亭子口水利樞紐底孔弧形工作門控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

齊向輝，張文劍

(西安航天自動化股份有限公司，陜西 西安 710065)

0 工程概況

亭子口水利樞紐位于四川省廣元市蒼溪縣境內(nèi)，是嘉陵江干流開發(fā)中唯一的控制性工程，是以防洪、灌溉及城鄉(xiāng)供水、發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)，并具有攔沙減淤等效益的綜合利用工程。工程主體建筑物從左岸至右岸依次布置有左岸非溢流擋水壩段，左岸廠房壩段、底孔壩段、表孔壩段、升船機(jī)壩段和右岸非溢流壩段等建筑物組成，在樞紐工程左右岸各設(shè)置有一座灌溉引水渠首。水庫正常蓄水位458 m，死水位438 m，設(shè)計(jì)洪水位461.3 m，校核洪水位463.07 m，總庫容40.67億 m3，電站裝機(jī)1 100 MW，通航建筑物為2 ×500 t級［1］。

大壩共設(shè)5孔底孔，分別布置在22～26號壩段，每孔設(shè)有底孔弧形工作門，工作門設(shè)計(jì)尺寸為6 000 mm×9 000 mm，設(shè)計(jì)水位461.3 m，工作門底坎高程 373.5 m，設(shè)計(jì)水頭 88.3 m，支鉸高程386.5 m，弧門曲率半徑18.00 m，動水啟閉。底孔弧形工作門設(shè)有兩套止水系統(tǒng)，一套為常規(guī)止水檢修門，一套為充壓止水工作門，充壓止水工作門寬7 m，弧門半徑18 m，面板弧長12.79 m，支鉸中心距3.6 m，通過安裝在啟閉機(jī)房內(nèi)的5 000/1 600 kN單缸液壓啟閉機(jī)啟閉［1］。

1 控制對象

嘉陵江亭子口水流樞紐底孔弧形工作門電氣控制系統(tǒng)的控制對象為亭子口水電站5扇底孔弧形工作門及其相應(yīng)液壓啟閉機(jī)設(shè)備和底孔充壓式止水裝置。每扇工作門設(shè)置1套液壓泵站，每扇工作門采用1套單吊點(diǎn)液壓啟閉機(jī)啟閉。

1)控制原理

底孔弧形工作門電氣控制系統(tǒng)系統(tǒng)采用分布式控制系統(tǒng)［2］，與電站集控系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接口通訊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視本站系統(tǒng)狀態(tài)和控制弧形工作門運(yùn)行的功能?，F(xiàn)地電氣控制系統(tǒng)根據(jù)操作或指令來對液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)雙作用油缸的伸出或縮回，帶動弧形工作門運(yùn)行。單套控制系統(tǒng)控制框圖如圖1所示。

圖1 泄洪底孔工作門控制框圖

2)底孔弧形工作門的組成

底孔弧形工作門的組成包括:油缸、擺動機(jī)架、固定下機(jī)架、相應(yīng)埋件、檢修平臺和爬梯、軸承、聯(lián)門軸及軸端擋板和緊固件、行程檢測和指示裝置、行程限位裝置、液壓泵站、液壓管路系統(tǒng)、重力油箱補(bǔ)油回路系統(tǒng)、底孔充壓式止水裝置、電力拖動和控制系統(tǒng)。

3)底孔弧形工作門的主要參數(shù)

表1 泄洪底孔弧形工作門5 000/1 600 kN液壓啟閉機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 控制功能

底孔弧形工作門每套控制系統(tǒng)采用可編程控制的PLC作為控制主機(jī)［3-4］，實(shí)現(xiàn)啟閉機(jī)等設(shè)備的監(jiān)視與控制，并通過以太網(wǎng)通訊接口與電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地手動、現(xiàn)地自動以及遠(yuǎn)方自動操作，三種控制方式相互閉鎖。

控制系統(tǒng)可通過“遠(yuǎn)方自動”、“現(xiàn)地自動”和“現(xiàn)地手動”三種運(yùn)行方式對液壓啟閉機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)工作門的開啟、關(guān)閉，充壓水封的充水、泄水，主要完成的功能有:

(1)工作門開啟、關(guān)閉的控制功能(全程啟閉或局部啟閉);

(2)充泄水系統(tǒng)的充水操作;

(3)充泄水系統(tǒng)的泄水操作;

(4)工作門啟閉控制與充泄水系統(tǒng)的電氣互鎖保護(hù);

(5)工作門下滑自動回升功能;

(6)高位油箱補(bǔ)油控制。

具體控制要求如下:

(1)工作門開啟控制:通過控制相應(yīng)的液壓回路，使雙作用油缸縮回，帶動工作門向全開位運(yùn)動。首先啟動油泵電機(jī)，油泵運(yùn)行穩(wěn)定，打開建壓閥，待系統(tǒng)壓力正常后，打開啟門閥，使油缸開始縮回。工作門開啟前，應(yīng)確認(rèn)充壓水封內(nèi)完全排出后，再執(zhí)行工作門開啟操作。

(2)工作門關(guān)閉控制:通過控制相應(yīng)的液壓回路，使雙作用油缸伸出，帶動工作門向全關(guān)位運(yùn)動。首先啟動油泵電機(jī)，一定時(shí)間后，打開建壓閥，待系統(tǒng)壓力正常后，打開閉門閥，使油缸開始伸出。工作門關(guān)閉到全關(guān)位后，應(yīng)執(zhí)行充水控制，使充壓水封處于充水狀態(tài)。

(3)泄水控制:工作門開啟前，如在全關(guān)位，應(yīng)首先將充壓水封內(nèi)的水完全排出，使工作門與充壓水封沒有受力，待充壓水封內(nèi)的水完全排出后，再開啟工作門。首先關(guān)閉進(jìn)水蝶閥，進(jìn)水蝶閥關(guān)閉到位后，通過控制相應(yīng)的液壓回路，打開位于工作門底坎位置的液控閥，使水封內(nèi)的水由液控閥排出，一定時(shí)間后，水封內(nèi)的水完全排出。充壓水封的泄水控制與工作門的啟閉控制相互閉鎖、不同時(shí)運(yùn)行。

(4)充水控制:工作門關(guān)閉到全關(guān)位后，應(yīng)對充壓水封進(jìn)行充水控制，使充壓水封內(nèi)完全充滿水;首先控制相應(yīng)的液壓回路，關(guān)閉位于工作門底坎位置的液控閥，然后打開進(jìn)水蝶閥，讓水開始流入充壓水封內(nèi)，一定時(shí)間后，水完全充滿充壓水封。充壓水封的泄水控制與工作門的啟閉控制相互閉鎖、不同時(shí)運(yùn)行。

(5)工作門下滑回升控制:在工作門的任一開度上，當(dāng)工作門液壓回路因泄漏，下滑量大于200 mm時(shí)，電氣控制系統(tǒng)自動發(fā)出報(bào)警信號，并自動啟動液壓啟閉機(jī)將工作門重新開啟至原高度。

(6)高位油箱補(bǔ)油控制:液壓系統(tǒng)設(shè)置有簡單可靠的、利用重力油箱向油缸上腔的補(bǔ)油回路，以補(bǔ)償油缸和系統(tǒng)的泄漏，當(dāng)高位油箱液位低于一定值后，自動開啟補(bǔ)油泵向高位油箱中補(bǔ)油，當(dāng)高位油箱液位高于一定值后，自動停止。

在現(xiàn)地自動或遠(yuǎn)方自動方式下，PLC站監(jiān)視工作門的位置和液壓系統(tǒng)的狀態(tài)，在沒有影響運(yùn)行的故障出現(xiàn)時(shí)，當(dāng)接收到現(xiàn)地或遠(yuǎn)方指令后，自動啟、閉門到預(yù)定位置。

綜合上述分析，設(shè)計(jì)底孔弧形工作門的工藝流程如圖2所示。

圖2 泄洪底孔弧形工作門控制流程圖

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)泄洪底孔弧形工作門的參數(shù)和控制要求，結(jié)合相應(yīng)的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，在總結(jié)以往項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)，在電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為每套電氣控制系統(tǒng)設(shè)置1面動力柜和1面操作控制柜。設(shè)備選型根據(jù)“性能可靠，維護(hù)方便、技術(shù)先進(jìn)，性價(jià)比高”的原則，在電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，PLC選用施耐德電氣公司Premium系列產(chǎn)品，主要低壓電氣設(shè)備如斷路器、接觸器、指示燈、按鈕、中間繼電器、開關(guān)電源等選用法國施耐德電氣公司產(chǎn)品，軟啟動器選用丹麥丹佛斯公司的MCD500系列原裝進(jìn)口產(chǎn)品，油缸行程通過數(shù)據(jù)采集精度高、準(zhǔn)確性好的絕對型編碼器進(jìn)行測量，其測量值以SSI方式送入PLC進(jìn)行處理。每套控制系統(tǒng)預(yù)留有光纖以太網(wǎng)通訊接口，可與電站集控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)通訊，實(shí)現(xiàn)工作門的遠(yuǎn)方自動控制。

表2 泄洪底孔工作門液壓啟閉機(jī)故障分類表［5］

3.2 保護(hù)設(shè)計(jì)

洪底孔弧形工作門液壓啟閉機(jī)電氣控制系統(tǒng)根據(jù)嚴(yán)重程度將故障分為三個(gè)級別:一類故障、二類故障和三類故障。其中，一類故障最為嚴(yán)重，必須馬上緊急停機(jī);二類故障可以按照工藝流程順序停機(jī);三類故障可以堅(jiān)持運(yùn)行完本次啟、閉門流程后再做檢查處理。

一類故障為緊急停機(jī)，電機(jī)停止運(yùn)行，溢流閥、啟門閥或閉門閥立即停止;同時(shí)聲光報(bào)警。

二類故障為正常停機(jī)，控制系統(tǒng)按照工藝流程控制工作門及啟閉機(jī)系統(tǒng)順序停機(jī);同時(shí)聲光報(bào)警。

三類故障為只聲光報(bào)警。

故障內(nèi)容、判定方法及故障類別如表2所示。

4 結(jié)束語

嘉陵江亭子口水利樞紐底孔弧形工作門電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)“安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、操作簡單”，滿足水電站“無人值班，少人值守”的現(xiàn)代化管理要求。從2011年8月份開始進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，于當(dāng)年10月份完成與液壓系統(tǒng)、油缸系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試實(shí)驗(yàn)，于2012年2月份完成現(xiàn)場安裝和無水調(diào)試實(shí)驗(yàn)，于2013年5月份完成有水調(diào)試實(shí)驗(yàn)，到目前為止運(yùn)行良好，保證了亭子口水利樞紐對嘉陵江流量的調(diào)控工作順利進(jìn)行。

［1］胡洪浪，倪志東.亭子口水利樞紐深孔弧門安裝［J］.水利發(fā)電2013，39(6):67-67.

［2］吳小平.基于PLC的中小型水電站閘門監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究［D］.陜西:西北農(nóng)林科技大學(xué)，2011.

［3］劉生建.淺談控制系統(tǒng)中PLC的合理選擇［J］.龍巖學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，23(3):59-61.

［4］王平，劉復(fù)玉.PLC自動控制系統(tǒng)可靠性研究［J］.電氣傳動，2001，43(1):36-38.

［5］方炎郴，吳斌，范鍇.高壩洲水電站表孔弧形閘門的自動控制［J］.水利水電快報(bào)，2002，23(5):12-12.