產生負壓時，來自油箱的液壓油可通過此油路補入無桿腔中。

另外，在兩側液壓缸有桿腔總油路上設置一個流量調節閥，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，各設置1 個流量調節閥，應對由于閘門兩側運行阻力不同而導致兩側液壓缸產生同步誤差時，通過單獨調節對應液壓缸的下降速度，來控制、修正兩側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急手動操作閥組，制作成一體式閥塊，安裝在液壓站內的液壓單元油箱旁，便于與液壓缸油管連接及切換操作且不受環境天氣影響。2 套啟閉機，各配置1 套應急手動操作閥組，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。實際操作時，通過切換管路球閥，來選擇需要被操作的閘門。

圖1 3 孔液壓啟閉機改造液壓原理

3.3 閥組選型配置說明

該應急操作閥組主要組成為有桿腔微調節流閥、有桿腔總節流閥、板式高壓球閥及無桿腔補油管路等。應急自重閉門過程中，門體兩側因運行阻力不同，形成雙缸同步誤差，由于此時PLC 不參與液壓缸速度調節且閘門寬度大（14 m），也不能依靠門體剛性同步雙缸，只能通過手動調節節流閥的方式來控制雙缸下降速度，這就要求閘門自重關閉速度不宜過快。根據實際工況條件，將閉門速度控制在0.3 m/min 以內較為合適。

閘門自重47 t，應急閉門過程中，需要利用閘門自重克服閉門阻力。根據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，并且大小與水庫內外水頭差及庫外潮位成正比。當閘門自重與閉門阻力的差值接近0 時，閘門將無法依靠自重下降了。根據估算及近10年的運行記錄數據，正向引水工況下，有桿腔中產生的壓力范圍約為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，油路上所有閥件產生的壓降越小越好。根據實際操作經驗，這里設定不超過1 MPa。

（1）有桿腔微調節流閥的選擇。根據自重閉門速度，單支油缸產生的回油量。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 為液壓缸運行速度，為3 dm/min。

計算得，回油量為16.5 L/min。選型時還需考慮調節圈數及調節反應速度，選型太小，調節反應太過靈敏；反之則太遲鈍。參考力士樂DV 系列節流閥的工作曲線，最終選用DV12 規格的節流閥，在16.5 L/min 的工作流量，調節穩定圈數設定在6 圈，壓降約為0.5 MPa。

（2）有桿腔總節流閥的選型。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 系列節流閥的工作曲線，選用DV16 規格的節流閥，調節圈數設定在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。支管節流閥與總節流閥一共產生的壓降約為0.8 MPa，低于1 MPa。

（4）無桿腔補油管路。閉門過程中，單支液壓缸所產生的補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為液壓缸運行速度，為3 dm/min。則計算得補油量為4.6 L/min，2 支油缸總補油量為9.2 L/min。補油油管通徑計算公式。其中，V0為補油管的流速，一般取1 m/min。則D0為14 mm，實際選DN25 油管，直接油箱放油閥處DN25 通徑球閥連接，滿足閉門補油要求。

3.4 操作流程

結合液壓原理圖，以應急關閉1#閘門為例：

（1）關閉閘門與液壓單元之間的球閥1（3 個）。

（2）打開閘門與應急閉門操作閥組之間的球閥2（3 個）。

（3）將有桿腔微調節流閥（2 個），與有桿腔總節流閥，調節圈數至6。

（4）先打開板式高壓球閥3（2 個），再緩慢打開板式高壓球閥6，閘門開始下降。

（5）當出現雙缸同步誤差時，可以選擇液壓缸相對應的有桿腔微調節流閥4 進行調節：下降速過快，順時針旋轉減小流量；下降速度過慢，逆時針旋轉增大流量。微調節流閥調整幅度為0.5 圈/次，由于閘門整體下降速度較慢，速度變化略有滯后，所以每次調節完0.5 圈后，可以先觀察一段時間，速度穩定之后，再進行下一次調節。

（6）閘門關閉到位之后，立即復位操作閥組，避免影響下一扇閘門的操作。關閉板式高壓球閥6 與板式高壓球閥3（2 個），關閉球閥2（3 個），打開球閥1（3 個）。

4 總結

上游取水閘門液壓啟閉機應急閉門改造方案實施后，在多種工況下，進行了反復測試，效果良好，完全滿足操作簡便、迅速、有效、安全的技術要求。同時，通過對運行操作人員的相關培訓。定期開展閘門應急閉門操作演練，以確保運行操作人員在應對上游取水閘門引水期間突發水質風險的時候，能夠準確、熟練地實施應急措施。