锦屏二级闸坝弧形闸门控制原理及调试技术

赵海峰，呼继忠

（雅砻江流域水电开发有限公司锦屏水力发电厂，四川成都，610051）

0 概述

锦屏二级水电站主要由拦河闸坝、引水系统、尾部地下厂房三大部分组成，是一低闸、长隧洞、大容量引水式电站。拦河闸坝设有5孔溢洪道，每孔设1扇13 m×22 m弧形工作闸门，采用2×3 600 kN-11.95 m双吊点后拉式液压启闭机一门一机进行操作。每扇弧门的顶部设有一扇5 m×2.0 m舌瓣门，采用500 kN-2.5 m液压启闭机操作，用于排漂。拦河闸弧形工作闸门采用双缸液压机操作，额定启门力为3 600 kN，自重闭门，启门、闭门油缸活塞速度为0.45 m/min（可调）。

二级水库为日调节库容，其入库流量由锦屏一级电站的出库流量决定，同时承担了下游河段生态流量以及机组运行调节流量的任务。水库入库流量大于机组发电流量与生态流量之和时，极易导致拦河闸坝溢流；水库入库流量小于机组发电流量与生态流量之和时，水位下降，影响机组出力，特别是汛期，入库流量变化幅度较大，锦屏二级闸坝闸门需要频繁启闭，操作的及时性和精确度要求较高。

1 拦河闸坝弧形闸门控制系统

拦河闸坝弧形闸门控制系统主要由液压泵站总成、拦河闸液压启闭机油缸总成、舌瓣门液压启闭机油缸总成、电气控制系统组成。

液压泵站由不锈钢油箱（含其附件）、两台油泵电机组、控制阀块等组成。拦河闸坝液压启闭机油缸头部和尾部采用球面滑动轴承分别与闸门和尾部简支式铰支座连接，可以使油缸双向摆动，液压缸有杆腔设有安全锁定阀块，内置原装进口溢流阀和液控单向阀。舌瓣门液压启闭机油缸采用两端铰支形式，通过销轴分别与舌瓣门和弧门上的支承座相连，液压缸无杆腔设有安全锁定阀块，内置原装进口溢流阀和液控单向阀，保证液压缸的安全锁定和自由摆动。

电气控制系统主要由控制柜、闸门开度传感装置、液压动力站及控制阀组组成，用于控制弧形闸门以及位于弧形闸门上的舌瓣门的启闭。动力站配备2台功率为45 kW的油泵电机。弧形闸门开度传感装置采用Rexroth力士乐产品CMS传感器，利用活塞杆母材表面加工出的均匀小齿槽进行位移检测，测得小齿槽磁场变化的脉冲信号,并将信号传输给电气控制装置,进而转换成油缸的位移量[1]。

2 弧形闸门同步纠偏控制

弧形闸门液压启闭机采取了带整流回路的双比例调速阀同步控制+常规调速器同步控制方式。弧形闸门液压缸有杆腔液压回路中设置了双回路比例调速阀（29.1、29.4）回路，用于控制液压缸活塞杆的伸缩速度即闸门的开启与关闭速度，同时双缸比例调速阀回路旁并联了常规调速阀回路（29.2、29.3），当比例调速阀出现故障时，即可打开对应的备用回路常闭球阀（30.2、30.3），使常规调速回路投入运行。舌瓣门的启闭为简单的单缸控制，不作讨论。液压控制简图（液压阀组部分）见图1。

图1 液压控制简图（液压阀组部分）Fig.1 Schematic diagram of the hydraulic control

闸门正常启闭时，左右缸比例调速阀都投入，安装在液压缸上的CMS传感器检测到左右油缸的活塞杆行程差达到其设定的纠偏起动值时，以开度较大的油缸为基准调节开度小的油缸。PLC反馈电信号至对应的调速阀比例电磁阀，改变比例电磁线圈的电流值来改变阀芯位置，连续比例地调整相应液压缸有杆腔进/回油量，从而使闸门左右吊点达到同步控制要求[2]。闸门同步控制原理图见图2。

若将一侧的比例调速阀切换到常规调速回路，另一侧仍为比例调速阀回路时，自动控制系统会以常规调速回路开度信号为基准，根据左右缸行程偏差值自动调节另一侧的比例调速阀。

若两侧均切为常规调速回路，PLC不参与控制，泵的启停、建压阀的控制、启门动作、闭门动作、常规调速阀的流量控制均需要人工操作。理想状态下，弧形闸门是否同步启闭可以通过左右缸有杆腔压力进行判断，当左右缸有杆腔压力相等时，闸门无偏移；当左右缸有杆腔压力不均时，受力大的油缸开度比受力小的油缸开度大，运行人员将通过有杆腔压力大小的比对，手动调节常规调速阀的流量。

图2 闸门同步控制原理图Fig.2 Principle of synchronic control of the gate

3 锦屏二级弧形闸门同步控制调试

双吊点液压启闭机闸门启闭动作时，同步控制一直是关键问题，由于闸门自重偏心、摩擦阻力、液压系统管路不对称、控制元件调节特性不一致、液压系统内部泄漏等原因，导致双缸不同步动作，可能引起闸门启闭出现震动、水封受力不均易损坏，严重时甚至出现启闭机停止工作，闸门无法正常启闭等问题[3]。

在锦屏二级闸坝弧形闸门调试过程中，发现某闸门在启门同步控制过程中，油缸有杆腔压力表显示的左缸压力始终高于右缸压力，最大偏差达6 MPa，但开度多数时间显示左缸比右缸快1～5 mm左右，闭门同步控制过程中，油缸有杆腔压力表显示的左缸压力始终略高于右缸压力，在7 m左右压差开始加大，5～2 m左右达到最大，但开度开始显示左缸开度大于右缸开度，直至全关。经过反复试验，发现当保持右侧缸行程始终比左侧缸快6～10 mm时，两缸压力接近，甚至完全相同，但不同开度段需要右缸比左缸快的量值不同。

现场检查压力表计、开度传感器、比例调速阀等部件，未发现设备有问题。造成该结果是油缸支铰的安装偏差和弧门左右吊点制造偏差的综合结果、弧门门槽的安装偏差和弧门制造偏差的综合结果，不同开度时，两者间产生的启闭阻力不同。由于工期紧、任务重，现场采取了一种新的调试思路，以目前现有的闸门情况为基础，采用弧门适应门槽变化的调试方法，将弧门启闭曲线拟合门槽安装曲线，分段进行控制，即在启闭过程中的不同开度段，人为进行维持需要的不同的行程偏差，以保证闸门按照门槽曲线启闭。

闸门控制系统比例调速阀控制规律为：Y=A±XB，X=∣a-b∣。“+”为启门动作；“-”为闭门动作；“Y”为比例调速阀开口大小；A为比例调速阀预置开口大小；X为左右缸偏差值（a为左缸开度、b为右缸开度）；B为放大倍数，当偏差X大于纠偏启动值C时，比例调速阀按照控制规律进行纠偏，直至偏差小于纠偏复归值D，停止纠偏。为了维持左右缸压力基本相同，弧门启闭曲线拟合门槽安装曲线，使偏差X始终维持在某一定数值，保持在纠偏启动值C与纠偏复归值D之间，现采取以下方法进行调整控制：

（1）整个启闭过程中，为了维持闸门动作平缓，宜进行分段控制，不同的开度下采用不同的纠偏启动值及复归值；

（2）在某段开度下，为使左缸动作人为快于右缸时，设置不同的比例调速阀预置开口大小A，如:左缸预设值A1＞右缸预设值A2，当闸门动作时，左缸比例调速阀开口初始值大于右缸比例调速阀开口初始值，虽然控制系统进行纠偏，但在允许偏差范围内，左缸始终快于右缸动作。

（3）在某段开度下，为使左右缸偏差不致过大以及纠偏过大，设置合适的纠偏启动值、纠偏复归值，始终使左右缸偏差按照D＜a-b＜C、D＜b-a＜C其中的一个规律进行动作。

（4）当单比例调速阀、常规调速阀投入时，以常规调速阀为基准，按照闸门结构刚性以及现场试验情况，调节单比例调速阀预置开口、纠偏启动值、纠偏复归值，使左缸或右缸动作快一些，并保持一定的偏差，使弧门拟合门槽。

经过现场不断的启闭调试，最终确定以下程序参数（见表1、表2）。实际调试中，效果明显，左右缸压力接近，差值最多不超过2 MPa，闸门整体运行正常，并将该调试方法推广至其他闸门的调试中，得到了很好的效果。

表1 启门动作参数Table 1 Action parameters of the gate opening

表2 闭门动作参数Table 2 Action parameters of the gate closure

4 结语

液压启闭机采用比例调速阀同步控制是最常用的方法。锦屏二级电站闸坝闸门常速调速阀、比例调速阀均采用进口产品，同步精度和运行平稳性都得到了改善。一般情况下,单比例阀能满足控制系统同步要求,但双比例阀的同步控制性能更优，极大提高了弧门操作的可靠性、快速性及闸门开度控制的精度，提高了运行管理效率，满足现代电站“无人值班（少人职守）”的模式要求，为确保防洪度汛中大坝安全运行、机组保证出力提供了有力保障。

[1]熊绍钧，周鹏，李季川，方杨.水工闸门液压启闭机的同步控制实践与分析[J].液压气动与密封，2007（3）:17-20.

[2]王兴隆，邢春雨，韩师莲，李英杰.丰满大坝溢流闸门双液压缸同步控制方法[J].水电自动化与大坝监测，2012，36（3）:73-76.

[3]晏政，郑海英.双比例阀在乐昌峡水利枢纽工程液压系统中的应用[J].广东水利水电，2012（1）:125-126.