某水电站充压伸缩式水封系统的优化实践

某水电站充压伸缩式水封系统的优化实践

瞿大林肖启露顾挺淡峰李侯小

（雅砻江流域水电开发有限公司四川成都610051）

摘要：充压伸缩式水封系统广泛地应用于各水电工程建设项目，对于高水头弧形闸门，充压伸缩式水封具有良好的止水效果。文章介绍了某水电站充压伸缩式水封系统的结构原理、系统设计、控制流程，并针对该水封系统在应用过程中暴露出的问题，提出了优化改造建议，在后续的改造中进行了实践。经过优化实践，提高了水封系统的运行可靠性，为其它水电工程充压伸缩式水封系统的设计与改造提供了参考。

关键词：伸缩式；水封；优化；实践

0引言

水封系统是闸门最重要的部件之一，水封的主要作用是止水。对于高水头闸门，水封装置更为重要。因为水封与止水面板之间若存在关不严的缝隙或水封结构有缺陷，运行时就可能使闸门产生振动。启闭工作闸门过程中门顶漏水会影响操作人员的工作与安全。封水不严还会造成水资源浪费，影响水力发电。水头愈高，漏水量愈大，会使闸门与其埋件产生空蚀和磨损，甚至损坏设备，从而威胁整个水工建筑物的安全[1]。可见，水封系统对闸门乃至整个水工建筑物具有重要作用。

某水电站大坝为混凝土双曲拱坝，泄洪建筑物主要由坝身设置的4个表孔、5个中孔、2个放空底孔及设置在坝体右岸的一条泄洪洞组成。其中大坝中孔以及放空底孔均采用单弧形工作闸门，中底孔工作闸门主要参数如表1所示。工作闸门采用充压伸缩式水封作为主止水，工作闸门顶水封采用转铰式实心橡胶水封、侧水封采用橡塑实心复合橡胶水封、底水封采用条形橡胶水封作为辅助止水。

某水电站中底孔水封系统经过多年的使用，暴露出了一些系统性问题。本文介绍了该水电站充压伸缩式水封系统的结构原理、系统设计、控制流程等，并针对该水封系统在应用过程中暴露出的问题，提出了优化改造建议，在后续的改造中进行了实践。经过优化实践，提高了水封系统的运行可靠性。

表1中底孔工作闸门主要参数

1水封系统介绍

1.1水封的结构及工作原理

某水电站充压伸缩式水封的结构主要包括水封橡胶、外/内侧压板、压板螺栓、水封充压腔及水封金属底座等[2]。水封断面由三种不同硬度的橡胶材料组合而成，其中水封封头采用硬度和压缩模量相对较高的SD006材料，以提高水封头部与闸门门叶面板的接触应力，降低水封止水背压；水封肢体采用硬度和压缩模量相对较低的SD007材料，有利水封外伸，降低水封止水所需背压[3]；水封翼头采用硬度和压缩模量相对适中的SD005材料，降低封头运动过程中与水封座、压板的摩擦系数。

水封的工作原理为：当闸门处于关闭状态时，水封的压力系统泄压回路关闭，充压回路向水封的充压腔充压，伸缩式水封借助于充压腔的背压，使水封头部伸出而压紧在弧形闸门的面板上，以达到止水的目的，有效避免缝隙射流引起的闸门空蚀[4]。闸门开启前，水封的压力系统充压回路关闭，泄压回路对充压腔泄压。泄压之后对充压腔抽真空，使橡胶头部缩回，并与闸门面板脱离，这样就避免了闸门动作过程由于摩擦引起的水封损坏。水封充压与泄压状态如图1、2所示。

图1水封充压状态图

图2水封泄压状态图

1.2水封的系统设计

某水电站大坝中孔及放空底孔充压水封系统供水总管、供气总管、真空泵吸水总管采取独立设计，7孔闸门分别引出支管与总管相连。如图3，以#1中孔为例，工作闸门水封系统充排压管路主要包括充水回路、充气回路、抽真空回路、排气回路、排水回路。充水回路、充气回路、抽真空回路分别设置了一个电动阀，电动阀前后设置了两个手动阀，其中充水、充气管路还设置了逆止阀。排气回路主要设置了一个电动阀，排气管路与排水总管虚接。排水回路设置两个手动阀和两个电动阀，将水排至检修廊道下游。

水封系统水源取至大坝1917m高位水池，依次经过中底孔高位水箱、水封滤水器后供给闸门水封。气源取自容量为3.0m3的中底孔压力气罐，并配置了两台排气量为1.5m3/min的空压机，用于退水封时的充气排水流程或水封转气封的气源。抽真空设备是两台水环式真空泵，抽气时流量为27m3/h。

图3#1中孔工作闸门充排压管路系统图

1.3水封的控制流程

中底孔水封共用一套控制系统，水封投入、退出控制流程如图4、图5所示。在正常运行状态时，图3中所有手动阀均在全开状态，水封控制系统通过控制相应电动阀的开启和关闭来实现水封的投退操作。当水封控制系统收到工作闸门已全关的指令后，启动投入水封控制流程：开启充水阀、排气阀，延时2min关闭排气阀，当水封压力达到设定值（中孔0.7Mpa，底孔1.0Mpa）时，系统发出“水封已投入”令，延时20min关闭充水阀；若关闭排气阀后，水封压力未达到设定值，系统再次发投水封令，开启充水阀和排水阀，延时2min关闭排水阀，若压力未达到设定值，发出“水封压力过低”报警，若压力达到设定值时，水封系统发“水封已投入”令，延时20min关闭充水阀；当水封投入后，若系统检测到压力低于设定值，则开启充水阀进行保压，当水封压力达到设定值时，水封系统发“水封已投入”令，延时20min关闭充水阀。

闸门退水封流程分为闸门在全关位置开启退水封流程、闸门在非全关位置启闭退水封流程。闸门在全关位置时，水封系统收到开启闸门指令后，启动退出水封流程：关闭充水阀、充气阀、抽气阀，开启排气阀、排水阀，自然排水5min后关闭排气阀、排水阀，若水封压力小于水封排空压力（0.02Mpa），系统发“水封已排空”，准备抽真空；若水封压力大于水封排空压力，开启充气阀、排水阀充气排水，延时5min关闭充气阀，若水封压力小于水封排空压力，延时30s关闭排水阀，发“水封已排空”，准备抽真空。若水封压力大于水封排空压力，延时120s关闭排水阀，发“水封已排空”，准备抽真空；当“水封已排空”信号发出，开启抽气阀，启动真空泵抽真空，若水封压力小于水封真空压力（-0.04Mpa），发“水封已退出”令，开启闸门；若3min内水封压力达不到水封真空压力，则启动第二台真空泵抽真空，若在20min内水封压力达不到水封真空压力，则报“抽真空失败”，水封系统将再次投入。闸门在非全关位置，水封系统收到启闭指令后，直接执行抽真空流程。

图4水封投入流程

图5水封退出流程

2水封系统存在的问题

某水电站中底孔水封系统经过多年的使用，暴露出了一些系统性问题，影响水封系统运行的可靠性。现将这些问题介绍如下：

2.1水封压力偏高

根据设计要求及试验数据，该水电站充压伸缩式水封最大耐压为1.6MPa（充压水封最底部压力）。从闸门底坎至压力变送器的水柱高程差约为26m，通过下列式子换算成压力变送器测点压力（PT2）：

即中孔、底孔充压水封测点压力最高不得超过1.35MPa。而在实际运行过程中，中底孔水封测点压力常常高于1.35MPa，给水封系统的运行造成了极大风险，同时在压力不断升高时，工作人员需要到现场采取开启排气阀的方式手动泄压，增加了值班人员的工作任务。

2.2排气阀出口溢水

水封系统设计了排气电动阀，其出口与排水总管虚接，导致大坝中孔、底孔工作闸门在全关后投入充压水封时，电动排气阀出口排水管会有水溢出至液压启闭机室地面。影响生产区域的环境，同时威胁生产设备的运行安全。

2.3水封管路无机械压力表

水封系统管路上设置了压力变送器，其电源取自水封系统控制柜，该压力变送器将水封压力信号送至水封系统控制柜并上送至监控系统。但水封系统未设计机械压力表，当水封控制系统检修或者压力变送器损坏时，将无法监视压力，给水封系统的运行造成风险。

3问题分析及优化

3.1水封压力偏高分析

3.1.1库区水位变化的原因

图6为中底孔水封压力变化与库水位变化曲线，由图可以看出中底孔充压水封压力总体上以天为周期上下波动，而库区水位一直在下降，两者曲线规律无明显联系，故可以排除库区水位变化的原因。

图6水封压力变化与库水位变化曲线

3.1.2气温变化影响

中底孔工作闸门为钢结构闸门，闸门全关时除挡水面外全部与空气接触。闸门受气温变化影响会产生变形，气温升高时闸门会膨胀，气温降低时闸门会收缩。闸门膨胀时，与之接触的充压水封受到挤压导致水封充压腔内部体积减小，每孔闸门的水封充压腔为一个密闭的空间，充压腔内的水被压缩导致充压水封测点压力升高。闸门收缩时，与之接触的充压水封向外膨胀导致水封充压腔内部体积变大，导致充压水封测点压力下降。而且气温也以1天为周期上下起伏，查看中底孔充压水封压力曲线，每天压力的最低点在早上，最高点在晚上，正好与每天气温的最低和最高时间对应。

3.1.3优化建议

取消每孔工作闸门充压水封电动供水阀出口的逆止阀。并且在每孔工作闸门全关

时更改程序，在水封系统设置一个水封压力偏高的临界点，当水封压力到达该临界点时，开启充压水封电动供水阀，使得水封充压腔与高位水箱水源保持通畅，从而确保水封压力与水源压力保持一致，不受气温变化的影响而波动。

3.2排气阀出口溢水优化建议

由于排气阀出口管路溢水是由于其出口管路与排水总管虚接造成的，因此建议将大坝中孔及底孔工作闸门充压水封电动排气阀出口与排水管进行焊接连接，同时在每个电动排气阀出口增加一个DN50的自动排气阀。

3.3水封管路无机械压力表优化建议

在水封系统的管路上增设机械压力表，显示水封系统的压力，保证在压力变送器不可用时，可以使用机械压力表监测水封系统压力。

4优化改造实践效果

该水电站在后续的改造中对上述的优化改造建议进行了实践，其中对中底孔水封管路机械部分的改造前后对比如图7、图8所示，图中左侧为改造前，右侧为改造后。对于充水回路，取消了充水阀前的逆止阀，以保证工作闸门水封充压腔能够与水源接通，以实现充压腔压力与水源压力平衡。在压力变送器焊接一支管，增设了机械压力表，与压力变送器共同监测水封系统的压力。在排气回路，将排气阀出口管路与排水管路进行了永久焊接，确保水不会溢出至设备处地面。并增设了一自动排气阀，以排出管路中的气体。

图7水封充水回路改造前后对比

图8水封排气回路改造前后对比

在水封控制系统上，保持当前水封控制逻辑不变。增设一段控制程序，当水封压力达到设定值（中孔设置为1.0Mpa，底孔设置为1.2Mpa）时，水封系统发开启充水电动阀指令，使得水封充压腔与水源接通，以平衡充压腔与水源压力，间接达到降低水封压力的目的。

经过优化改造，本文提出的优化建议解决了水封系统出现的问题，提高了水封系统的运行可靠性。

5结语

水封系统的运行可靠性关系着整个大坝水工建筑物的运行安全。本文对某水电站充压伸缩式水封在应用过程中出现的问题进行了分析，提出了行之有效的优化建议，并在后续实践过程中进行了验证，解决了水封系统的实际问题，提高了其运行可靠性。本文对其它水电工程充压伸缩式水封系统的设计与改造也有一定的借鉴意义。

参考文献：

[1]陈五一.闸门水封水密性规律及封水判据的探究[J].水力发电学报，2010，第5期：232-236.

[2]陈锡荣.充压伸缩式水封特性探讨[J].人民长江.2002，第11期.

[3]白绍学.高水头弧形闸门伸缩式水封

[4]止水试验研究[J].云南水力发电，2009，第5期：15-20.

[5]刘晓波.大型抽水蓄能电站自动化控制

[6]技术动态跟踪调研[[J].中国水力发电工程学会信息化专委会、水电控制设备专委会2014年学术交流会论文集，2014.

作者简介：

瞿大林（1991-），男，本科，四川彭山人，毕业于西安交通大学电气工程及其自动化专业，在雅砻江公司锦屏水力发电厂从事水电站运行工作；

肖启露（1989-），男，助理工程师，本科，四川西昌人，毕业于四川大学电气工程及其自动化专业，在雅砻江公司锦屏水力发电厂从事水电站运行工作；

顾挺（1986-），男，工程师，本科，湖北鄂州人，毕业于重庆大学电气工程及其自动化专业，在雅砻江公司锦屏水力发电厂从事水电站运行工作；

淡峰（1987-），男，助理工程师，本科，陕西汉中人，毕业于西安理工大学热能与动力工程专业，在雅砻江公司锦屏水力发电厂从事水电站运行工作；

李侯小（1994-），男，本科，陕西榆林人，毕业于西安理工大学电气工程及其自动化专业，在雅砻江公司锦屏水力发电厂从事水电站运行工作。