1 工程概況

山西省萬家寨引黃工程是解決山西水資源短缺的大型跨流域調水工程，是促進山西省社會經濟可持續發展、改善生態環境和提高人民群眾生活水平的重大戰略工程。它由萬家寨水利樞紐和引水工程兩大部分組成：萬家寨水利樞紐作為引黃入晉的水源工程，主要任務是供水，兼有發電、防洪、防凌等作用；引水工程從黃河萬家寨水庫取水，分別向太原、大同和朔州供水，工程由總干線、南干線、連接段和北干線4部分組成，一期工程在輸水沿線設有5級提水泵站，設計年引水量為3.6億m³。

引黃工程各級提水泵站主泵出水側所用液控蝶閥為哈爾濱電機廠生產的防泥沙型液控蝶閥（又稱為防泥沙型自動保壓式液控蝶閥或防泥沙型自動保壓式液控止回蝶閥）。這是一種能實現泵閥聯動自動控制，按預定程序開啟，開啟后液壓驅動系統自動保壓，使重錘不下降，蝶板不抖動；正常關閉時能按照預定的速度慢速關閉，在發生事故時能自動按設定的時間和角度，分快、慢兩階段關閉的一種管路控制設備，是提水泵組出水側的主控閥門和安全閥。泵站現場設備型號為1800KD741X－25Ve00和1800KD741X－16Ve，公稱壓力為2.5MPa和1.6MPa，分別用于揚程142m的泵組和80m的泵組。

2 控制手段

引黃工程一期各級泵站主泵出水側所用液控蝶閥，根據啟、停泵的水力學過渡過程的理論計算結果，采用分階段按程序自動開、關閥。當水泵機組因事故失電而停機時，液控蝶閥則會同時自動按調定好的程序先快關截斷大部分水流，起到止回閥的作用，然后慢關至全關，以起到消除水錘危害、緩沖和截止的作用。

該液控閥有電動、手動兩套系統來操縱閥門的開啟和關閉，其啟閉過程采用機械式行程開關（型號為LXK3－20S/B）控制，共設有5個位置信號，分為“全關（90°）、全開（0°）和小開度（85°）”3種。這5個位置信號經中間接線箱端子板，分別發送給其本體控制箱和泵組LCU（LocalControlUnit，水泵電動機組現地控制單元），從而實現現地和遠方兩種控制方式，并能與泵組運行實現聯動控制。機械式行程開關結構與外形尺寸如圖1所示。

圖1 液控蝶閥機械式行程開關結構與外形尺寸（mm）

由圖1及行程開關實物拆解可知，該機械式行程開關的拐臂角度依靠螺絲調整和固定，而滾輪壓緊和內部節點通斷狀態的轉換則通過拐臂牽引內部彈簧的拉伸與壓縮來實現。

液控蝶閥蝶板的位置控制通過安裝在液壓蝶閥轉軸周圍的5只接觸式機械行程開關來實現，其空間布置如圖2所示。液控蝶閥轉軸上裝有凸輪盤，凸輪盤上裝有觸發行程開關的3個凸輪，這幾個凸輪隨蝶閥的開、閉過程而沿圓周運動，通過觸發已設定好位置的行程開關，向液控蝶閥控制系統和泵組LCU等設備，發出出水側液控蝶閥蝶板的位置信號。

圖2 液控蝶閥行程開關及其凸輪盤布置圖

液控蝶閥行程開關功能見圖3。其摘錄了液控蝶閥所用5只行程開關的設定位置以及回路號碼，可見5只行程開關的兩對節點均發揮功用，分別接于信號與控制回路（詳細接線圖略）。

圖3 液控蝶閥行程開關功能圖

3 存在問題

近年來，山西經濟的飛速發展對水資源的供給提出了更高的要求，引黃工程輸水任務快速增長，各級提水泵站轉入長期雙機運行工況，設備基本處于一期工程設計的滿負荷狀態運行。但最近兩年來，5級泵站多次出現因泵組出水液控蝶閥行程開關故障導致運行泵組異常停機的事件，輸水生產運行受到嚴重影響和干擾。

綜合分析歷年來的各起液控蝶閥故障導致泵組停運的故障現象和處理情況，總結液控蝶閥行程開關故障頻發的原因如下：一是液控蝶閥安裝在水泵出水側，運行環境濕度大，因環境潮濕和工作時間較長，部分行程開關的輸出節點的觸頭因氧化銹蝕、燒蝕等原因導致接觸不良和可靠性下降。二是由于備品備件采購渠道不同，不同品牌的同型號行程開關因批次或其他原因，其拐臂、內部彈簧和觸點的機械性能不太穩定，常有內部彈簧和觸點移位現象。三是液控蝶閥轉軸凸輪盤上的凸輪因使用時間較長，部分凸輪磨損情況較為嚴重，導致行程開關拐臂有時無法壓緊，行程位置節點狀態異常翻轉，發出錯誤信號。四是現有機械式行程開關滾輪、拐臂及其固定方式存在缺陷，易因現場振動導致滾輪轉軸斷裂或拐臂松動，導致行程開關失效。五是水泵運行時，現場振動較大，可能導致固定在閥體上的行程開關觸點發生抖動，發出錯誤信號。

4 改進方式

為徹底解決困擾輸水生產的這一隱患，針對前述各種故障原因，從改變液控蝶閥行程開關結構及其工作原理兩個方面，提出如下改造方案。

（1）將固定在液控蝶閥閥體上的5個行程開關更換為非接觸式的磁控電子感應開關（采用密封結構），型號為TurckNi4－M12－AD4XM2。

（2）重新為磁控電子感應開關設計安裝支架，并盡量利用現場已有行程開關底座，以減少材料浪費和降低改造成本及施工難度。

（3）將原機械式行程開關觸發用的轉盤—凸輪結構更換為磁控電子感應開關所需要的轉盤—動感應片結構。

（4）新磁控行程開關需要直流24V控制電源，故新增一臺220Vac/24Vdc開關電源，交流電源引自液控蝶閥現有控制電源（220Vac）。

（5）為新磁控行程控制回路加裝5只中間繼電器（控制電源同樣選擇24Vdc），將每只新行程開關的單結點擴充為雙節點。磁控行程開關控制原理接線如圖4所示。

圖4 磁控行程開關控制原理接線圖

（6）24Vdc開關電源及中間繼電器利用安裝底板和導軌，安裝于液壓蝶閥控制箱內，以減少改接線工作量和隔絕潮氣、灰塵對元器件的影響。

通過改造為密封結構的磁控開關，可以避免現場潮濕環境對行程開關節點接觸可靠性造成影響；而非接觸式的控制方式，則可以消除水泵運行時的振動對行程開關節點動作可靠性造成的影響；簡化的設計和原有機械部件的充分利用，大大降低了改造的技術難度、材料及人工成本，單臺液控蝶閥行程開關的技術改造工作約需兩個工作日即可完成。改造后的磁控式行程開關及其轉盤—動感應片結構布置如圖5所示。

圖5 改造后的液控蝶閥行程開關布置示意圖

5 改造效果及結論

筆者以引黃工程液控蝶閥行程開關故障問題較為突出的總干線一級站8號泵組為試點，申請并完成了液控蝶閥行程開關非接觸式磁控開關改造。改造工作結束后，該泵組連續穩定運行9個多月，未再發生行程開關故障導致泵組停運的事件，改造工作取得了預期的效果。

采用密封結構的磁控式接近開關可以較好地解決傳統接觸式機械行程開關在高潮濕、大振動等惡劣環境下的可靠性問題，本次改造可作為引黃工程其余泵組出水側液控蝶閥改造的參考模板，也可為同類工程應用中的液控蝶閥行程控制改造提供一定借鑒。