孤山航電樞紐工程表孔弧形工作門側水封智能潤滑系統研究

孔劍 熊順鋒

摘要：

為有效解決泄水閘和大壩泄洪表孔弧形工作門啟閉時容易發生水封翻轉或損傷問題，研究了側水封智能潤滑系統的結構布置、工作流程及變頻恒壓技術，并將該系統應用于孤山航電樞紐工程表孔弧形工作門中。結果表明：側水封智能潤滑系統

解決了弧形工作門啟閉時的水面線以上側水封與止水座板無水干摩擦問題，延長了水封使用壽命，實現了側水封潤滑與閘門啟閉智能聯動控制。研究成果可為同類工程提供借鑒。

關鍵詞：

大壩泄流； 弧形工作門； 側水封； 潤滑； 孤山航電樞紐工程

中圖法分類號：TV663

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.S1.017

文章編號：1006-0081（2023）S1-0057-04

0 引 言

水利水電工程中，泄水閘和大壩的泄洪表孔常使用弧形工作門來調節水位并控制流量。為保證密封效果、控制漏水量，弧形工作門采用側水封與弧門側軌埋件上的不銹鋼止水座板配合止水。弧形工作門啟閉過程中，側水封與止水座板始終接觸，當閘門開啟至正常蓄水位以上時，側水封與止水座板處于無水干摩擦狀態。根據尤聿寧等［1］對水工閘門水封的摩擦特性研究，水介質對水封摩擦有很好的潤滑作用，普通水封的干摩擦系數為1.35～1.95，而清水中摩擦系數為0.40～0.60，濕摩擦系數只有干摩擦系數的30%。此外，側水封與止水座板的強烈干摩擦極易造成水封的翻轉或損傷，從而降低閘門整體的止水密封性能，縮短和減少水封的使用壽命，嚴重時還可能會造成閘門漏水量增加，出現安全隱患。

在目前的已建工程中，為避免表孔弧形工作門側水封與止水座板發生干摩擦，一般在弧形工作門開啟或關閉時，由人工取水對側水封和止水座板進行噴淋潤滑。這種方法費時費力，在遇到需緊急啟閉時無法做到及時潤滑。有些運管單位管理松懈，操作人員為避免麻煩甚至不經過噴淋潤滑而直接啟閉閘門。張步溪等［2］以蒼南縣朱家站排澇泄洪閘為例，研究了漏孔式噴水管閘門潤滑水控制系統。針對錦屏二級水電站攔河壩溢洪道表孔弧門，雷立超等［3］設計了側水封淋水系統，通過潛水深井泵從壩前水庫取水，在淋水管路上鉆孔噴淋止水座板。周江等［4］在梨園水電站溢洪道工作閘門中通過小孔對墻壁噴淋，使水流沿閘墻往下流至閘門水封及止水座板，達到潤滑目的。韋文藝［5］和吳燕勤［6］分別對亭子口水電站工程和曹娥江大閘樞紐工程中水封潤滑進行了研究。

針對目前已有的研究，水封潤滑多采用對淋水支管鉆孔使水流沿墻壁流至水封及止水座板上的方式，普遍存在淋水流量小、個別出口壓力不足、淋水不均勻或不到位等問題。為解決這些不足，本文研究了表孔弧形工作門側水封智能潤滑系統，并在孤山航電樞紐工程右區泄水閘弧形工作門上應用。

1 側水封智能潤滑系統

1.1 結構布置

側水封智能潤滑系統主要由水泵、電動球閥、噴頭以及潤滑水管路等組成。潤滑水管路布置采用總分的形式，從水源點（管理區生活用水或消防水管）布置埋設一根總供水母管，敷設至閘墩上各孔口啟閉機房內，通過連接支管與設置在啟閉機房內的水泵和電動球閥，潤滑水經過水泵后以恒定壓力引至弧形工作門側止水座板上方，引水管用管夾固定在閘墩側面，出水端安裝萬向直射噴頭，噴頭噴水口朝向弧形工作門止水座板。萬向直射噴頭［7-8］旋轉角度在0°～150°范圍內可調，噴射距離2～4 m，且不受8級以內風力影響，能夠盡可能大的覆蓋噴水范圍，確保潤滑效果，結構形式如圖1所示。為保證各出水口水壓不受沿程水頭損失影響，通過水泵變頻恒壓技術，使各出水口水壓恒定。圖2為表孔弧形工作門側水封智能潤滑系統結構布置。

1.2 變頻恒壓技術

考慮到某些工程泄水閘孔口數量多，供水母管跨度大、支管多，沿程水頭損失大，造成各出水口噴頭處水壓不均的問題，為保證潤滑效果，側水封智能潤滑系統采用變頻恒壓控制原理設計，通過變頻器控制電機的轉速，壓力傳感器反饋變頻器過程，達到自動恒壓的運行狀態，并通過通訊傳輸與控制，實現啟停運行、報警與故障指示，確保系統的運行安全。

1.2.1 變頻恒壓供水原理

傳統的供水常通過在高處設立蓄水箱、氣壓供水等手段來保證水壓，存在水壓不足、水源二次污染、功耗大、成本高、管道閥件易損、不易維護等問題［9］。變頻恒壓供水技術以管路水壓為參數，采用壓力傳感器監測管路中的水壓，壓力傳感器將監測到的信號傳輸至變頻器PID回路，通過PID運算后，反饋水量增加或減小的信號，自動調節水泵電機的轉動速度，使水壓始終恒等于設置的水壓［10-12］。當用水量增加時，輸出頻率升高，水泵電機的轉動速度加快；用水量減小時，輸出頻率降低，水泵電機的轉動速度相應減慢，供水量減小。這樣既可保證管路中的水壓，又可保證用水量，實現了用水與供水之間的平衡，提高供水效率。變頻恒壓供水原理如圖3所示。

1.2.2 變頻恒壓供水優勢

（1） 啟停平順。消除了傳統管道供水中的水錘效應［13］對水泵和電機的振動且沖擊小，有效延長了水泵和電機的使用壽命。

（2） 水壓恒定。傳統供水中，由于無法精準控制水壓，經常出現水壓過大造成供水管破壞或者共振現象，變頻恒壓技術能夠保持水壓恒定不變，根據水壓信號實時調整，自動控制水泵流量。

（3） 安全衛生。為了保證供水水壓，往往需要設置頂樓蓄水箱或者采用二次增壓設備，變頻恒壓技術減少了此項投資，并避免了對水源的污染。

（4） 高效節能。變頻恒壓技術可以讓水泵轉速自適應流量變化，水泵工作始終在高效區間，當檢測到流量為零時，自動啟動睡眠功能，水泵停機；流量增加后，水泵再次啟動工作，按需供水，節能效果明顯。

（5） 功能完善。系統具備過壓、欠壓、斷相、過流、過載、失速保護、低液位保護、瞬時停電保護等功能，功能齊全，智能化程度高。

（6） 自動化程度高。系統能夠按照設定的時間自動供水，分段供水，全自動控制與運行，不需要專人值守，控制系統具有故障報警功能，并且可以在工頻和變頻間轉換，緊急情況下也可實現供水。

（7） 占地小。變頻恒壓技術使整個系統布置緊湊，占地面積小，安裝也較為方便。

1.3 智能潤滑系統工作流程

表孔弧形工作門側水封智能潤滑系統既可作為閘門啟閉機控制系統的子系統進行聯動控制，也可以作為單獨的控制系統，與閘門啟閉機控制系統互相獨立，互不干擾。

作為子系統時，側水封潤滑由表孔弧形工作門液壓啟閉機控制系統實現整體控制。當弧形工作門準備開啟或者關閉時，液壓啟閉機控制系統［14-15］的控制柜向電動球閥發出信號，控制電動球閥打開，噴頭開始噴水，給側止水座板及弧形工作門上的橡皮水封加水潤滑，延時1 min后，弧形工作門開始動作。當弧形工作門停止運動時，液壓啟閉機控制系統的控制柜向電動球閥發信號，控制電動球閥關閉，噴頭停止噴水，停止潤滑。控制流程如圖4所示。

作為獨立控制系統時，該系統包括閘門啟閉傳感器、信號接收裝置、信號處理裝置和控制器，其中，閘門啟閉傳感器安裝在弧形工作門或液壓啟閉機上，信號接收裝置的信號輸入端與閘門啟閉傳感器的信號輸出端連接，用于接收閘門啟閉傳感器的信號。信號處理裝置用于處理接收到的信號并輸出給控制器，控制器的信號輸出端分別與電動球閥、水泵以及噴頭的控制端連接，控制電動球閥、水泵的開啟以及噴頭的旋轉。控制流程如圖5所示。當弧形工作門開啟時，置于弧形工作門上的閘門啟閉傳感器接收到閘門開啟的信號，將信號傳遞給信號接收裝置，再輸出到信號處理裝置，經處理后傳送到控制器，由控制器控制電動球閥打開，噴頭開始噴水，給橡皮水封加水潤滑；當弧形工作門停止運動時，閘門啟閉傳感器發出關閉信號，控制器控制電動球閥關閉，噴頭停止噴水潤滑。

表孔弧形工作門側水封智能潤滑系統無論作為獨立控制系統還是整體控制系統的一部分，均可實現手動控制。當弧形工作門液壓啟閉機控制系統不工作時，也可以手動控制噴頭的旋轉角度和流量大小，對止水座板及水封進行潤滑。

2 孤山航電樞紐工程應用實例

2.1 工程概況

孤山航電樞紐工程位于漢江干流夾河到丹江口樞紐回水末端河段內，主要開發任務是發電和航運，其次為防洪、水資源保護、水土保持和灌溉等。根據工程的開發任務和功能要求，樞紐主要由擋水建筑物、泄水建筑物、電站廠房、通航建筑物及過魚建筑物等組成。

泄水建筑物分左、右兩區，共布置18個敞孔型式的孔口，其中左區布置7孔（平面工作門）、右區布置11孔（弧形工作門）。孤山航電樞紐工程承擔壩址下游防洪任務，水庫調洪以減少庫區淹沒影響、確保樞紐本身防洪安全為前提，當小流量（Q≤3 000 m3/s）通航情況下，電站機組先過流，再均勻逐步開啟右區11孔泄水閘；當12 000≥Q>3 000 m3/s不通航時，可使用左、右兩區18孔泄水閘泄洪；當Q>12 000 m3/s，機組停機，全部18孔泄水閘泄洪。左區順水流向分別布置有平面事故檢修門和平面工作門，右區布置有平面事故檢修門和弧形工作門。

右區泄水閘位于縱向圍堰及電站廠房之間河床中心洲上，溢流前沿長207 m，共11孔，包括上游進水渠、泄水閘、消力池及下游出水渠4個部分。右區工作門為弧形門，按一孔一機設置，孔口寬15 m，露頂布置。正常蓄水位177.23 m，設計水頭19.13 m，底坎高程158.10 m，支鉸高程179.10 m，弧面半徑27.00 m，閘門為雙主橫梁，斜支臂，雙吊點，支鉸型式為球鉸，由2×3 600 kN液壓啟閉機控制操作。閘門動水啟閉，可以局部開啟以調節過閘流量，一旦水位高于正常蓄水位，閘門全開敞泄。

2.2 弧形工作門側水封智能潤滑系統

孤山右區泄水閘弧形工作門側水封智能潤滑系統將管理區生活消防用水作為水源點，通過1根總的供水母管和11根支管敷設至閘頂各啟閉機房內，經水泵和電動球閥后將潤滑水以恒定壓力送至萬向直射噴頭，供水母管布置于壩頂門機下游軌道下游側電纜管溝內，管道布置如圖6所示。為方便工作人員對噴頭進行檢修、調整，噴頭設置在側止水座板上方距離門機平臺1.20 m的位置，噴水口朝向側止水座板，噴水范圍能夠覆蓋死水位175.00 m高程以上的側止水與止水座板的接觸范圍，見圖7。

弧形工作門啟閉機液壓泵站、電控柜、電動球閥和水泵均布置在閘頂啟閉機房內，電控柜的信號輸出端與電動球閥、水泵、液壓泵站的控制端連接，實現側水封潤滑與弧形工作門啟閉一體化整體聯動控制。系統初步設計側水封潤滑1 min后弧形工作門開始動作，后期根據實際潤滑效果對潤滑時間進行調整，以保障弧形工作門動作前側水封處于充分潤滑狀態，保護水封，減小啟閉過程中的摩阻力。

3 結 論

（1） 表孔弧形工作門側水封智能潤滑系統可以有效減小側水封與止水座板之間的摩擦，保證閘門始終處于安全穩定的運行工況，大大延長側水封的使用壽命，節約側水封維護更新的安裝、采購成本。

（2） 通過控制系統設置，表孔弧形工作門側水封的潤滑過程與閘門啟閉操作相結合，實現了自動化、智能化、聯動化，側水封智能潤滑系統既可以遠程獨立控制，又可以與閘門啟閉聯動控制。

（3） 表孔弧形工作門側水封智能潤滑系統幾乎不需要人為操作，大大減少了人工取水對閘門水封潤滑的工作量，同時降低了由于水封發生破壞而引起閘門漏水的風險。

（4） 表孔弧形工作門側水封智能潤滑系統同樣適用于其他各類型閘門水封的潤滑，其結構簡單、直接成本和間接成本低、施工方便、經濟效果顯著，可為水利水電工程中各類型閘門的水封潤滑提供借鑒。

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