新型快速閘門卷揚式啟閉機技術研究與開發(fā)

董 杰，黃海楊，鄔海軍

(浙江省水利水電勘測設計院有限責任公司，浙江?杭州?310002)

1 概 述

快速閘門卷揚式啟閉機是水利水電工程上專門用于操作快速閘門的一種啟閉設備，用于機組需要停機或遇到事故時，驅(qū)動快速閘門將流道中的水流迅速斷流，保護機組不會出現(xiàn)反轉(zhuǎn)飛逸而造成損壞。隨著技術的發(fā)展，電站、泵站等工程中大流量機組不斷出現(xiàn)，與其配套的快速閘門孔口尺寸和啟閉機容量越來越大，并對閉門斷流時間等相關快速閘門卷揚式啟閉機性能的要求也越來越高。

目前常用的快速閘門卷揚式啟閉機仍采用傳統(tǒng)仿蘇聯(lián)樣式，電動機經(jīng)過減速器減速后驅(qū)動卷筒旋轉(zhuǎn)，使鋼絲繩繞進或繞出卷筒，從而使吊鉤升降，達到啟閉閘門的目的[1]。該樣式的啟閉機在使用過程中已經(jīng)暴露出諸多弊端：結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量大、整體效率較低，減速機維護復雜、潤滑油容易滲漏污染，限速器難以調(diào)節(jié)、發(fā)熱嚴重、壽命短。

鑒于目前快速閘門卷揚式啟閉機在使用中存在的不足，結(jié)合浙江省紹興市馬山閘強排及配套河道工程，通過對永磁驅(qū)動、雙吊點同步、安全保護、斷電快速閉門等成熟的工業(yè)起重機技術研究，開發(fā)一款新型快速閘門卷揚式啟閉機；利用永磁同步電機代替異步電動機加減速器，利用直流可控緩放制動器進行限速，并進行樣機試制與試驗，實現(xiàn)了快速閘門卷揚式啟閉機的無齒輪高效傳動、雙吊點同步、安全保護、可調(diào)可靠事故閉門速度。

2 關鍵技術研究

2.1 永磁驅(qū)動技術

最近幾年，隨著永磁材料開發(fā)技術的日益成熟，利用該技術的永磁同步電動機得到了廣泛應用。將表面式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁同步電動機和啟閉機的起升卷筒裝置結(jié)合，即將卷筒作為永磁同步電機的轉(zhuǎn)子，將永磁同步電機的定子鐵心和定子繞組置于卷筒軸上[2]；將編碼器安裝在卷筒軸上，用于檢測卷筒轉(zhuǎn)子的磁極位置，可實現(xiàn)起升機構(gòu)的閉環(huán)控制。

本次研究利用了永磁同步電機取代了傳統(tǒng)啟閉機上異步電動機加減速器的驅(qū)動方式，簡化了啟閉機整機結(jié)構(gòu)，解決了減速器潤滑油容易滲漏造成機房地面、水源等污染的難題；也使啟閉機結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)結(jié)構(gòu)接近對稱，兩側(cè)基礎載荷接近。更重要的是使啟閉機具備了永磁同步電機的優(yōu)點，能做到速度調(diào)節(jié)范圍廣、帶載啟動不下滑、柔性啟動、零速制動、輕載快速、啟動電流無沖擊等；其中啟動電流不超過額定工作電流，既省電又避免了對電氣系統(tǒng)的頻繁沖擊，延長電氣壽命，節(jié)省母線投資。

2.2 雙吊點同步技術

雙吊點的閘門在啟閉時一般要求雙吊點同步，以避免閘門傾斜卡阻。目前常用的做法是在兩套起升機構(gòu)間設置剛性同步軸，同步軸的存在增大了啟閉機的轉(zhuǎn)動慣量，隔斷了兩機架之間的通道；且同步軸為旋轉(zhuǎn)部件，需要設置防護裝置；當啟閉機的吊點距較大時，這些弊端就更為明顯。因此，本次研究采用雙吊點同步技術來替代傳統(tǒng)的同步軸。

雙吊點同步技術通過在兩套起升機構(gòu)的起升卷筒上分別安裝絕對值編碼器，PLC實時采集絕對值編碼器的編碼值，計算吊鉤實時高度；從而通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速來控制兩吊鉤的高度差，實現(xiàn)雙吊點同步運行。

2.3 安全保護技術

對于在安全保護要求較高場合應用的啟閉機，為防止工作制動器失效，需要額外加裝安全制動器，其中最可靠的安裝方式為在卷筒上加裝盤式制動器。傳統(tǒng)啟閉機安全制動器需要獨立的控制系統(tǒng)，整套設備費用高，后期維護保養(yǎng)難度大。永磁同步電機可利用自身形成的電磁渦流進行制動，實現(xiàn)安全保護。

起升機構(gòu)采用永磁同步電機卷筒，控制系統(tǒng)配置封星接觸器[3]。當封星接觸器動作時，電機定子繞組接線端星形連接，此時轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場與定子繞組產(chǎn)生的磁場將產(chǎn)生電磁作用力，作用力方向與轉(zhuǎn)子動作方向相反，從而實現(xiàn)封星制動，以保證在工作制動器失效的情況下，吊載不會快速下滑，而是以較慢的速度落地，避免安全事故發(fā)生。

2.4 斷電快速閉門技術

根據(jù)《水利水電工程啟閉機設計規(guī)范》(SL 41—2018)(簡稱《規(guī)范》)，快速閘門接近底檻時速度不宜過大，不應大于5 m/min，以免對閘門底檻產(chǎn)生沖擊甚至破壞[4]。因此，當突發(fā)事故斷電工況時，快速閘門卷揚式啟閉機需要有機構(gòu)能限制閘門下落速度，使其不大于5 m/min。目前常用的做法是在減速器一側(cè)的輸出軸上加裝機械式離心限速器，但其結(jié)構(gòu)存在摩擦片發(fā)熱磨損甚至燒毀、使用次數(shù)有限、調(diào)速困難等缺陷，因此本次研究將采用斷電快速閉門技術來替代傳統(tǒng)的限速裝置。

斷電快速閉門技術主要是利用直流可控緩放制動器實現(xiàn)，其在正常供電的情況下能根據(jù)主令信號執(zhí)行松閘和抱閘動作，當事故斷電時，設備系統(tǒng)可利用直流電源按照預設定的分段運行速度完成規(guī)定程序動作。原理是在卷筒軸上安裝編碼器來計算閘門的下降速度，當下降速度超過設定范圍后，PLC發(fā)出步進調(diào)寬信號。下位機接到該信號后，即刻調(diào)整輸出脈沖寬度，使制動器線圈的電流發(fā)生變化，從而使制動器的電磁推動器的電磁力發(fā)生變化，改變制動器對制動盤的夾緊力，最終控制卷筒的轉(zhuǎn)速，以此達到控制閘門下落速度的目的。

3 樣機開發(fā)

3.1 工程實例

本次研究依托浙江省紹興市馬山閘強排及配套河道工程，該工程設置4臺豎井貫流泵，單機流量50 m3/s。泵站出水口布置快速工作閘門、快速事故閘門各1道。泵組正常停機時，快速工作閘門能快速關閉；當快速工作閘門不能正常關閉時，備用的快速事故閘門也能快速關閉，防止造成損失。泵組事故停機時，快速工作閘門及快速事故閘門同時快速關閉。該兩類閘門均采用啟閉機室內(nèi)的QPK—500/500—7/8快速閘門卷揚式啟閉機進行啟閉操作。

啟閉機主要參數(shù)為：額定啟閉力1×500 kN，揚程8 m，閉式傳動，工作級別為Q2-輕，正常啟閉速度5.3 m/min，事故閉門速度：距底檻0.2 m以上為5 m/min，距底檻0.2 m以下為4 m/min。

本工程要求啟閉機能夠?qū)崿F(xiàn)：一是停電時可利用220 V直流電能達到5.0 m/min的快速閉門速度要求，接近底檻200 mm要求4.0 m/min；兩檔速度要求可調(diào)。二是起升機構(gòu)在額定載荷情況下，應能實現(xiàn)失速、失電或制動器失效保護，吊物可在控制速度下安全下降。

3.2 新型啟閉機設計

根據(jù)上述快速閘門卷揚式啟閉機的參數(shù)，進行新型啟閉機設計。

新型啟閉機采用轉(zhuǎn)子作為卷筒的永磁同步電機，故在電機功率計算時，無減速器傳動效率的損耗。新型啟閉機采用直流可控緩放電磁鉗盤式制動器，按盤式制動器的型式計算夾緊力進行選型。其余零部件如鋼絲繩、滑輪、卷筒直徑、繩槽、制動器等的設計和選型方法與傳統(tǒng)啟閉機相同，按《規(guī)范》進行設計，此處不再贅述(見圖1)。

為便于對比設計的新型啟閉機與傳統(tǒng)啟閉機在布置結(jié)構(gòu)、設備尺寸等參數(shù)上的差異，此處仍以相同啟閉機參數(shù)要求，設計傳統(tǒng)型式啟閉機(見圖2)。

3.3 對比分析

將設計的新型啟閉機和傳統(tǒng)啟閉機主要參數(shù)匯總(見表1)。

從表中的對比項可以發(fā)現(xiàn)：

(1)為便于比較，兩種啟閉機的滑輪倍率按相同設計，兩種啟閉機的纏繞系統(tǒng)基本一致，所涉及的倍率、鋼絲繩、卷筒直徑相同。

(2)新型啟閉機的電機功率較傳統(tǒng)啟閉機的小，更高效節(jié)能，主要原因是一方面采用永磁同步電機的低速大扭矩電機，具備功率因數(shù)高、效率高的優(yōu)點。另一方面直接驅(qū)動系統(tǒng)取消了傳統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)中廣泛存在的多級齒輪傳動裝置，簡化了傳動鏈，減少了能量損耗，使得系統(tǒng)整體效率提高。

(3)傳統(tǒng)啟閉機的異步電動機加減速器的傳動系統(tǒng)一般需要3～4級的減速器才能達到低轉(zhuǎn)速，還需要卷筒聯(lián)軸器、電機聯(lián)軸器等，整機機構(gòu)龐大笨重，轉(zhuǎn)動慣量大；新型啟閉機則采用低速大扭矩電機直驅(qū)系統(tǒng)，無需減速器、聯(lián)軸器等，結(jié)構(gòu)簡潔、緊湊，體積小。

(4)由于取消了大機座號的減速器，新型啟閉機的整機重量較傳統(tǒng)啟閉機減少23%，從三維效果圖看，新型啟閉機設備布置基本左右兩側(cè)對稱，使得基礎載荷兩側(cè)基本接近，便于承載梁系的設計和施工。

表1 傳統(tǒng)啟閉機和新型啟閉機參數(shù)對比

4 樣機試驗

斷電快速閉門技術是啟閉機作為水利專用起重機械所要求具有的技術特點，本次研究要求快速閘門卷揚式啟閉機能夠在事故斷電工況下按可調(diào)整的限制速度進行快速閉門，保證機組及自身結(jié)構(gòu)的安全。為了驗證該技術的可行性，進行了樣機試樣。

4.1 試驗設計

由于是啟閉機功能驗證，所以將應急備用直流電源采用220 V備用電源替代。試驗要求啟閉機在交流380 V失電、通入220 V直流電后，制動器能將吊重下降速度準確地控制在某一緩降速度范圍段，實現(xiàn)重物緩慢下滑不失速。試驗的具體方法如下：

(1)在起升機構(gòu)上安裝軸編碼器，然后準確計算編碼器與吊重運動距離的換算關系。

(2)將重物提升至合適高度后切斷380 V的啟閉機供電，以模擬事故斷電工況。

(3)隨即制動器接入220 V直流電，模擬事故斷電后，備用直流電源啟動制動器，使吊物以設定的下落速度下降。

(4)根據(jù)實際需要設定不同的下落速度、采樣周期等參數(shù)，如此循環(huán)試驗，吊放重物。

(5)將起升電機短接，記錄永磁同步電機自身電磁渦流制動對吊重自由下落速度的影響。

4.2 試驗記錄

(1)設置1 s/次采樣周期，5～6 m/min的控制下落速度，將單繩6.8 t的重物提升至2.5 m，切斷380 V交流電、投入220 V直流電，下降用時26.97 s，下落速度為5.56 m/min。

(2)設置0.5 s /次采樣周期，7～8 m/min的控制下落速度，將同樣單繩6.8 t的重物提升至2.5 m，切斷380 V交流電、投入220 V直流電，下降用時20.1 s，下落速度為7.46 m/min。

(3)設置0.5 s/次采樣周期，7～8 m/min的控制下落速度，將同樣單繩6.8 t的重物提升至2.5 m，切斷380 V交流電、投入220 V直流電、短接起升電機，下降用時31.91s，下落速度為4.7 m/min。

試驗過程如下所示(見圖3)。

4.3 試驗結(jié)論

(1)在模擬事故斷電工況中，采用直流可控緩放制動器的起升機構(gòu)能在預先設定的速度范圍段內(nèi)可靠實現(xiàn)吊重下降而不失速。

(2)永磁同步電機自身電磁渦流制動能實現(xiàn)吊重的緩慢下滑不失速?？赏ㄟ^電機的參數(shù)設計，使其驅(qū)動吊重下降速度準確控制在某一緩降速度范圍段，滿足規(guī)范要求。

5 結(jié) 語

根據(jù)實際工程需要，研究開發(fā)了一款應用于水電水利工程的新型快速閘門卷揚式啟閉機，并成功進行樣機的試制和試驗。

(1)利用永磁同步電機代替?zhèn)鹘y(tǒng)異步電動機加減速器的驅(qū)動形式，布置簡潔緊湊，各基礎載荷相近，且傳動效率高，有效解決減速器易漏油、噪聲大等弊端。

(2)利用永磁同步電機轉(zhuǎn)速精確可調(diào)，實現(xiàn)啟閉機雙吊點的同步運行。

(3)利用永磁同步電機自身的電磁渦流進行制動，實現(xiàn)多重安全保護，做到制動器、限速器均失效下閘門仍不會失速墜落。

(4)利用直流可控緩放制動器實現(xiàn)斷電事故工況下閘門能可控可靠的限制速度快速閉門，既保證了機組要求的閉門時間，又能有效保護底檻不被沖擊破壞，尤其適用孔口凈高大、閉門時間要求短的工況。