惠南庄泵站液控蝶阀运行问题分析与处理

唐文富

（南水北调中线干线工程建设管理局北京分局，北京 100038）

1 引言

惠南庄泵站是南水北调中线干线工程唯一的一座大型加压泵站，承担着向北京供水的重要任务。泵站设计流量60m3/s，扬程58.2m，共安装有8台卧式单级双吸离心泵，6工2备，单泵流量10m3/s，配套电动机功率7300kW。每台水泵出口均安装有1台希斯威系列2200KD741X-10V型自动保压重锤式液控蝶阀，作为水泵出口的控制主阀，在停泵过程中，特别是事故停泵过程中用以快速切断水流，防止水泵反转并消除水锤危害，对保护水泵及其出水管道安全起着非常重要的作用。

惠南庄泵站自启泵加压运行以来，液控蝶阀出现了开关阀时间飘移、位置信号失灵、保压时间短、系统突然失压、电磁阀拒动等问题，已造成多次故障停泵或启泵不成功等情况。基于此，对存在的问题进行分析、研究，并对其液压及电气控制系统进行改造处理，以保障泵站安全稳定运行和北京的供水安全。

2 液控碟阀主要工作特点

（1）液控蝶阀后是长距离出水管道，长约56.4km。

（2）液控蝶阀开、关阀时间长，其中开阀时间200s，关阀时间250s。开、关阀时间可根据需要现场整定。

（3）正常关阀、事故关阀均采用快、慢关2阶段关闭方式，其中快关时间40s、慢关时间210s，快、慢关转换角度66°。

（4）泵阀联动，采用先启泵后开阀即水泵关阀（造压）启动和先关阀后停泵方式。

（5）液控蝶阀关阀超时（超过300s）或关阀拒动时，开启阀后电动检修阀门以切断水流。

3 主要问题及原因分析

3.1 开、关阀时间漂移

开、关阀时间不稳定，时大时小，且偏差值大、无规律，甚至出现关阀超时等情况。造成开、关阀时间变化的主要原因为：

（1）液压元件加工精度不够。节流阀等阀件、阀块为阀门厂家自制产品，特别是节流阀阀芯为手工开槽，加工精度低，影响油流量稳定。

（2）节流阀选型不佳。节流阀选用锥形阀芯，由于关阀油流量小，相比槽形节流阀而言，锥形节流阀开度小，容易受到干扰。

（3）油泵电机性能波动，有时达不到额定出力，时大时小，造成油压力变化大。

（4）温度变化，包括油温对粘度、热胀冷缩和油泵电机性能的影响。

（5）液压油的清洁度不够，阀口因静电吸附而堵塞。

（6）震动造成阀件的开口变化。

（7）溢流阀的性能波动造成系统的有效油流量变化。

（8）油泵及阀组磨损、密封件老化、破损及密封不严等造成油流量不稳定。

（9）关阀到位后行程开关未发出信号，造成关阀超时。

3.2 电磁阀拒动

电磁阀为阀门厂家自制产品，不及专业液压厂家的加工工艺水平及技术水平，自制电磁阀加工精度不够，工作稳定性、可靠性不高。

3.3 液压系统保压时间较短，油泵启动补压频繁

液压系统保压10h左右，由最大工作压力10MPa降至启动油泵补压压力6MPa，不满足48h内液压系统工作压力值下降不大于3MPa的要求[1]。造成保压时间短的原因主要为：

（1）采用弹簧式蓄能器，受弹簧自身特性的限制，所能向系统提供的油量有限，从而使系统的保压时间受到一定的局限性。

（2）液压系统密封件老化、破损，造成油的内泄漏量增大。

3.4 液压系统不能建立油压

水泵机组启动过程中，液压系统建立不了压力，导致不能开阀；开阀后保压运行中，系统压力下降并启动油泵，系统压力不能回升，造成重锤掉压因而故障停机。不能建立油压的主要原因为：

（1）油泵出口溢流阀异常卸荷。

（2）液压系统密封件老化、破损，造成油的内泄漏量大。

3.5 开、关阀过程中，20%开度内阀门振动较大

水泵机组启停采用先启泵后开阀和先关阀后停泵方式，在蝶阀小开度时，阀前后压差大，通过阀板的水流速度快，产生射流，同时水流紊乱，使得阀门振动较大。

3.6 上位机不能监视液压系统油压、油位及开关阀时间

计算机监控系统中未接入液压系统油压、油位及开关阀时间等信号。

3.7 阀板位置信号失灵

开、关阀过程中，开度显示数值跳变，阀门全开、全关后，全开、全关指示灯有时未亮，并报阀门开、关阀超时或拒动故障。其主要原因为：

（1）阀板开度信号由安装在阀轴端部中心的角位移传感器输出，其转轴随阀轴转动，在开、关阀过程中，由于阀门振动使电位器电刷跳动导致输出信号波动，从而导致开度显示数值跳动。

（2）阀板位置信号由安装在阀轴周围的4个接触式机械行程开关发送，同样因为开、关阀过程中存在振动，使得行程开关接触不良，有时出现开、关阀到位后行程开关不可靠动作，导致位置指示灯回路不能接通和开、关阀控制回路不能断开，从而造成全开、全关指示灯有时未亮，并报阀门开、关阀超时或拒动故障等。

4 处理方案

对液控蝶阀的液压及电气控制系统等进行改造。

4.1 改造目标

（1）提高阀门设备液压和电气控制系统运行的可靠性，平均无故障运行时间≥25000h。

（2）改善液压系统的时间稳定性，时间误差＜±2.5%，稳定达到表1中时间精度。

表1 液控蝶阀开、关阀时间要求

（3）提升液压系统的保压时间及保压性能，保压时间提升至200h以上。

4.2 液压系统改造

基于原液压系统采用自制间隙节流阀调速，系统的压力、油温、流量的大小对节流阀调流杆产生大的波动，造成开、关阀时间的大幅跳动，改造后采用电磁比例换向阀和电磁比例调流阀来调节流量，保证在固定时间内通过的油流量，确保开关阀时间的可靠性、准确性和稳定性。为此，更换液压站及阀件等，对原液压系统（图1）进行整体改造，改造后的液压系统见图2。

（1）在开阀及正常关阀油路中，采用德国Rexroth电磁比例调流阀自动调速代替原系统中的节流阀机械调速，通过控制电磁铁电流控制阀芯开度（流量），保证开、关阀时间在设计范围内。同时，在系统中加装压力补偿器及外部比例放大器，将阀口后的负载压力引入压力补偿阀，对阀口前的压力进行调整并保持阀口前、后的压差为常值，使流经阀口的流量大小仅与该阀口的开度有关，而不受负载压力的影响，进一步提高阀的控制精度。

图1 改造前液压系统原理图

图2 改造后液压系统原理图

（2）在事故关阀油路中，考虑到出现事故工况时，可能面临控制电源消失等异常情况，采用纯机械调速方式，即采用带粘度、温度、负载补偿的榆次油研FCG-01系列调速阀代替原系统中的普通节流阀，以解决普通节流阀受粘度、温度、负载等因素影响造成的油流量波动，从而达到较高的速度精度。对此，专门制作、更换油缸缸盖，更改原油路，将原插装在缸盖内的自制调节杆改为瑞士Wandfluh电磁球阀和榆次油研FCG-01精密调流阀，实现事故情况下阀门快关、慢关功能。

（3）采用进口油泵、电机、溢流阀，以减少压力和流量脉动。原系统采用国产油泵及电机，其压力和流量脉动误差为±2.5%[2]。改造后系统采用德国Rexroth定量齿轮泵和ABB电机，其压力和流量脉动误差可以控制在±1%以内，以提高系统的时间稳定性。

（4）在满足开阀时间的前提下，降低油泵的排量，以减少溢流阀排出多余的油量，使溢流阀动作频率减少，从而减少溢流阀所产生的热量，达到减少对油温影响的目的。改造后的系统回油箱相比原系统回油箱尺寸及其容积加大，溢流阀回油管口远离油泵吸油口，保证其对油泵不产生影响。

（5）供、回油管路中增设过滤器，保证液压油的清洁度，从而保证阀件动作灵活、平稳。在油泵进、出口分别设置100μm粗过滤器、5μm高精度高压管路过滤器，保证电磁比例换向阀、电磁比例调流阀过油精度，使阀不卡阻；在总回油管上设置10μm的回油过滤器，对管路和油缸、阀磨损产生的颗粒进行收集，避免再次进入系统。

（6）采用大容量的皮囊式蓄能器。能向系统提供约750mL的系统保压用油量，是原弹簧式蓄能器所提供油量的12.5倍，从根本上提升液压系统的稳定性及保压性能，避免油泵电机的频繁启动，进而提高系统的使用寿命。

4.3 电控柜改造

整体更换原电气液压控制柜。增加3个模拟量扩展模块，其中1个模拟量输入模块用于采集阀门开度，1个模拟量输出模块控制开阀电磁比例调流阀及正常快关电磁比例调流阀，1个模拟量输出模块控制正常慢关电磁比例调流阀及阀门开度输出；电磁铁电压改为直流24V，开关电源功率相应加大。

重新编制PLC程序，并增加触摸屏。PLC采集阀门开度传感器信号，采用算法处理，将阀门开度分割为10等分，每9°达到时进行1次速度对比，若时间有偏差，输出新的速度到比例阀，进一步提高阀门控制精度，从而保证开、关阀门时间控制在正常范围内。

液压系统压力、油箱油位、阀位及开关阀时间通过硬接线上送至上位机，PLC同时采集阀位信号，并输出4路DC4～20mA信号，分别控制开阀电磁比例调流阀、正常快关电磁比例调流阀、正常慢关电磁比例调流阀及阀位显示。

4.4 阀位变送器及行程开关改造

阀位变送器由角位移传感器改为拉绳位移传感器（模拟量输出），传感器与阀轴为软性连接；行程开关由接触式机械行程开关改为图尔克Ni4-M12-AD4X型无触点接近开关。以此消除开关阀过程中阀门振动对传感器测值和行程开关动作的影响，保证阀门位置开度信号准确及行程开关动作正确、可靠。

另外，增加一个全关差5°的接近开关用于停水泵，减小停泵过程中阀门在小开度下的振动。

5 结语

通过对液控蝶阀液压及电气控制系统的升级改造，采用电液比例阀自动调速代替机械调速，采用带粘度、温度、负载补偿的调速阀代替普通节流阀，以及更换油泵、蓄能器、溢流阀等措施，基本消除了开、关阀时间漂移问题，极大提高了液压系统保压时间，保证了液控蝶阀运行稳定性、可靠性，为惠南庄泵站水泵机组及其出水管道安全运行提供了保障。

当今技术进步日新月异，智能控制、故障诊断、云平台等技术的应用已经成熟，如果条件允许，建议在阀门设计或技术改造时，综合运用现代机电一体化技术、计算机技术、人工智能技术、物联网及5G移动通信等，建立阀门智能监控与故障诊断系统及云平台，实现阀门状态远程监控、故障自动诊断、故障短信预警和阀门维护保养通知推送等功能，更好地保证阀门运行安全和状态最优。