水口水電站泄洪閘門遠(yuǎn)方自動(dòng)控制研究

方元芳

摘 要：水口水電站泄洪閘門的控制方式采用自動(dòng)控制和遠(yuǎn)方集中控制系統(tǒng)?；诖?，本文主要介紹水口水電站泄洪閘門運(yùn)行過(guò)程中存在的問(wèn)題，并提出對(duì)應(yīng)措施，以期實(shí)現(xiàn)水電站泄洪閘門遠(yuǎn)方自動(dòng)控制。

關(guān)鍵詞：泄洪設(shè)備；遠(yuǎn)方控制；提升

中圖分類號(hào)：TV663；TV736 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）19-0084-03

Study on Remote Automatic Control of Flood Discharge

Gate of Shuikou Hydropower Station

FANG Yuanfang

（Fujian Shuikou Power Generation Group Co.， Ltd.，F(xiàn)uzhou Fujian 350004）

Abstract： Automatic control and remote centralized control system are adopted to control flood discharge gates at Shuikou Hydropower Station. This paper mainly introduced the existing problems in the running process of flood discharge gate of Shuikou Hydropower Station， and put forward corresponding measures in order to realize the remote automatic control of the flood discharge gate of the hydropower station.

Keywords： a flood discharge equipment；a remote control； a lift.

1 水口水電站泄洪閘門遠(yuǎn)方自動(dòng)控制概況

水口水電站設(shè)有12孔溢洪道，是樞紐工程的主要泄洪設(shè)施。每孔設(shè)有一扇弧形工作閘門，采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作。受限于20世紀(jì)80年代初的機(jī)械設(shè)備加工能力，為解決孔口尺寸超大的溢洪道弧形工作閘門的啟閉問(wèn)題，中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院成功開發(fā)研制了一種新的機(jī)型——接力式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，其具有行程“以短代長(zhǎng)”和容量“以小代大”的特點(diǎn)。每套接力式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)由4只主液壓缸、4只副液壓缸、1個(gè)液壓泵站、液壓控制閥組以及電控設(shè)備等組成。吊點(diǎn)布置在閘門面板上，最大限度地增加啟門力臂后，啟門力僅為2×1 400kN；每一液壓缸最大行程僅為2.67m，閘門全開經(jīng)7次轉(zhuǎn)換接力完成，大大降低了液壓缸的制造難度[1，2]。

2 水口水電站泄洪閘門遠(yuǎn)方自動(dòng)控制現(xiàn)狀與存在問(wèn)題

從1993年投入運(yùn)行至今二十余年，接力式液壓?jiǎn)㈤]機(jī)經(jīng)受了歷年的啟閉運(yùn)行考驗(yàn)，表明該機(jī)型工作原理正確，總體布置方案可行，但運(yùn)行中尚存在如下問(wèn)題，導(dǎo)致遠(yuǎn)方自動(dòng)控制無(wú)法正常運(yùn)行：①受當(dāng)時(shí)技術(shù)水平的限制，雙吊點(diǎn)采用了開環(huán)同步糾偏系統(tǒng)，導(dǎo)致閘門啟閉過(guò)程出現(xiàn)偏斜而損壞側(cè)水封；②由于部分弧門面板上導(dǎo)軌表面平整度不夠，存在換鉤不可靠的隱患，啟閉過(guò)程需要操作人員現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)視；③國(guó)產(chǎn)液壓泵運(yùn)行多年，容積效率低，閘門啟閉速度比設(shè)計(jì)值降低較多；④油箱容積偏小，運(yùn)行時(shí)油液溫升偏高；⑤部分液壓缸活塞桿存在鍍鉻層剝落現(xiàn)象。

因此，需應(yīng)用現(xiàn)有的技術(shù)及設(shè)計(jì)理念對(duì)設(shè)備進(jìn)行有針對(duì)性的改造，以達(dá)到遠(yuǎn)方自動(dòng)控制及提升運(yùn)行安全可靠性的目的。

3 解決水口水電站泄洪閘門遠(yuǎn)方自動(dòng)控制問(wèn)題的措施

3.1 液壓系統(tǒng)改進(jìn)方案及優(yōu)化內(nèi)容

3.1.1 液壓系統(tǒng)改進(jìn)方案。液壓缸有無(wú)桿腔采用不同的供油方式。本文共提出以下2套液壓系統(tǒng)原理方案。

方案一：每臺(tái)啟閉機(jī)共配置5套泵組，高壓泵組共3套，向液壓缸有桿腔供油，兩用一備工作；低壓泵組共2套，向液壓缸無(wú)桿腔供油，一用一備工作。雙吊點(diǎn)同步偏差控制采用閉環(huán)糾偏控制系統(tǒng)，每個(gè)吊點(diǎn)的2套液壓缸有桿腔和無(wú)桿腔獨(dú)立供油，采用拉桿代替原設(shè)備的副缸功能，避免了原液壓系統(tǒng)無(wú)桿腔串聯(lián)帶來(lái)的互相干擾問(wèn)題，提高了每個(gè)吊點(diǎn)2缸反向運(yùn)動(dòng)的同步控制能力。

方案二：每個(gè)吊點(diǎn)的2套液壓缸無(wú)桿腔采用可控的串聯(lián)方式，每臺(tái)啟閉機(jī)共配置2套泵組，向液壓缸有桿腔供油，一用一備工作。其他設(shè)備除閥組外，與方案一相同，但通過(guò)每個(gè)吊點(diǎn)兩缸無(wú)桿腔采用的可控串聯(lián)手段，使其具有方案一的全部功能。其中，空載缸雙缸同步控制僅需在行程末端進(jìn)行糾偏，由于本方案油源系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)功率配置比方案一小，因此更節(jié)能。

3.1.2 優(yōu)化內(nèi)容。雙吊點(diǎn)同步偏差控制改用閉環(huán)糾偏控制系統(tǒng)，雙吊點(diǎn)的同步偏差信號(hào)直接取自閘門。調(diào)試過(guò)程中，根據(jù)門槽的實(shí)際情況，可直接調(diào)整閘門啟閉時(shí)的運(yùn)行姿態(tài)，避免側(cè)水封因過(guò)度擠壓而磨損。

方案一：提升缸與下降缸分別由高壓泵組與低壓泵組控制，提高系統(tǒng)對(duì)液壓缸反向同步性能的控制，并為取消副缸創(chuàng)造條件。

方案二：每個(gè)吊點(diǎn)2套液壓缸無(wú)桿腔采用可控串聯(lián)方式，空載缸雙缸同步僅需在行程末端進(jìn)行糾偏，啟門時(shí)提升缸先動(dòng)作，閉門時(shí)下行缸先動(dòng)作，為取消副缸及泵組按一用一備配置創(chuàng)造條件。

3.2 增加閉環(huán)同步偏差控制功能及雙吊點(diǎn)同步偏差檢測(cè)裝置

為有效控制閘門啟閉運(yùn)行的姿態(tài)，系統(tǒng)設(shè)置了雙比例調(diào)速閥并聯(lián)二通調(diào)速閥的閉環(huán)同步偏差控制回路，通過(guò)控制有桿腔的進(jìn)、出油量實(shí)現(xiàn)啟閉過(guò)程中的雙缸同步糾偏目標(biāo)。

原液壓系統(tǒng)影響弧形閘門雙吊點(diǎn)不同步的原因：液壓缸和液壓系統(tǒng)不可避免地存在內(nèi)外泄漏和液壓管道液阻差的問(wèn)題，使得2套持門缸的進(jìn)出油量差異引起行程偏差；對(duì)應(yīng)4只主液壓缸，弧門面板上設(shè)有4列導(dǎo)軌和吊耳板，共分7次交替接力完成閘門的啟閉操作，各吊耳軸中心線之間的間距制造、安裝誤差引起2套持門缸的行程累計(jì)偏差。

為有效解決上述制造、安裝誤差引起的累積偏差對(duì)閘門啟閉運(yùn)行姿態(tài)的影響，采用2套外置式雙吊點(diǎn)同步偏差檢測(cè)裝置，安裝于孔口閘墩的兩側(cè)墻上，傳動(dòng)鋼絲繩與布置在閘門邊梁后翼緣上的固定點(diǎn)連接。2套空載缸同步偏差檢測(cè)信號(hào)取自每套液壓缸總成的內(nèi)置式行程檢測(cè)裝置，該裝置安裝在拉桿上端，帶有3付上、下行程極限開關(guān)，其開關(guān)量輸出信號(hào)用于接力轉(zhuǎn)換備用控制信號(hào)。2種檢測(cè)裝置的檢測(cè)元件均為絕對(duì)型光電編碼器。

3.3 增加防脫軌導(dǎo)輪裝置

為解決空載液壓缸升降運(yùn)行全程的平穩(wěn)性，需設(shè)置防脫軌導(dǎo)輪裝置。原設(shè)計(jì)利用弧門面板上的兩片吊耳板作為導(dǎo)輪軌道，由于吊耳板切割端面未進(jìn)行機(jī)械加工，作為導(dǎo)輪的兩軌頂面存在高差，使得空載缸吊鉤在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)搖擺現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)出現(xiàn)脫軌傾向。

增加的導(dǎo)輪裝置按照保證空載液壓缸升降運(yùn)行全程不脫軌和不影響帶載工況運(yùn)行的原則設(shè)計(jì)。在吊鉤與活塞桿吊頭連接軸兩端跨弧門面板上兩條吊耳板各安裝一個(gè)導(dǎo)向輪，利用弧門面板作為導(dǎo)輪的滾動(dòng)面，弧門面板的平整度可防止產(chǎn)生嚴(yán)重的搖擺現(xiàn)象，運(yùn)行全程，導(dǎo)輪與吊耳板之間有足夠的側(cè)向限位高度，避免出現(xiàn)脫軌傾翻的情況。

3.4 液壓缸行程檢測(cè)裝置改進(jìn)

液壓缸行程檢測(cè)裝置用于空載缸行程偏差值信號(hào)的檢測(cè)，以及為電液控制系統(tǒng)提供接力轉(zhuǎn)換信號(hào)。本次改造設(shè)計(jì)液壓缸行程檢測(cè)裝置采用內(nèi)置式行程檢測(cè)裝置，安裝于拉桿結(jié)構(gòu)端部，檢測(cè)元件采用絕對(duì)型光電編碼器，由不銹鋼傳動(dòng)鋼絲繩通過(guò)卷筒和恒力自卷復(fù)位彈簧驅(qū)動(dòng)編碼器旋轉(zhuǎn)，能真實(shí)、精確地檢測(cè)液壓缸行程。

3.5 電氣同步方面的改進(jìn)

3.5.1 閘門同步控制。在閘門啟閉過(guò)程中，安裝于弧形閘門兩側(cè)的行程檢測(cè)裝置全程連續(xù)檢測(cè)弧形閘門左右兩邊的行程偏差，當(dāng)偏差值≥20mm（可調(diào)）時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整持門缸的電液比例流量閥的開口大小，當(dāng)偏差值≤10mm（可調(diào)）時(shí)，糾偏調(diào)節(jié)停止。當(dāng)兩只液壓缸的行程偏差值≥30mm（可調(diào)）時(shí)，液壓系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

3.5.2 空載缸同步控制。在閘門啟閉過(guò)程中，液壓缸行程檢測(cè)裝置全程連續(xù)檢測(cè)空載缸的行程偏差，當(dāng)偏差值≥8mm（可調(diào)）時(shí)，液壓系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整空載缸的電液比例和流量閥的開口大小，當(dāng)雙缸行程偏差值≤5mm（可調(diào)）時(shí)，糾偏調(diào)節(jié)停止。當(dāng)行程偏差值≥20mm（可調(diào)）時(shí)，液壓系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。在行程末端的非串聯(lián)狀態(tài)，空載缸的同步偏差需根據(jù)液壓缸行程檢測(cè)裝置提供的偏差信號(hào)進(jìn)行糾偏控制，以滿足雙吊點(diǎn)翻鉤動(dòng)作基本一致的要求[3-10]。

3.6 電氣控制設(shè)備的要求

3.6.1 遠(yuǎn)程監(jiān)控。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)要具有遠(yuǎn)方控制能力，其電控柜內(nèi)應(yīng)留有與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)壩頂LCU及其遠(yuǎn)程I/O連接的開關(guān)量和模擬量輸入輸出接口，同時(shí)應(yīng)具有與監(jiān)控系統(tǒng)的通信接口。

3.6.2 現(xiàn)地控制要求?？刂乒駜?nèi)設(shè)有1套PLC，用于閘門的控制。具有順控、調(diào)節(jié)、過(guò)程輸入/輸出、數(shù)據(jù)處理和外部通信功能。微處理器應(yīng)具有高抗干擾性和低功耗性，字長(zhǎng)至少為16位。CPU存儲(chǔ)器應(yīng)有內(nèi)部電池支持，保證數(shù)據(jù)及軟件程序不因工作電源消失而丟失，電池工作壽命不少于2年，一旦電池異常，應(yīng)對(duì)外輸出報(bào)警信號(hào)。PLC的主要執(zhí)行程序和應(yīng)用程序應(yīng)以EEPROM的方式固化在CPU中。PLC模塊應(yīng)具有自檢功能，對(duì)硬件和軟件進(jìn)行經(jīng)常監(jiān)視。I/O硬件應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)單元插件式，同類插件應(yīng)有互換性。I/O模塊應(yīng)按交流和直流電源分開，以防止電氣干擾和混淆。閘門開度（行程）檢測(cè)裝置可采用數(shù)據(jù)通訊方式與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，接口應(yīng)滿足現(xiàn)場(chǎng)總線的連接要求，如有必要，應(yīng)提供通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換器。

3.6.3 閘門水封噴淋裝置控制。液壓?jiǎn)㈤]機(jī)電控柜設(shè)有閘門水封噴淋潤(rùn)滑裝置操作程序，開啟或關(guān)閉閘門前應(yīng)先開啟噴淋裝置，閘門開啟或關(guān)閉到位，液壓系統(tǒng)停機(jī)后，關(guān)閉噴淋裝置，并具備自動(dòng)與手動(dòng)切換的開關(guān)。

4 結(jié)語(yǔ)

水電站泄洪閘門遠(yuǎn)方集中控制是智能化電站建設(shè)的趨勢(shì)。本文根據(jù)運(yùn)行中存在問(wèn)題，提出對(duì)應(yīng)措施，以期設(shè)備通過(guò)升級(jí)改造能達(dá)到遠(yuǎn)方自動(dòng)控制的運(yùn)行方式。

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