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万家寨引黄工程主泵出口液控蝶阀控制系统故障分析与改进
远道阀门 / 2017-03-18

 1 工程概况

山西省万家寨引黄工程是解决山西水资源短缺的大型跨流域调水工程,是促进山西省社会经济可持续发展、改善生态环境和提高人民群众生活水平的重大战略工程。它由万家寨水利枢纽和引水工程两大部分组成:万家寨水利枢纽作为引黄入晋的水源工程,主要任务是供水,兼有发电、防洪、防凌等作用;引水工程从黄河万家寨水库取水,分别向太原、大同和朔州供水,工程由总干线、南干线、连接段和北干线4部分组成,一期工程在输水沿线设有5级提水泵站,设计年引水量为3.6亿m3。
引黄工程各级提水泵站主泵出水侧所用液控蝶阀为哈尔滨电机厂生产的防泥沙型液控蝶阀(又称为防泥沙型自动保压式液控蝶阀或防泥沙型自动保压式液控止回蝶阀)。这是一种能实现泵阀联动自动控制,按预定程序开启,开启后液压驱动系统自动保压,使重锤不下降,蝶板不抖动;正常关闭时能按照预定的速度慢速关闭,在发生事故时能自动按设定的时间和角度,分快、慢两阶段关闭的一种管路控制设备,是提水泵组出水侧的主控阀门和安全阀。泵站现场设备型号为1800KD741X-25Ve00和1800KD741X-16Ve,公称压力为2.5MPa和1.6MPa,分别用于扬程142m的泵组和80m的泵组。
2 控制手段
引黄工程一期各级泵站主泵出水侧所用液控蝶阀,根据启、停泵的水力学过渡过程的理论计算结果,采用分阶段按程序自动开、关阀。当水泵机组因事故失电而停机时,液控蝶阀则会同时自动按调定好的程序先快关截断大部分水流,起到止回阀的作用,然后慢关至全关,以起到消除水锤危害、缓冲和截止的作用。
该液控阀有电动、手动两套系统来操纵阀门的开启和关闭,其启闭过程采用机械式行程开关(型号为LXK3-20S/B)控制,共设有5个位置信号,分为“全关(90°)、全开(0°)和小开度(85°)”3种。这5个位置信号经中间接线箱端子板,分别发送给其本体控制箱和泵组LCU(LocalControlUnit,水泵电动机组现地控制单元),从而实现现地和远方两种控制方式,并能与泵组运行实现联动控制。机械式行程开关结构与外形尺寸如图1所示。
 
图1 液控蝶阀机械式行程开关结构与外形尺寸(mm)
由图1及行程开关实物拆解可知,该机械式行程开关的拐臂角度依靠螺丝调整和固定,而滚轮压紧和内部节点通断状态的转换则通过拐臂牵引内部弹簧的拉伸与压缩来实现。
液控蝶阀蝶板的位置控制通过安装在液压蝶阀转轴周围的5只接触式机械行程开关来实现,其空间布置如图2所示。液控蝶阀转轴上装有凸轮盘,凸轮盘上装有触发行程开关的3个凸轮,这几个凸轮随蝶阀的开、闭过程而沿圆周运动,通过触发已设定好位置的行程开关,向液控蝶阀控制系统和泵组LCU等设备,发出出水侧液控蝶阀蝶板的位置信号。
 
图2 液控蝶阀行程开关及其凸轮盘布置图
液控蝶阀行程开关功能见图3。其摘录了液控蝶阀所用5只行程开关的设定位置以及回路号码,可见5只行程开关的两对节点均发挥功用,分别接于信号与控制回路(详细接线图略)。
 
图3 液控蝶阀行程开关功能图
3 存在问题
近年来,山西经济的飞速发展对水资源的供给提出了更高的要求,引黄工程输水任务快速增长,各级提水泵站转入长期双机运行工况,设备基本处于一期工程设计的满负荷状态运行。但最近两年来,5级泵站多次出现因泵组出水液控蝶阀行程开关故障导致运行泵组异常停机的事件,输水生产运行受到严重影响和干扰。
综合分析历年来的各起液控蝶阀故障导致泵组停运的故障现象和处理情况,总结液控蝶阀行程开关故障频发的原因如下:一是液控蝶阀安装在水泵出水侧,运行环境湿度大,因环境潮湿和工作时间较长,部分行程开关的输出节点的触头因氧化锈蚀、烧蚀等原因导致接触不良和可靠性下降。二是由于备品备件采购渠道不同,不同品牌的同型号行程开关因批次或其他原因,其拐臂、内部弹簧和触点的机械性能不太稳定,常有内部弹簧和触点移位现象。三是液控蝶阀转轴凸轮盘上的凸轮因使用时间较长,部分凸轮磨损情况较为严重,导致行程开关拐臂有时无法压紧,行程位置节点状态异常翻转,发出错误信号。四是现有机械式行程开关滚轮、拐臂及其固定方式存在缺陷,易因现场振动导致滚轮转轴断裂或拐臂松动,导致行程开关失效。五是水泵运行时,现场振动较大,可能导致固定在阀体上的行程开关触点发生抖动,发出错误信号。
4 改进方式
为彻底解决困扰输水生产的这一隐患,针对前述各种故障原因,从改变液控蝶阀行程开关结构及其工作原理两个方面,提出如下改造方案。
(1)将固定在液控蝶阀阀体上的5个行程开关更换为非接触式的磁控电子感应开关(采用密封结构),型号为TurckNi4-M12-AD4XM2。
(2)重新为磁控电子感应开关设计安装支架,并尽量利用现场已有行程开关底座,以减少材料浪费和降低改造成本及施工难度。
(3)将原机械式行程开关触发用的转盘—凸轮结构更换为磁控电子感应开关所需要的转盘—动感应片结构。
(4)新磁控行程开关需要直流24V控制电源,故新增一台220Vac/24Vdc开关电源,交流电源引自液控蝶阀现有控制电源(220Vac)。
(5)为新磁控行程控制回路加装5只中间继电器(控制电源同样选择24Vdc),将每只新行程开关的单结点扩充为双节点。磁控行程开关控制原理接线如图4所示。
 
图4 磁控行程开关控制原理接线图
(6)24Vdc开关电源及中间继电器利用安装底板和导轨,安装于液压蝶阀控制箱内,以减少改接线工作量和隔绝潮气、灰尘对元器件的影响。
通过改造为密封结构的磁控开关,可以避免现场潮湿环境对行程开关节点接触可靠性造成影响;而非接触式的控制方式,则可以消除水泵运行时的振动对行程开关节点动作可靠性造成的影响;简化的设计和原有机械部件的充分利用,大大降低了改造的技术难度、材料及人工成本,单台液控蝶阀行程开关的技术改造工作约需两个工作日即可完成。改造后的磁控式行程开关及其转盘—动感应片结构布置如图5所示。
 
图5 改造后的液控蝶阀行程开关布置示意图
5 改造效果及结论
笔者以引黄工程液控蝶阀行程开关故障问题较为突出的总干线一级站8号泵组为试点,申请并完成了液控蝶阀行程开关非接触式磁控开关改造。改造工作结束后,该泵组连续稳定运行9个多月,未再发生行程开关故障导致泵组停运的事件,改造工作取得了预期的效果。
采用密封结构的磁控式接近开关可以较好地解决传统接触式机械行程开关在高潮湿、大振动等恶劣环境下的可靠性问题,本次改造可作为引黄工程其余泵组出水侧液控蝶阀改造的参考模板,也可为同类工程应用中的液控蝶阀行程控制改造提供一定借鉴。

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