景洪水電站水力式升船機(jī)事故工況分析及應(yīng)對(duì)策略研究

石曉俊，易春輝，劉 錦

（西安航天自動(dòng)化股份有限公司，陜西 西安 710065）

景洪水電站采用水力浮動(dòng)轉(zhuǎn)矩平衡重式垂直升船機(jī) （簡(jiǎn)稱 “水力式升船機(jī)”）。該升船機(jī)按V級(jí)航道、300 t級(jí)船型的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)期考慮500 t船只通航過(guò)壩。水力式升船機(jī)的工作原理[1]是將平衡重做成質(zhì)量和體積合適的浮筒，其總質(zhì)量大于承船廂總質(zhì)量，浮筒在可充、泄水的豎井內(nèi)升降，通過(guò)調(diào)節(jié)平衡重浮筒在水中的淹沒(méi)深度，改變其所受浮力，利用浮力變化在承船廂與平衡重浮筒之間產(chǎn)生的重力差值來(lái)驅(qū)動(dòng)承船廂升降運(yùn)行。

景洪水力式升船機(jī)主要由充泄水系統(tǒng)、承船廂系統(tǒng)、上閘首系統(tǒng)、同步軸系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)及鋼絲繩連接系統(tǒng)等組成[2]。

由于景洪水力式升船機(jī)驅(qū)動(dòng)方式完全不同于國(guó)內(nèi)已經(jīng)建成的水口、巖灘、高壩洲、隔河巖和彭水升船機(jī)所采用的垂直卷?yè)P(yáng)式，也不同于三峽升船機(jī)采用的齒條爬升式；因此，其可能發(fā)生的事故工況、造成的嚴(yán)重后果以及可以采取的有效應(yīng)對(duì)措施都沒(méi)有成功的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。

本文依據(jù)景洪水力式升船機(jī)工程實(shí)際，借鑒在垂直卷?yè)P(yáng)式升船機(jī)事故工況分析及應(yīng)對(duì)策略研究的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合水力學(xué)分析和模型試驗(yàn)成果，對(duì)景洪水力式升船機(jī)可能發(fā)生的主輔泄水閥門(mén)故障、主輔充水閥門(mén)故障、浮筒及豎井故障、上游快速事故門(mén)誤動(dòng)、下游快速事故門(mén)誤動(dòng)、承船廂故障、同步軸及制動(dòng)器故障、鋼絲繩故障、通航水位超出范圍、下游水位變幅過(guò)快、電源故障、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)故障和檢測(cè)故障等故障工況進(jìn)行了分析和研究，最后總結(jié)出供水力式升船機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及運(yùn)行時(shí)可采取的應(yīng)對(duì)策略。

1 充泄水系統(tǒng)

1.1 主輔泄水閥門(mén)故障分析

主、輔泄水閥門(mén)布置如圖1所示。當(dāng)升船機(jī)上行時(shí)，先開(kāi)啟泄水輔閥，升船機(jī)系統(tǒng)慢速啟動(dòng)并加速上升。船廂出水后，開(kāi)啟泄水主閥，船廂加速上升。加速完畢后，水力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)為穩(wěn)速上升，提升過(guò)程中，連續(xù)讀取上游水位、船廂水深及船廂行程等數(shù)據(jù)。當(dāng)運(yùn)算的剩余行程與減速行程給定值相等時(shí)，關(guān)閉泄水主閥，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正常減速上升。當(dāng)承船廂內(nèi)水位高程與上游航道水面高程差值達(dá)到預(yù)定值時(shí)，完全關(guān)閉泄水輔閥，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正常停機(jī)。

圖1 泄水閥門(mén)布置示意

主輔泄水閥門(mén)作為景洪升船機(jī)上行的關(guān)鍵控制對(duì)象，其有可能發(fā)生主輔泄水閥門(mén)均不能開(kāi)啟、均不能關(guān)閉、閥門(mén)漏水及閥門(mén)開(kāi)度無(wú)法正常檢測(cè)等故障情況。當(dāng)主、輔泄水閥門(mén)中有個(gè)別不能開(kāi)啟時(shí)，升船機(jī)不能按照設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，只能通過(guò)手動(dòng)開(kāi)啟正常泄水閥門(mén)緩慢泄水，影響運(yùn)行效率，但不會(huì)造成安全事故；當(dāng)主輔泄水閥都不能打開(kāi)時(shí)，承船廂不能提升，如果承船廂位于下游對(duì)接位，且恰遇下游水位快速上漲，可能會(huì)發(fā)生水淹船廂的重大事故，此時(shí)必須快速關(guān)閉承船廂下游臥倒門(mén)，并通過(guò)輸水系統(tǒng)主管檢修排水泵泄水以提升承船廂。

在承船廂運(yùn)行到上游時(shí)，如主輔泄水閥門(mén)故障而不能關(guān)閉，承船廂快速提升，可能沖過(guò)上極限位，同時(shí)浮筒落到消能工上，此時(shí)必須通過(guò)關(guān)閉下游快速事故門(mén)切斷泄水水流，制止承船廂上升。

當(dāng)泄水閥門(mén)漏水時(shí)，升船機(jī)在上游對(duì)接鎖定前無(wú)法精確停位，對(duì)接鎖定后會(huì)造成制動(dòng)器受力平衡破壞，可以通過(guò)關(guān)閉下游快速事故門(mén)應(yīng)對(duì)該故障。當(dāng)控制系統(tǒng)不能檢測(cè)到泄水閥門(mén)開(kāi)度時(shí)，應(yīng)快速關(guān)閉泄水閥，同時(shí)監(jiān)測(cè)豎井水位情況，如水位仍在變化可以緊急關(guān)閉下游快速事故門(mén)以停止升船機(jī)運(yùn)行。

1.2 主輔充水閥門(mén)故障

主輔充水閥門(mén)布置與泄水閥門(mén)相同，中間主充水管道上布置充水主閥，兩側(cè)布置充水輔閥。其同樣也有可能發(fā)生主輔充水閥均不能開(kāi)啟、主輔充水閥均不能關(guān)閉、閥門(mén)漏水及閥門(mén)狀態(tài)檢測(cè)故障等故障情況。

當(dāng)主、輔充水閥門(mén)有個(gè)別不能開(kāi)啟時(shí)，升船機(jī)不能按照設(shè)計(jì)工況運(yùn)行，只能通過(guò)手動(dòng)開(kāi)啟正常充水閥門(mén)緩慢充水，影響運(yùn)行效率，但不會(huì)造成安全事故；當(dāng)主、輔充水閥都不能打開(kāi)時(shí)，承船廂不能下降，不會(huì)造成安全事故。

當(dāng)升船機(jī)運(yùn)行至下游水面附近主、輔充水閥門(mén)故障不能關(guān)閉時(shí)，承船廂快速下降，可能淹沒(méi)水中，此時(shí)必須通過(guò)關(guān)閉上游快速事故門(mén)切斷充水水流，制止承船廂下降。

當(dāng)充水閥門(mén)漏水時(shí)，升船機(jī)在下游對(duì)接鎖定前無(wú)法精確停位，可以通過(guò)關(guān)閉上游快速事故門(mén)應(yīng)對(duì)該故障。當(dāng)控制系統(tǒng)不能檢測(cè)到充水閥門(mén)的開(kāi)度時(shí)，應(yīng)快速關(guān)閉充水閥，同時(shí)監(jiān)測(cè)豎井水位情況，如水位仍在變化必須緊急關(guān)閉上游快速事故門(mén)以停止升船機(jī)運(yùn)行。

1.3 浮筒及豎井故障

16個(gè)豎井水位在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)偏差，16個(gè)浮筒中可能會(huì)有個(gè)別浮筒漏水，導(dǎo)致對(duì)浮筒產(chǎn)生不同的浮力，同步軸和個(gè)別鋼絲繩受力將會(huì)增大，嚴(yán)重情況下可能發(fā)生同步軸斷裂等事故。所以電氣控制系統(tǒng)應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)16個(gè)豎井水位及偏差、16個(gè)浮筒位置及偏差、16個(gè)浮筒內(nèi)水深及偏差、64根均衡油缸壓力及偏差、64根調(diào)平油缸壓力及偏差、同步軸扭矩等參數(shù)。其超出設(shè)定范圍時(shí)，應(yīng)報(bào)警并停止運(yùn)行，查明原因并處理后方可繼續(xù)運(yùn)行。

1.4 快速事故門(mén)誤動(dòng)

當(dāng)升船機(jī)處于下降過(guò)程中，如果上游引水管進(jìn)口快速事故門(mén)異常落下，承船廂由下降轉(zhuǎn)為快速停止，船廂可能會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)。當(dāng)升船機(jī)處于上升過(guò)程中時(shí)，由于是泄水閥門(mén)打開(kāi)，所以上游引水管進(jìn)口快速事故門(mén)異常落下不會(huì)影響升船機(jī)的運(yùn)行。如果升船機(jī)在對(duì)接位對(duì)接時(shí)引水管進(jìn)口快速門(mén)落下，由于對(duì)接時(shí)充、泄水系統(tǒng)所有閥門(mén)均關(guān)閉，所以不會(huì)造成嚴(yán)重后果。

下游快速事故門(mén)異常落下同上游事故門(mén)，也不會(huì)造成嚴(yán)重后果。

2 承船廂事故

承船廂可能發(fā)生船廂漏水、船廂內(nèi)水深超范圍、船廂傾斜等事故工況。

如果制動(dòng)器未在制動(dòng)位置時(shí)承船廂漏水，承船廂變輕，浮筒沉入水中部分增多，仍保持平衡，但是廂內(nèi)船舶觸底，升船機(jī)無(wú)法精確停位。此時(shí)應(yīng)該驅(qū)動(dòng)承船廂下行到下游并對(duì)接，同時(shí)檢查漏水原因，整個(gè)過(guò)程要嚴(yán)禁制動(dòng)器制動(dòng)。如果制動(dòng)器在制動(dòng)位置時(shí)船廂漏水，船廂側(cè)質(zhì)量減輕，兩側(cè)受力不平衡，可以判斷豎井水位與船廂質(zhì)量 （水深）是否在安全范圍內(nèi)，如果在安全范圍內(nèi)則立即松開(kāi)制動(dòng)器；如果不在安全范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)豎井水位以適應(yīng)船廂質(zhì)量，然后松開(kāi)制動(dòng)器。

當(dāng)承船廂內(nèi)水深低于2.3 m時(shí)，承船廂質(zhì)量超出允許范圍，此時(shí)應(yīng)到下游對(duì)接位對(duì)接補(bǔ)水，然后再進(jìn)行正常運(yùn)行。

承船廂傾斜會(huì)造成船廂質(zhì)量分布不均，鋼絲繩受力不等，如果承船廂傾斜嚴(yán)重可能造成船廂與船廂池壁摩擦。此時(shí)應(yīng)該驅(qū)動(dòng)船廂到調(diào)平位置進(jìn)行調(diào)平，且升船機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)注意當(dāng)承船廂水平度不滿足要求時(shí)及時(shí)調(diào)平！

3 同步軸及制動(dòng)器系統(tǒng)事故

連接卷筒的同步軸有可能發(fā)生斷裂事故，造成承船廂傾斜。所以應(yīng)限制豎井水位差值范圍，超出范圍時(shí)停止升船機(jī)運(yùn)行。

制動(dòng)器可能會(huì)出現(xiàn)意外制動(dòng)、動(dòng)作不同步和不動(dòng)作等故障工況。如果在承船廂下降時(shí)制動(dòng)器意外制動(dòng)，豎井內(nèi)水位不斷上升，承船廂向下滑移。如果在承船廂上升時(shí)制動(dòng)器意外制動(dòng)，豎井內(nèi)水位不斷下降，承船廂向上滑移。此時(shí)應(yīng)關(guān)閉對(duì)應(yīng)充、泄水閥門(mén)，并判斷豎井水位與船廂質(zhì)量 （水深）是否在安全范圍內(nèi)，如果在安全范圍內(nèi)則立即松開(kāi)制動(dòng)器。所以在制動(dòng)器松閘前應(yīng)判斷并預(yù)調(diào)整豎井水位以適應(yīng)承船廂質(zhì)量。

如果個(gè)別制動(dòng)器動(dòng)作不同步或沒(méi)有動(dòng)作，將會(huì)造成相應(yīng)卷筒及同步軸受力增大。如果制動(dòng)器動(dòng)作不同步，應(yīng)立即松開(kāi)所有制動(dòng)器，然后嘗試重新制動(dòng)。如果所有制動(dòng)器不動(dòng)作，由于制動(dòng)條件是浮筒與承船廂受力平衡，所以不會(huì)造成安全事故。此時(shí)可以停止升船機(jī)運(yùn)行，然后檢查維修制動(dòng)器。

4 鋼絲繩連接系統(tǒng)事故

連接浮筒和承船廂的鋼絲繩有可能發(fā)生受力不均勻和伸長(zhǎng)不均等故障情況。當(dāng)鋼絲繩受力不均勻時(shí)，卷筒及同步軸受力增大。所以，應(yīng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)承船廂水平狀態(tài)、均衡油缸和調(diào)平油缸壓力以判斷鋼絲繩受力情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理。

5 其他事故

5.1 通航水位超出范圍

如果升船機(jī)在運(yùn)船上行時(shí)上游水位突然超出通航范圍，造成升船機(jī)不能在上游對(duì)接，廂內(nèi)船只不能出廂。如果升船機(jī)在運(yùn)船去下游時(shí)上游水位突然超出通航范圍，則不影響升船機(jī)本次的運(yùn)行。應(yīng)對(duì)該情況的方法是升船機(jī)下行到下游對(duì)接位對(duì)接后放出廂內(nèi)船只，然后停止運(yùn)行。

如果升船機(jī)在運(yùn)船下行時(shí)下游水位突然超出通航范圍，造成升船機(jī)不能在下游對(duì)接，廂內(nèi)船只不能出廂。如果升船機(jī)在運(yùn)船去上游時(shí)下游水位突然超出通航范圍，則不影響升船機(jī)本次的運(yùn)行。應(yīng)對(duì)該情況的方法是升船機(jī)上行到上游對(duì)接位對(duì)接后放出廂內(nèi)船只，然后停止運(yùn)行。

5.2 下游水位變幅過(guò)快

景洪水力式升船機(jī)在下游采用的是入水對(duì)接方式，如果承船廂在下游對(duì)接期間遇到下游水位快速上漲，可能發(fā)生水淹船廂事故。應(yīng)采用入水式升船機(jī)下游對(duì)接微調(diào)安全應(yīng)急處理程序，根據(jù)下游水位實(shí)時(shí)調(diào)整船廂位置。同時(shí)，為了更加安全，在下游對(duì)接流程中不應(yīng)該考慮制動(dòng)器、頂緊裝置、夾緊裝置的投入。

5.3 電源故障

如果驅(qū)動(dòng)LCU（現(xiàn)地控制單元）電源故障，則控制流程無(wú)法進(jìn)行，當(dāng)船廂在運(yùn)行中，無(wú)法判斷是否運(yùn)行到位，此時(shí)只能緊急關(guān)閉充、泄水閥門(mén)和進(jìn)、出水口事故門(mén)，保持船廂位置不變，依靠受力平衡停穩(wěn)船廂。

如果充水閥門(mén)在開(kāi)啟狀態(tài)突然斷電，豎井水位不斷上升，船廂會(huì)不斷下降，可能發(fā)生水淹船廂事故，所以必須緊急關(guān)閉上游快速事故門(mén)，切斷充水水流，保持船廂平穩(wěn)停機(jī)。如果泄水閥門(mén)在開(kāi)啟時(shí)突然斷電，豎井水位繼續(xù)下降，船廂會(huì)不斷上升，此時(shí)必須緊急關(guān)閉下游快速事故門(mén)，切斷泄水水流，停止升船機(jī)繼續(xù)運(yùn)行。

制動(dòng)器如果失去了驅(qū)動(dòng)力，會(huì)自動(dòng)制動(dòng)，如果充、泄水閥在開(kāi)啟狀態(tài)，將會(huì)造成嚴(yán)重事故，此時(shí)必須緊急關(guān)閉充、泄水閥門(mén)，同時(shí)根據(jù)船廂高程和水深調(diào)節(jié)豎井水深，保持浮筒和船廂兩端受力平衡。

承船廂在上游對(duì)接狀態(tài)突然斷電，不能解除上游對(duì)接，如上游水位變化較快，應(yīng)關(guān)閉上閘首工作小門(mén)以切斷與上游水庫(kù)的連通。承船廂在下游對(duì)接狀態(tài)突然斷電，不能解除下游對(duì)接，如下游水位變化較快，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)啟動(dòng)微調(diào)程序調(diào)整承船廂位置。

當(dāng)承船廂在上游對(duì)接時(shí)上閘首子站突然斷電，升船機(jī)系統(tǒng)不能解除上游對(duì)接，如果上游水位變化較快，可能發(fā)生事故，必須關(guān)閉承船廂上游臥倒門(mén)以切斷與上游水庫(kù)的連通。

集控系統(tǒng)斷電不影響升船機(jī)正常運(yùn)行，各現(xiàn)地控制子站轉(zhuǎn)入現(xiàn)地控制方式可以繼續(xù)運(yùn)行升船機(jī)到安全狀態(tài)。

5.4 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)故障

景洪水電站升船機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)由光纖雙環(huán)以太干網(wǎng)和各現(xiàn)地子站內(nèi)部網(wǎng)組成。網(wǎng)絡(luò)故障可能會(huì)發(fā)生在每個(gè)現(xiàn)地子站內(nèi)部，也可能在雙環(huán)以太網(wǎng)。

如果驅(qū)動(dòng)現(xiàn)地子站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)故障，將無(wú)法向制動(dòng)泵站控制單元、充水閥門(mén)控制單元、泄水閥門(mén)控制單元、下游閥室出水口快速事故門(mén)控制單元下發(fā)動(dòng)作命令和停止動(dòng)作命令。此時(shí)只能通過(guò)驅(qū)動(dòng)的遠(yuǎn)程IO系統(tǒng)快速關(guān)閉充、泄水閥門(mén)，同時(shí)也可以關(guān)閉進(jìn)、出水口快速事故門(mén)，以確保升船機(jī)安全。

如果是承船廂現(xiàn)地子站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)故障，則承船廂頂夾緊裝置、防撞繩裝置、上游船廂門(mén)、下游船廂門(mén)等無(wú)法實(shí)現(xiàn)左右同步。如果在對(duì)接位置則無(wú)法解除對(duì)接，如果遇到緊急情況需要立即解除對(duì)接，可不考慮同步，通過(guò)手動(dòng)方式收回船廂相關(guān)設(shè)備。

如果上閘首現(xiàn)地子站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)故障，則上閘首工作大門(mén)、工作小門(mén)、引水管進(jìn)口快速事故門(mén)無(wú)法與上閘首現(xiàn)地子站通訊，如果船廂在上游對(duì)接位，無(wú)法自動(dòng)解除對(duì)接。只能將控制方式轉(zhuǎn)為手動(dòng)后解除上游對(duì)接。

當(dāng)監(jiān)控雙環(huán)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)故障，無(wú)法實(shí)現(xiàn)站間正常通信，則升船機(jī)的運(yùn)行安全將無(wú)法保證，升船機(jī)必須快速停止。所以在控制系統(tǒng)各現(xiàn)地子站間必須設(shè)有重要信號(hào)的硬接線閉鎖。

5.5 檢測(cè)系統(tǒng)故障

景洪升船機(jī)的檢測(cè)裝置數(shù)量繁多，檢測(cè)設(shè)備的類(lèi)型也比較多，所以檢測(cè)設(shè)備故障在所難免。如果不能檢測(cè)船廂水深，則無(wú)法判斷船廂質(zhì)量是否在允許范圍之內(nèi)，存在安全隱患。應(yīng)停止升船機(jī)運(yùn)行，檢修維護(hù)。如在下游對(duì)接位，可根據(jù)船廂入水深度判斷船廂水深。但應(yīng)避免制動(dòng)器制動(dòng)。如果用于檢測(cè)承船廂水平度的水平連通管故障，船廂水平狀態(tài)不能直接檢測(cè)，會(huì)影響升船機(jī)安全，但可通過(guò)船廂4角位置測(cè)量裝置粗略判斷船廂水平度。

當(dāng)船廂入水深度檢測(cè)故障時(shí)，承船廂如在下游對(duì)接位，則可以通過(guò)船廂水深判斷入水深度；如在非對(duì)接位，則可通過(guò)船廂位置和下游水位間接計(jì)算出船廂入水深度。所以，此故障不會(huì)造成嚴(yán)重后果。

因?yàn)楦⊥菜?、位置檢測(cè)不作為直接控制使用，所以其檢測(cè)設(shè)備故障不會(huì)影響升船機(jī)正常運(yùn)行。

6 結(jié)論

景洪水電站水力式升船機(jī)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最不利工況的分析表明，充、泄水閥門(mén)故障和制動(dòng)器故障是影響景洪水電站水力式升船機(jī)安全運(yùn)行最嚴(yán)重事故，而其他事故工況只會(huì)造成運(yùn)行過(guò)程中斷，基本上不會(huì)影響升船機(jī)運(yùn)行安全。

在此基礎(chǔ)上，我們制定了景洪水電站水力式升船機(jī)電氣控制系統(tǒng)保護(hù)原則，即①把需要緊急快速關(guān)閉上、下游事故門(mén)的事故工況定義為升船機(jī)一類(lèi)故障。一類(lèi)故障必須在盡可能短的時(shí)間內(nèi)停止升船機(jī)運(yùn)行，此過(guò)程不考慮運(yùn)行平穩(wěn)及對(duì)設(shè)備造成的影響。②將需要快速關(guān)閉充、泄水閥門(mén)的事故工況定義為升船機(jī)二類(lèi)故障。二類(lèi)故障要求在不對(duì)升船機(jī)設(shè)備造成影響的情況下平穩(wěn)停止升船機(jī)運(yùn)行。③其他事故工況定義為三類(lèi)故障，三類(lèi)故障只作為報(bào)警提示，不停止升船機(jī)運(yùn)行，當(dāng)完成一個(gè)運(yùn)行流程后在查明原因，并排除故障。

目前，景洪水電站水力式升船機(jī)已順利完成單機(jī)和分系統(tǒng)調(diào)試，正在進(jìn)行承船廂無(wú)水聯(lián)合調(diào)試。各階段的調(diào)試工作證明，對(duì)水力式升船機(jī)事故工況分析和應(yīng)對(duì)策略是正確的。

［1］ 張蕊，章晉雄，吳一紅，等.水力浮動(dòng)式升船機(jī)輸水系統(tǒng)仿真分析［J］.水利學(xué)報(bào)， 2007， 38（5）:624-629， 636.

［2］ 劉金堂，曹以南，凌云，等.景洪水力式升船機(jī)設(shè)計(jì)研究［J］.水力發(fā)電， 2008， 34（4）:43-45.