大型泵站常用斷流方式分析

朱佳佳，劉 斌

（江蘇省駱運(yùn)水利工程管理處，江蘇宿遷 223800）

0 引言

大型泵站斷流方式根據(jù)機(jī)組結(jié)構(gòu)和泵站出水流道不同，一般常用快速門斷流、真空破壞閥斷流、拍門斷流、蝶閥斷流等方式，快速門斷流又分為卷揚(yáng)式快速門斷流和液壓快速門斷流。本文通過論述卷揚(yáng)式快速門、液壓快速門和真空破壞閥斷流方式的工作原理，分析比較各種斷流方式的利弊和應(yīng)用范圍，闡述合理地選擇泵站斷流方式可以保障工程安全運(yùn)行，提高泵站工程效益，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)水資源的合理利用，希望能為相關(guān)工作人員帶來參考。

1 泵站出水流道

大型泵站出水流道是從水泵導(dǎo)葉體出口到上游出水池之間的管道段流道。出水流道管道段部分，常見有虹吸管式和直管式2 種[1]。虹吸式出水流道是目前國內(nèi)采用較多的一種型式，其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、土建工程量大，施工較困難，對(duì)上游水位變化幅度有要求；但流速小、水頭損失較小、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低、運(yùn)行成本較經(jīng)濟(jì)。直管式出水流道結(jié)構(gòu)簡單，施工方便，啟動(dòng)揚(yáng)程較低，但啟閉設(shè)施運(yùn)行期維保養(yǎng)工作量較大。

2 泵站斷流方式

大型泵站直管式出水流道常采用快速門斷流，快速門分為卷揚(yáng)式和液壓式2種，虹吸式出水流道常采用真空破壞閥斷流。

2.1 卷揚(yáng)式快速門

水利工程中常見的卷揚(yáng)式啟閉機(jī)通過電機(jī)、減速機(jī)、齒輪組將動(dòng)力傳遞到鋼絲繩卷筒、聯(lián)軸器上，從而保證聯(lián)軸器兩側(cè)的鋼絲繩卷筒同步運(yùn)行實(shí)現(xiàn)閘門提升。當(dāng)閘門提高至全開位時(shí)，高限位行程開關(guān)斷開，電機(jī)失電，電磁剎車線圈失電，剎車抱死，閘門靜止。當(dāng)機(jī)組停機(jī)時(shí)，需聯(lián)動(dòng)閘門下落至全關(guān)位以斷流，此時(shí)電磁剎車線圈帶電，解除制動(dòng)，閘門在重力的作用下帶動(dòng)鋼絲繩卷筒、聯(lián)軸器、減速機(jī)、電機(jī)旋轉(zhuǎn)，從而將閘門落至全關(guān)位。以徐州睢寧境內(nèi)的沙集站的快速門為例，其動(dòng)力主回路、控制回路分別如圖1（a）～（b）所示。

圖1 快速門電路原理圖

通過現(xiàn)場手動(dòng)和開停機(jī)聯(lián)動(dòng)2種方式來提落門控制。1KA 線圈帶電，電機(jī)運(yùn)行通過減速機(jī)、齒輪組、連軸器帶動(dòng)鋼絲繩卷筒將閘門提升，同時(shí)電磁剎車的限位開關(guān)延時(shí)閉合后，電磁剎車吸持器線圈Q帶電，解除制動(dòng)，當(dāng)閘門提至全開位時(shí)，閘門上限位SL1斷開，閘門啟門回路斷開，電磁剎車吸持器線圈Q失電，制動(dòng)抱死。閘門啟門回路與落門回路通過2KA常閉觸點(diǎn)、1KA常閉觸點(diǎn)互為電氣閉鎖。2KA線圈帶電，電磁剎車吸持器線圈Q帶電，解除制動(dòng)，閘門在重力的作用下帶動(dòng)鋼絲繩卷筒旋轉(zhuǎn)落門。在閘門下落過程中，離心剎車起到抑制閘門下落速度失控的作用，當(dāng)閘門落至全關(guān)位時(shí)，閘門下限位SL2斷開，閘門落門回路斷開，電磁剎車吸持器線圈Q 失電，制動(dòng)抱死。通過開關(guān)柜的轉(zhuǎn)換開關(guān)節(jié)點(diǎn)NK和主機(jī)斷路器的QF常開觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)開機(jī)聯(lián)動(dòng)閘門提升；通過主機(jī)斷路器的QF常閉觸點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)主機(jī)停機(jī)聯(lián)動(dòng)閘門落門。在未操作閘門和動(dòng)力電失電的情況下，電磁剎車剎車抱死，閘門靜止。

2.2 液壓閘門

液壓閘門與卷揚(yáng)式快速門類似，最重要的區(qū)別是卷揚(yáng)式快速門是通過電機(jī)和機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)閘門的開啟和關(guān)閉；而液壓閘門動(dòng)力部分是由液壓泵把原動(dòng)機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體壓能。其中液壓缸為主體部分，油泵、電動(dòng)機(jī)、油箱、濾油器、液壓控制閥組合為動(dòng)力和控制總成。高壓油泵將油箱中的油加壓后通過控制相應(yīng)的電磁閥通斷，將壓力油輸送到兩端液壓鋼中的有桿腔內(nèi)，從而推動(dòng)活塞桿帶動(dòng)閘門向上做直線運(yùn)動(dòng)，在活塞上升的過程中無桿腔中的液壓油被推至回油母管直至返回油箱中。在落門時(shí)，通過控制電磁閥，導(dǎo)通插裝閥，將有桿腔中的壓力油直接釋放到油箱中，完成泄壓；閘門在自重的情況下快速落門，同時(shí)補(bǔ)油箱將向無桿腔補(bǔ)油。只需要接通電動(dòng)機(jī)的電源，在液壓系統(tǒng)的控制下，液壓缸內(nèi)的活塞體內(nèi)壁做軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)連接在活塞上的連桿和閘門做直線運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到開啟、關(guān)閉孔口的目的。以南水北調(diào)藺家壩泵站的液壓快速門的控制系統(tǒng)為例，其液壓系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 液壓閘門系統(tǒng)原理圖

大型泵站使用的液壓快速閘門的控制除了完成基本的提門、落門外，還要對(duì)閘門同步進(jìn)行檢測，即通過傳感器和PLC控制系統(tǒng)全程檢測2只液壓缸的行程偏差[2]。當(dāng)偏差值超過設(shè)定值后，通過導(dǎo)通相應(yīng)的電磁閥調(diào)節(jié)有桿腔進(jìn)、出油量，使雙缸行程趨于同步。同時(shí)，該液壓控制系統(tǒng)還有完善保護(hù)、壓力保護(hù)、油位保護(hù)、油溫保護(hù)、濾清器堵塞報(bào)警為日常管理帶來安全與便捷，其快速工作閘門與事故檢修閘門互為備用，當(dāng)任一孔快速閘門閉門故障時(shí)，液壓控制系統(tǒng)發(fā)出快速閉門信號(hào)給事故檢修閘門控制系統(tǒng)，相對(duì)應(yīng)的事故檢修閘門快速閉門。

2.3 真空破壞閥

電磁式真空破壞閥主要由空氣腔、水腔、主電磁操作機(jī)構(gòu)、副電磁操作機(jī)構(gòu)及控制箱組成，如圖3所示[3]。其空氣腔與大氣相通，水腔與流道相通。當(dāng)電磁操作機(jī)構(gòu)斷電時(shí)，真空破壞閥打開，當(dāng)電磁操作機(jī)構(gòu)得電時(shí)，真空破壞閥關(guān)閉。在正常情況下，真空破壞閥是處于常開位，這時(shí)流道與大氣是相通的，破壞了虹吸形成的條件，隔離泵站上下游水流。當(dāng)機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，流道內(nèi)充滿水流，空氣被水流擠壓攜帶，真空破壞閥這時(shí)仍然為打開狀態(tài)，起到給流道排氣的作用。數(shù)秒鐘后當(dāng)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定時(shí)，閥門電氣控制模塊通電，主、副電磁操作機(jī)構(gòu)在電磁鐵的吸力作用下帶動(dòng)閥軸快速移動(dòng)，閥瓣和閥座相密封，真空破壞閥關(guān)閉，形成虹吸現(xiàn)象[4]，該工況能夠起到減小水泵揚(yáng)程、提高水泵效率、節(jié)約能耗的作用。當(dāng)機(jī)組停機(jī)時(shí)，通過斷路器的常開輔助觸點(diǎn)聯(lián)動(dòng)真空破壞閥，使電磁操作機(jī)構(gòu)斷電，電磁鐵分離；在蓄能彈簧的作用下，閥軸快速移動(dòng)復(fù)位，閥瓣和閥座相分離，真空破壞閥打開，大氣進(jìn)入流道，破壞虹吸效應(yīng)，上下游水流被阻斷。

圖3 真空破壞閥系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 特點(diǎn)分析

3.1 卷揚(yáng)式快速門優(yōu)缺點(diǎn)

卷揚(yáng)式快速門在結(jié)構(gòu)與外形上與節(jié)制閘普遍使用的卷揚(yáng)式啟閉機(jī)類似，機(jī)械方面較為成熟[5]，故障較少，但由于電氣方面的限位開關(guān)較多，電氣控制方面的故障較為常見；另一個(gè)缺點(diǎn)是閘門下落速度較慢，特別是配合高揚(yáng)程泵站使用時(shí)，由于長時(shí)間的上游水在機(jī)組停機(jī)后倒流沖刷葉輪引起長時(shí)間倒轉(zhuǎn)[6]，給機(jī)組的泵軸、軸瓦、電機(jī)帶來危害。另外，卷揚(yáng)式啟閉機(jī)日常的維護(hù)保養(yǎng)工作量較大，給管理人員帶來較大壓力，需要一定的經(jīng)費(fèi)支持。目前大型泵站在設(shè)計(jì)時(shí)更傾向于其他形式的斷流方式。優(yōu)點(diǎn)是流道較短，施工時(shí)節(jié)省土建成本；機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)揚(yáng)程低，啟動(dòng)過程時(shí)間較短。

3.2 液壓閘門優(yōu)缺點(diǎn)

液壓閘門結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)平穩(wěn)，承載能力大、緩沖性能好，液壓元件標(biāo)準(zhǔn)化，易防過載、安全可靠；流道較短，施工時(shí)節(jié)省土建成本；機(jī)組啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)揚(yáng)程低，啟動(dòng)過程時(shí)間較短。其缺點(diǎn)是液壓缸與活塞桿配合精度要求高，加工成本高，密封老化易滲油，增加管理運(yùn)行人員日常養(yǎng)護(hù)工作。

3.3 真空破壞閥優(yōu)缺點(diǎn)

電磁式真空破壞閥結(jié)構(gòu)簡單、檢修便利，機(jī)構(gòu)控制簡單、可靠，針對(duì)唯一可能的電磁操作機(jī)構(gòu)的故障，還設(shè)計(jì)了開閥操作手柄和應(yīng)急錘敲破觀察孔的方式作為緊急備用方式[7]，通過上述3 種方式完成斷流。缺點(diǎn)是真空破壞閥需要與虹吸式出水流道相配套安裝，要求安裝高于出水側(cè)最高運(yùn)行水位，出水口必須低于運(yùn)行的最低水位，受上游水位變化幅度約束較大[8]。虹吸式流道設(shè)計(jì)較復(fù)雜，施工較困難，土建施工成本較大，機(jī)組啟動(dòng)揚(yáng)程偏高，管道有排氣形成真空過程，啟動(dòng)時(shí)間較長。

4 結(jié)束語

大型泵站機(jī)組斷流方式的選擇受水泵機(jī)組結(jié)構(gòu)和泵站出水流道方式限制，通過綜合考慮和經(jīng)濟(jì)比較，選擇最為合理的方式。通過卷揚(yáng)式快速門、液壓閘門、真空破壞閥斷流方式相互比較，真空破壞閥是這3種斷流方式中，無論電氣和機(jī)械都是最為簡單、可靠的。目前南水北調(diào)眾多泵站的斷流方式中，真空破壞閥斷流運(yùn)行口碑良好。因此，在大型泵站實(shí)際情況允許下，可以優(yōu)先選用真空破壞閥斷流方式。當(dāng)然，真空破壞閥斷流也可以進(jìn)行進(jìn)一步深入研究，縮斷啟動(dòng)時(shí)間，降低啟動(dòng)揚(yáng)程，保障機(jī)組啟動(dòng)更加平穩(wěn)運(yùn)行。