青草沙水库取水闸门液压启闭机应急闭门改造

陈 敏

（上海城投原水有限公司，上海 200125）

1 取水闸门概况

位于上海长兴岛北侧的青草沙水库，是我国最大的蓄淡避咸河口江心水库，能有效应对长江冬季咸潮和各类突发水污染事故，向中心城区供应安全、优质的长江原水。水库上游取水闸门主要功能为非咸潮期自流引水入库、咸潮期抢引淡水（表2）。取水闸东西方向设置5 孔潜孔式闸门，双吊点平面定轮钢制闸门。由于闸段跨度较长，配置2 套液压启闭机进行操作（倒挂式双作用液压缸启闭机），其中一套控制3 孔闸门，另一套控制2孔闸门（表2）。

表1 取水闸工作闸门技术参数

表2 液压启闭机技术参数

2 存在问题

青草沙水库上游取水闸门，利用库内外潮位差开闸引水期间，应对长江沉船、江面油污、漂浮垃圾、水质污染及咸潮入侵等各类突发水质风险时，需要立即闭门避污避咸。在这个关键时刻，如果闸门操作设备液压启闭机发生以下情况：①启闭机电气元件故障，包括液压泵电机、软启动、PLC 控制器等；②启闭机液压元件故障，包括液压泵、电磁溢流阀、换向阀、纠偏阀、液控单向阀及顺序阀等；③启闭机设备供电跳闸、停电等，将无法进行闭门操作。取水闸门总宽70 m 进水流量巨大，避污避咸分秒必争，等待专业维修人员赶至现场排故、抢修或恢复供电，时间上根本不允许。目前，针对上述常见故障，现有启闭机设备未配置有效的应急操作功能。

因此，为了确保青草沙水库的供水安全，降低水质事故风险，需要对现有闸门液压启闭机设备进行改造，使其在上述故障发生时，具备迅速、有效且安全地将取水闸门关闭的功能。

3 改造方案

3.1 技术要求

液压启闭机应急闭门改造必须以迅速、有效、安全为原则，结合闸门运行工况、现有启闭机设备结构、功能及特性、操作人员的配置情况以及现场操作环境等因素综合考虑，改造基本要求如下：①主要针对上游取水闸门正向引水常见工况；②手动操作方式，操作简便，无需使用工具；③操作环境不受恶劣天气影响；④无需额外液压源，采用独立液压回路及元件；⑤闭门过程中，闭门速度及双缸同步误差可控制调节；⑥改造措施易于实施。

3.2 改造方案

上游取水闸门门体自重（每扇包括2 个液压缸缸体、6 个悬臂滚轮等）约47 t，根据估算及10年的运行经验，在闸门正向引水的常见工况下，闸门自重足以克服来自滚轮、止水等闭门运行阻力。具体方案为：将被操作闸门的两侧液压缸的无杆腔与有杆腔通过管路相连通，同时切断液压缸与液压单元之间的油路，在闸门自重的作用下，将有杆腔的液压油直接压入无杆腔中，随之液压缸缸体下降，从而实现关闭闸门的操作。

液压缸中有杆腔与无杆腔存在容积差，闸门关闭过程中，无杆腔中会产生一定负压，为保证闸门平稳关闭，在无杆腔总油路上再设置了独立的补油回路及单向阀与液压油箱相连，当无杆腔产生负压时，来自油箱的液压油可通过此油路补入无杆腔中。

另外，在两侧液压缸有杆腔总油路上设置一个流量调节阀，用于控制闸门整体下降速度，防止过速下降，冲击底槛；在有杆腔支路上，各设置1 个流量调节阀，应对由于闸门两侧运行阻力不同而导致两侧液压缸产生同步误差时，通过单独调节对应液压缸的下降速度，来控制、修正两侧液压缸的同步误差值，防止闸门因门体倾斜过度，在门槽中卡死。

将上述功能阀件组成的应急手动操作阀组，制作成一体式阀块，安装在液压站内的液压单元油箱旁，便于与液压缸油管连接及切换操作且不受环境天气影响。2 套启闭机，各配置1 套应急手动操作阀组，其中一处为3 孔闸门共用一套，另一处为2 孔闸门共用一套。实际操作时，通过切换管路球阀，来选择需要被操作的闸门。

图1 3 孔液压启闭机改造液压原理

3.3 阀组选型配置说明

该应急操作阀组主要组成为有杆腔微调节流阀、有杆腔总节流阀、板式高压球阀及无杆腔补油管路等。应急自重闭门过程中，门体两侧因运行阻力不同，形成双缸同步误差，由于此时PLC 不参与液压缸速度调节且闸门宽度大（14 m），也不能依靠门体刚性同步双缸，只能通过手动调节节流阀的方式来控制双缸下降速度，这就要求闸门自重关闭速度不宜过快。根据实际工况条件，将闭门速度控制在0.3 m/min 以内较为合适。

闸门自重47 t，应急闭门过程中，需要利用闸门自重克服闭门阻力。根据目前的正向引水工况，闭门阻力主要为闸门滚轮及止水带的摩擦力，并且大小与水库内外水头差及库外潮位成正比。当闸门自重与闭门阻力的差值接近0 时，闸门将无法依靠自重下降了。根据估算及近10年的运行记录数据，正向引水工况下，有杆腔中产生的压力范围约为2～4 MPa，由此可见，有杆腔压力最小富余值为2 MPa。所以在阀件选型时，油路上所有阀件产生的压降越小越好。根据实际操作经验，这里设定不超过1 MPa。

（1）有杆腔微调节流阀的选择。根据自重闭门速度，单支油缸产生的回油量。其中，D 为液压缸的缸径，为3 dm；d 为液压缸的杆径，为1.4 dm；V 为液压缸运行速度，为3 dm/min。

计算得，回油量为16.5 L/min。选型时还需考虑调节圈数及调节反应速度，选型太小，调节反应太过灵敏；反之则太迟钝。参考力士乐DV 系列节流阀的工作曲线，最终选用DV12 规格的节流阀，在16.5 L/min 的工作流量，调节稳定圈数设定在6 圈，压降约为0.5 MPa。

（2）有杆腔总节流阀的选型。液压缸单支回油量为16.5 L/min，有杆腔总回油量则为33 L/min。参考力士乐DV 系列节流阀的工作曲线，选用DV16 规格的节流阀，调节圈数设定在6 圈，压降约为0.33 MPa。

（3）其余切断用球阀均选用DN20 通径，低流量压降可忽略不计。支管节流阀与总节流阀一共产生的压降约为0.8 MPa，低于1 MPa。

（4）无杆腔补油管路。闭门过程中，单支液压缸所产生的补油量为有杆腔与无杆腔的容积差其中，d 为液压缸的杆径，为1.4 dm；V为液压缸运行速度，为3 dm/min。则计算得补油量为4.6 L/min，2 支油缸总补油量为9.2 L/min。补油油管通径计算公式。其中，V0为补油管的流速，一般取1 m/min。则D0为14 mm，实际选DN25 油管，直接油箱放油阀处DN25 通径球阀连接，满足闭门补油要求。

3.4 操作流程

结合液压原理图，以应急关闭1#闸门为例：

（1）关闭闸门与液压单元之间的球阀1（3 个）。

（2）打开闸门与应急闭门操作阀组之间的球阀2（3 个）。

（3）将有杆腔微调节流阀（2 个），与有杆腔总节流阀，调节圈数至6。

（4）先打开板式高压球阀3（2 个），再缓慢打开板式高压球阀6，闸门开始下降。

（5）当出现双缸同步误差时，可以选择液压缸相对应的有杆腔微调节流阀4 进行调节：下降速过快，顺时针旋转减小流量；下降速度过慢，逆时针旋转增大流量。微调节流阀调整幅度为0.5 圈/次，由于闸门整体下降速度较慢，速度变化略有滞后，所以每次调节完0.5 圈后，可以先观察一段时间，速度稳定之后，再进行下一次调节。

（6）闸门关闭到位之后，立即复位操作阀组，避免影响下一扇闸门的操作。关闭板式高压球阀6 与板式高压球阀3（2 个），关闭球阀2（3 个），打开球阀1（3 个）。

4 总结

上游取水闸门液压启闭机应急闭门改造方案实施后，在多种工况下，进行了反复测试，效果良好，完全满足操作简便、迅速、有效、安全的技术要求。同时，通过对运行操作人员的相关培训。定期开展闸门应急闭门操作演练，以确保运行操作人员在应对上游取水闸门引水期间突发水质风险的时候，能够准确、熟练地实施应急措施。