金沙江向家壩升船機(jī)設(shè)計(jì)與運(yùn)行概述

李志祥 王向輝 楊鵬

摘 要：向家壩升船機(jī)采用全平衡齒輪爬升螺母柱保安式一級(jí)垂直升船機(jī)，最大提升高度114.20m，是當(dāng)今已投運(yùn)升船機(jī)世界之最。2018年5月26日向家壩升船機(jī)投入試通航運(yùn)行，試通航運(yùn)行第二個(gè)年度貨運(yùn)量就達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，通航效益顯著，是目前國(guó)內(nèi)運(yùn)行最繁忙的升船機(jī)。本文概要介紹了向家壩升船機(jī)特點(diǎn)、主要設(shè)備、運(yùn)行流程及試通航運(yùn)行情況。

關(guān)鍵詞：升船機(jī);主要設(shè)備;運(yùn)行流程;試通航運(yùn)行

中圖分類號(hào)：U642? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2020）09-0049-02

向家壩升船機(jī)按Ⅳ級(jí)航道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)代表船型為2×500t級(jí)一頂二駁船隊(duì)，同時(shí)兼顧1000t級(jí)單船。設(shè)計(jì)年過壩貨運(yùn)量為112萬噸（其中下行占95%），客運(yùn)量為40萬人次。

向家壩水電站通航設(shè)施主要由上游引航道、上閘首（包括擋水壩段和渡槽段）、船廂室段、下閘首和下游引航道（含輔助閘室與輔助閘首）五部分組成，全長(zhǎng)1530m。向家壩升船機(jī)最大提升高度114.2 m，承船廂與廂內(nèi)水體總重量約為8150t，正常升降速度0.2 m/s ，上游通航水位變幅10m，下游通航水位變幅 11.45m，其規(guī)模和技術(shù)復(fù)雜程度均超過了國(guó)內(nèi)外已建和在建的升船機(jī)。

1向家壩升船機(jī)機(jī)型及特點(diǎn)

1.1? 機(jī)型的確定

向家壩升船機(jī)是電站的唯一通航設(shè)施，安全可靠性是方案比選的首要因素，向家壩升船機(jī)最終采用全平衡齒輪爬升螺母柱保安式一級(jí)垂直升船。

1.2? 向家壩升船機(jī)的特點(diǎn)

向家壩升船機(jī)是建設(shè)在高水頭水電站上的通航建筑物，主要具有如下特點(diǎn)：

（1）過船噸位大：向家壩升船機(jī)一次可以通過2×500t級(jí)船隊(duì)，兼顧1000t級(jí)單船。

（2）提升高度大：向家壩升船機(jī)最大提升高度為114.20m，是目前已投運(yùn)升船機(jī)之最。

（3）上、下游水位變幅較大：升船機(jī)上、下游通航水位變幅分別為10.00m和11.45m。

（4）下游水位變率較大：由于電站單機(jī)容量大（800MW），單機(jī)引用流量大（893m3/s），機(jī)組臺(tái)數(shù)多達(dá)8臺(tái)，一臺(tái)機(jī)組的流量變化可以導(dǎo)致下游水位變化1.00m左右。因此，電站在調(diào)峰運(yùn)行、大壩泄洪及機(jī)組甩負(fù)荷等工況時(shí)將導(dǎo)致下游水位在短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)較大變化，升船機(jī)運(yùn)行至下游時(shí)將可能遇到較大的水位變率，這也是設(shè)置輔助閘室的原因之一。

1.3? 通航條件

向家壩升船機(jī)是建設(shè)在高水頭、窄河谷、大比降河道上，通航條件要求高，見表1。

2 主要設(shè)備及功能

向家壩升船機(jī)采用全平衡齒輪爬升螺母柱保安式方案，其眾多設(shè)備采用更加高效、穩(wěn)定的工作原理，多為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，且國(guó)內(nèi)外無借鑒經(jīng)驗(yàn)，如大型薄板雙通道箱型承船廂、楔塊自鎖縱導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、多油缸配合頂緊對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)、超長(zhǎng)距離垂直供電滑線等，提高了向家壩升船機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

上、下閘首工作閘門，閘門型式選擇下沉式平面閘門，保證升船機(jī)適應(yīng)上下游水位變化。門體上部為凹槽結(jié)構(gòu)，在凹槽中設(shè)置臥倒式通航閘門;在工作閘門內(nèi)側(cè)設(shè)置U形對(duì)接密封裝置。同時(shí)在工作閘門門體內(nèi)還設(shè)置對(duì)接充泄水系統(tǒng)，用于對(duì)船廂與工作閘門之間的間隙進(jìn)行充（泄）水和調(diào)節(jié)船廂水深。工作閘門由雙吊點(diǎn)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作。

上下閘首之間是升船機(jī)船廂室段，主要由塔柱結(jié)構(gòu)、船廂及船廂設(shè)備、平衡重系統(tǒng)等組成。船廂室段為整體式塢式結(jié)構(gòu)，對(duì)稱布置4個(gè)承重塔柱筒體，總高180.50m。每個(gè)塔柱的內(nèi)側(cè)布置一個(gè)凹槽，凹槽的墻壁上設(shè)有齒輪爬升的齒條和安全機(jī)構(gòu)的螺母柱。同時(shí)在每個(gè)塔柱內(nèi)部分別設(shè)4個(gè)平衡重豎井用于容納平衡重組件升降運(yùn)行。

船廂采用盛水結(jié)構(gòu)與承載結(jié)構(gòu)合為一體的自承載式結(jié)構(gòu)型式，由128根Ф76mm的鋼絲繩懸吊。船廂有效水域長(zhǎng)116m、寬12m、深3.0m。船廂結(jié)構(gòu)、設(shè)備和3.0m標(biāo)準(zhǔn)水深的水體總重量約8150t。船廂兩側(cè)對(duì)稱布置4個(gè)側(cè)翼平臺(tái)，在每個(gè)平臺(tái)上分別設(shè)一個(gè)驅(qū)動(dòng)及安全機(jī)構(gòu)室以及相應(yīng)的電氣控制設(shè)備。在船廂上還設(shè)置了船廂門及其啟閉機(jī)、導(dǎo)向裝置、對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)、防撞裝置以及液壓泵站等機(jī)械設(shè)備。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用齒輪齒條傳動(dòng)方式，齒輪通過齒輪托架機(jī)構(gòu)支承在船廂的側(cè)翼平臺(tái)上，齒輪托架機(jī)構(gòu)可適應(yīng)船廂和塔柱之間的相對(duì)位置變化，4套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過機(jī)械同步軸軸聯(lián)結(jié)，形成封閉矩形結(jié)構(gòu)機(jī)械同步系統(tǒng)，使 4 個(gè)開式齒輪同步爬升。安全機(jī)構(gòu)采用長(zhǎng)螺母、短螺桿自鎖方式，旋轉(zhuǎn)螺桿豎向布置在剖分式螺母柱的空腔內(nèi)。螺桿的傳動(dòng)系統(tǒng)與相鄰驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的齒輪之間通過機(jī)械軸相連，使齒輪與螺桿同步升降。船廂正常升降時(shí)，螺桿在螺母柱內(nèi)空轉(zhuǎn)，遇事故后螺桿與螺母柱的螺紋副間隙消失，船廂將被鎖定在螺母柱上，事故載荷通過船廂主橫梁傳遞到塔柱結(jié)構(gòu)上。船廂兩端各布置一扇下沉式弧形閘門，閘門開啟后臥倒于船廂門龕內(nèi)。在距船廂門兩端面4.5m處各設(shè)有一套帶液壓緩沖的防撞裝置，用于防止船舶失速撞擊船廂門。在每套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的下方，布置一套船廂橫向?qū)蜓b置，利用齒條底座板作為導(dǎo)軌。在正常運(yùn)行工況下，橫導(dǎo)向機(jī)構(gòu)承受運(yùn)行風(fēng)載荷并對(duì)船廂進(jìn)行橫向?qū)颍诘卣鸸r下傳遞船廂的橫向地震載荷。在船廂兩側(cè)布置縱導(dǎo)向與頂緊裝置，在正常運(yùn)行工況下，縱導(dǎo)向承受運(yùn)行風(fēng)載并對(duì)船廂進(jìn)行縱向?qū)?，在與閘首對(duì)接期間頂緊機(jī)構(gòu)使船廂縱向鎖定，同時(shí)在地震工況下傳遞船廂的縱向地震載荷。在船廂兩側(cè)對(duì)稱布置4套對(duì)接鎖定裝置，用以在對(duì)接狀態(tài)下將船廂豎向鎖定，可適應(yīng)船廂和塔柱之間的縱、橫向相對(duì)變位。

驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電氣傳動(dòng)控制采用“機(jī)械同步軸+電氣出力均衡”控制方案，采用速度、電流雙閉環(huán)無級(jí)調(diào)速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，多電機(jī)速度環(huán)出力均衡控制方案，實(shí)現(xiàn)4臺(tái)電動(dòng)機(jī)的出力均衡。

由于下游水位變率較大，無法滿足升船機(jī)運(yùn)行技術(shù)要求，為確保升船機(jī)安全、連續(xù)運(yùn)行，首次采用在下閘首下游側(cè)布置輔助閘室和輔助閘首。輔助閘首布置有防撞裝置和工作閘門。

3 運(yùn)行流程

向家壩升船機(jī)可雙向運(yùn)行，以上行為例，上行過壩船舶停泊于下游輔助閘室內(nèi)等待進(jìn)廂;壩頂活動(dòng)橋開啟并鎖定，活動(dòng)公路橋兩端的警示道閘關(guān)閉;船廂運(yùn)行至下游對(duì)接位，對(duì)接鎖定結(jié)構(gòu)鎖定，液氣彈簧泄壓，下游頂緊機(jī)構(gòu)推出;下閘首密封框伸出，間隙充水;下閘首通航閘門和下廂頭船廂門開啟;下廂頭防撞裝置帶索提升，上廂頭防撞裝置無索提升，下閘首防撞梁開啟;船廂水域與輔助閘室水域連通;升船機(jī)通航信號(hào)燈“綠燈亮”，船舶可以進(jìn)廂。

船舶進(jìn)廂系纜、發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后，升船機(jī)進(jìn)入解除對(duì)接工作流程。

下閘首通航門關(guān)閉，上下廂頭防撞吊架落，下廂頭船廂門關(guān)，下游間隙排水，上廂頭防撞鋼絲繩拉緊，下閘首密封框退，下游頂緊退回，液氣彈簧充壓，對(duì)接鎖定解鎖。船廂上行至對(duì)接位，重復(fù)以上流程，上游水域聯(lián)通后，船舶出廂，完成上行運(yùn)行。

4 試通航運(yùn)行

向家壩升船機(jī)從2018年5月26日投入試通航運(yùn)行至今，每天運(yùn)行10h。截至2020年6月30日，累計(jì)運(yùn)行538天、4737廂次、通過船舶4906艘次，載貨179萬噸。向家壩升船機(jī)自開通試通航運(yùn)行以來，過壩船舶及過貨量快速上升并達(dá)到飽和，通航效益顯著屬國(guó)內(nèi)鮮有。5 結(jié)論

向家壩通航設(shè)施工程規(guī)模，升船機(jī)采用國(guó)內(nèi)少有的齒輪齒條爬升螺母柱保安式升船機(jī)，技術(shù)復(fù)雜、運(yùn)行要求高，自2018年5月投入試通航以來，已經(jīng)安全運(yùn)行近2年，快速增長(zhǎng)的通航量很好的證明了其安全性能高、運(yùn)行效率快、通航能力強(qiáng)。

但隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，升船機(jī)各類設(shè)備、設(shè)施的損耗也在累積，因此在后續(xù)升船機(jī)運(yùn)行過程中還要不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，持續(xù)提升升船機(jī)運(yùn)行維護(hù)水平，確保升船機(jī)長(zhǎng)周期的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃文利等. 向家壩水電站升船機(jī)通航驗(yàn)收設(shè)計(jì)報(bào)告 長(zhǎng)沙 中國(guó)電建中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司， 2019.