液压传动在水利水电工程中的应用

摘 要：液压技术凭借其传动效率高、工况稳定等优点被广泛认可，在水利水电工程中的应用越来越普遍。文章以闸门启闭机、水轮机调节（调速器、过速保护）为例，通过原理概述、列举实例介绍液压传动技术在水利水电工程中的应用，并对其发展趋势做出分析，为水利水电工程的发展提供参考。

关键词：液压传动；水利水电工程；机组调节；液压启闭机

中图分类号：TH137.9 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）26-0161-02

1 液压传动概述

液压传动是机械工程中常用的传动方式之一。相比其他传动方式，液压传动具有许多优点，如力矩大，输出相同功率的情况下电动机的惯量是液压马达的50倍，而获得相同的加速度电动机所需功率是液压马达的1.25倍；体积小、重量轻，液压马达的体积仅是电动机的1/20，重量仅是电动机的1/10；传动简单，液压传动可以将动力直接传递到目标位置，不需要中间环节的联系[1]。

液压传动是水利水电工程中传递动力的主要方式，在闸门启闭、升降船只、机组调节等方面发挥重要作用。液压传动在水利水电工程中的应用十分普遍，对其研究也有很多，其中多以液压技术在启闭机和机组调节中的应用研究为主，如李力强、张明松等对液压启闭机在水电站中的应用的研究[2][3]，通过液压启闭设备的应用实例，阐述了液压传动的优势。唐江友针对过速保护应用的研究[4]，根据过速保护装置在电站中的应用现状和施工问题，讨论了在今后的发展趋势。这些研究为液压技术应用到水利水电工程中做出巨大贡献。启闭机是水电站坝体上的常用设备，用于坝体闸门的升降，液压启闭机是采用液压穿销的方式控制多扇闸门，利用液压缸的缸筒或活塞杆的伸缩来实现闸门吊耳的连接与分离，再通过起重机来实现闸门的升降[3]。在机组调节方面，当转速超过允许范围时，机械液压过速保护系统会直接启动液压回路，触动导叶接力器的开关，使活动导叶关闭，同时阻断进水通路，使机组停止运转[4]。调压阀也是一种油压控制装置，通过油压装置控制调节阀接力器、导叶接力器动作，最终使导叶关闭[5]。

2 液压技术在水利水电工程中的应用

作为一种高效的传动方式，液压传动已经广泛地应用到了水利水电工程的方方面面。这里仅以液压启闭机和调节保护液压系统为例，举例说明液压技术在这些方面的应用。

2.1 在启闭机中的应用

水利工程在启闭闸门方面多采用液压传动的方式，良好的应用了液压传动的传动比高、工作稳定、造价低的优点。在性能方面和经济方面也有不可比拟的优势，广泛应用到我国各类水电站中。

大型水电站：如三峡水利工程中，选用的液压启闭机具有规格大、数量多、技术水平高、制造难度大等特点。这些液压启闭机都安装在泄洪、通航、发电等关键部位，启闭机的安全稳定运行直接关系到三峡工程的整体效益。为方便泄洪。在泄洪坝段，设置了有23个泄洪深孔和22个导流底孔的弧形工作闸门，这些闸门的启闭均是由液压传动来实现的；为实现通航。三峡船闸每线闸首对称布置中间支撑双向摆动、双作用、卧式安装的液压直联式人字门液压启闭机，共有24台。在每线船闸闸首两侧的阀门顶部布置下部销轴竖缸式输水阀门启闭机，也是24台[1]。在每线船闸闸首处设置一个液压启闭机机房，并在每个机房内设置一个泵站。人字门与输水廊道反弧门共用一组液压系统，不仅便于操纵控制，还能节省投资[6]。该液压系统设置了传感设备，并结合PLC自动控制，便与自我维护，实现安全运行，确保发电。三峡中有26台水轮机发电机组的进水口装有快速闸门，这些闸门的启闭方式也采用液压传动。据统计，三峡水利工程液压启闭机共计120多台，其中最大的启门力矩达53100kN·m，最大闭门力矩为7800kN·m，相应的启门力为4500kN，闭门力为500kN，最大工作行程为16m，最大液压缸内径为4800mm[1]。

中小型水电站：紧水滩水电站水轮机机组进水口快速闸门处装有6台液压启闭机，液压缸布置在坝顶194m高程处，并在该处设置了液压泵站，由6台液压缸共用。中孔、浅孔泄洪道工作弧门启闭机各2台，由于这4台启闭机相距较远，所以在每台启闭机附近单独设置泵站，分布在高程150m和177m处[7]。吉林省安图县两江水电站，溢洪道的弧形闸门采用后拉式液压启闭机，可比弧门卷扬机节省投资30万元[2]。

2.2 在水轮机调节的应用

机械液压过速保护系统依靠压力油对机械的一系列操作，消除自身对电力系统的依赖，提高了过速调节的效率，保证水电站的安全稳定运行。当机组转速过高时，首先是调速器进行调节，如果调速器出现工作故障，转速未能进行有效调节，转速测量装置会立即向过速保护装置传递信号，使其关闭进水通路令机组停止运转。液压调节保护系统可以摆脱对电力的依赖，实用性强，应用范围更广。国内有多家水电站采用了液压过速保护技术，如西霞院水电站、万家寨水电站、龚嘴水电站、宝珠寺水电站、官地水电站等。

在2000年发生的铜子街水电站水轮机组飞逸事故后，安装了机械液压过速保护装置，在后来的两次过速中，成功实现了停机，避免了飞逸事故的发生[8]；黄河小浪底的西霞院水电站采用传统过速保护与机械液压过速保护系统相结合的方式，为发电机组提供双重保护[4]。在几次过速事故后，成功得到处理，官地水电站使用的是JXB机械液压过速保护系统，是根据当地实际情况研发的一款产品，该装置利用油压装置切换油路，实现了机组停止运行[9]。

3 发展趋势

我國在《水利发展改革十三五规划》中提出，将进一步完善水利基础设施网络，大力发展水利建设。液压技术作为水利水电工程中重要的传动方式，发展趋势也是值得我们探讨的。本文以液压技术在启闭机和机组保护这两个方面为主，介绍液压技术在未来的发展趋势。

3.1 液压技术在启闭机中的发展趋势

随着我国水电行业的迅猛发展，水电领域对于液压启闭机的需求量也越来越大，要求也越来越高，这也促进了液压启闭机的发展。其未来的发展趋势主要与水电站的需求相结合，体现在以下几个方面：

（1）向大型和超大型化发展[10]：当今，水电站正朝巨型水电站方向发展，例如三峡水利工程，装机容量达2240万千瓦；规划中的雅江大拐弯水利工程，水头高达2190米。这也反映了未来水电站会朝着巨型化方向发展，水头高势必会影响到闸门的高度，这也对未来液压启闭装置所能承受的荷载提出了更高的要求，可以预见到液压启闭机会向大型化发展。

（2）应用广泛化：近年来，我国液压式启闭机市场发展迅速，国家鼓励液压式启闭机产业向高技术产业发展。在国际上启闭机也露出了表面化、液压化的发展方向。这都源于液压式启闭机的优点众多：传动平稳，结构简单，易于实现自动化；液压启闭机的外形、单位和载重量比其他类型启闭机要好；液压元件可自主润滑，效率高，寿命长；易于实现无级调速。

3.2 液压技术在水轮机调节中的发展趋势

（1）机电一体化。当液压过速保护装置完成保护任务后，需要依靠人工力量将装置调回正常工作状态，费时费力。随着科技水平的发展，机械和电子技术的联系越来越紧密，液压系统在机组调节方面应该逐渐摆脱人力。液压系统作为水电站中的主要传动系统，需要与计算机技术、自动控制技术、传感技术等电子技术协同工作，保证水电站稳定运行。

为了保证在转速过高时能够快速、准确的响应，对离心探测器、柱塞、切换阀之间的距离要求很高。大力发展微机电子技术对机件之间的校核成为该领域的发展方向。

减少油路控制环节，降低事故率，提高调节效率。

液压油和油管的清洁问题，油路的通畅是保证液压系统正常工作的重要条件。如何高效便捷地清理油路油管也是日后液压系统研究进步的方向之一。

（2）液压缸密封圈的改进。液压缸密封圈具有维持压力、防止漏油、阻挡外界异物进入液压油中等作用。我们希望密封圈的使用寿命长、耐磨损、耐高温，这也对其选材和制作提出了更高的要求。

3.3 液压技术在其他方面的应用及发展趋势

改变水轮机主轴桨叶的方向，可以调节水对的转轮冲击，调节转速。桨叶的调节，也可以通过液压的方式来实现。这种调节方式不需要电力支持，稳定可靠。液压传动在水利水电工程中应用广泛，厂房中有专门的油路，用黄色表示。

总的来说，液压装置在水电水电工程中的主要发展趋势有以下几点：

（1）基础学科的进步带动技术的发展。基础学科，尤其是材料科学的发展，越来越趋于与多种技术结合向一体化、智能化的发展，应用到了各个领域。材料科学的发展，使液压装置朝着结构简单、体积小、耐高温、耐磨损的方向发展；对于液压油的选取，遵循粘度小、耐高温、不易挥发、化学性质稳定的原则。现代液压技术的发展与突破，很大程度上取决于基础学科的发展，也为工业技术的未来带来无限可能。

（2）人工智能化。人工智能是一门拓展人的思维、技术、方法的新兴科学技术。液压技术在水电站中的人工智能化是指，机器可以平稳、准确的完成调节、启闭等任务，甚至可以实现自我维护，从而达到自主控制无人看守的目的。机械的人工智能化也是当今科技发展的一大趋势。

4 结束语

（1）随着水电站的巨型化，液压启闭机会朝大型化方向发展。由于传动效率高、结构简单、没有特殊适用要求，使得液压启闭机适用于各类水电站，会广泛应用道闸门启闭中。

（2）过速保护装置、调速器正常工作是机组稳定运行的重要保障，液压系统因其稳定可靠、操作简单的特点得到业内认可。除了要对密封圈、油路油管进行改进，机组调保中的液压系统还可以与电子技术相结合，提高调节效率。

（3）液压技术凭借其传动效率高、运行稳定等优点，广泛应用到水利水电工程当中。水电站是一项巨型工程，利用液压传递能量充分体现在了各个方面，液压传动对于水电行业来讲，现在需要，未来更是不可缺少。

（4）现代液压技术的发展与突破，很大程度上取决于基础学科的发展。

参考文献：

[1]董必钦.三峡枢纽工程中的液压启闭机[J].液压与气动，1998（1）：3-6.

[2]李力強，李跃年.液压启闭机在水利水电工程中的应用[J].吉林水利，1996（3）：22-24.

[3]张明松，何旭若.水下液压系统在水电站的应用[J].起重运输机械，2007（8）：9-10.

[4]唐江友.水电站中机械液压过速保护系统的应用分析[J].机电信息，2011（24）：73-74.

[5]高中明，杨辉跃.一种水电站调压阀液压控制系统[J].山东工业技术，2017（8）：153.

[6]陈坤，王东.液压技术在三峡船闸的应用[J].流体传动与控制，2007（6）：42-44.

[7]汪云祥.紧水滩水电站液压启闭机的液压系统和结构设计[J].水力发电，1988（9）：67-69.

[8]李银铛.纯机械液压过速保护装置在西霞院水电站的应用[J].水电能源科学，2008（2）：153-154.

[9]余后培.官地水电站机械液压过速保护系统应用探析[J].科技展望，2016（17）：122.

[10]吴杰.水电厂闸门单吊液压启闭机设计[J].电子测试，2015（12）：153-154.

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