水位波動(dòng)對(duì)沙沱升船機(jī)閘門調(diào)整的影響分析和優(yōu)化應(yīng)用

劉珂

（貴州省沙沱通航管理處，貴州 銅仁 565300）

烏江沙沱升船機(jī)為全平衡鋼絲繩卷?yè)P(yáng)式垂直升船機(jī)，設(shè)計(jì)規(guī)模500t 級(jí)，最大提升高度75.38m。設(shè)計(jì)上游最高通航水位365.00m，最低通航水位353.50m；設(shè)計(jì)下游最高通航水位300.38m，最低通航水位289.62m。

1 閘門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

正常通航時(shí)，閘首工作門是升船機(jī)的擋水門，上（下）閘首工作門布置于過壩渠道最末端（下閘首最前端），均為帶臥倒小門的下沉式平面鋼閘門，呈U型結(jié)構(gòu)。

上閘門擋水底高程348.50m，最大工作水頭16.50m，可適應(yīng)上游水位的變幅。臥倒小門可適應(yīng)1.65m通航水位變化。下閘門擋水底高程285.12m，最大工作水頭15.26m，可適應(yīng)下游航道水位的變幅。臥倒小門可適應(yīng)1.95m 通航水位變化。水位變幅超過臥倒小門適應(yīng)數(shù)值時(shí)，由閘門帶壓操作，適應(yīng)水位變化。工作時(shí)，閘門兩側(cè)的鎖定機(jī)構(gòu)鎖定在門槽內(nèi)。

2 閘門的工作原理

沙沱升船機(jī)上閘首工作門設(shè)置有7 個(gè)停位和7 個(gè)鎖定位，下閘首工作門設(shè)置有6 個(gè)停位和6 個(gè)鎖定位。停運(yùn)時(shí)，閘門均處在最高停位（也稱“停運(yùn)位”），且閘門鎖定裝置處在鎖定狀態(tài)。

閘首調(diào)整子程序設(shè)計(jì)為3 種模式。分別是初始化閘門調(diào)整（見圖1）、水位變化的閘門調(diào)整（見圖2）和下班停運(yùn)閘門調(diào)整。調(diào)整規(guī)則：運(yùn)行系統(tǒng)自動(dòng)采集水位值和閘首工作門高程值，PLC 程序根據(jù)采集的數(shù)據(jù)值，按預(yù)設(shè)區(qū)間自動(dòng)判定閘門目標(biāo)停位。閘門的升降動(dòng)作：從當(dāng)前停位，提升到對(duì)應(yīng)鎖定位，執(zhí)行解鎖，然后從鎖定位升降至目標(biāo)停位對(duì)應(yīng)的鎖定位，執(zhí)行鎖定后，下降到目標(biāo)停位。

圖1 “初始化”閘門調(diào)整界面圖

圖2 水位變化閘門調(diào)整界面圖

3 臨界值水位波動(dòng)對(duì)閘門調(diào)整的影響

沙沱水電站總裝機(jī)容量1120MW。4 臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，發(fā)電負(fù)荷變化較為頻繁，下泄流量變化較大，下游水位變幅也較大，影響升船機(jī)的安全運(yùn)行。通航時(shí)，申請(qǐng)機(jī)組穩(wěn)定發(fā)電負(fù)荷，保障通航水位的相對(duì)穩(wěn)定，但水位波動(dòng)不可避免。

3.1 水位波動(dòng)特性

當(dāng)機(jī)組發(fā)電負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)，分別采集了2 個(gè)小時(shí)在臨界值（上游361.70m 和下游291.52m）波動(dòng)的水位值數(shù)據(jù)，以分鐘為單位，分別繪制了上游水位波動(dòng)曲線圖（見圖3）和下游水位波動(dòng)曲線圖（見圖4）。

圖3 上游水位波動(dòng)曲線圖

圖4 下游水位波動(dòng)曲線圖

據(jù)圖3和圖4可知：上游水位波動(dòng)頻率低于下游水位波動(dòng)頻率，上游水位波動(dòng)起伏緩于下游水位波動(dòng)起伏。在選取的時(shí)間段內(nèi)，上游水位最高值和最低值相差0.06m；下游水位最高值和最低值相差0.11m，通航水位相對(duì)穩(wěn)定。

將水位連續(xù)超過臨界值的時(shí)長(zhǎng)記為正值，將連續(xù)低于臨界值的時(shí)長(zhǎng)記為負(fù)值，統(tǒng)計(jì)后，得到上游水位區(qū)間時(shí)長(zhǎng)圖（見圖5）和下游水位區(qū)間時(shí)長(zhǎng)圖（見圖6）。在采集的時(shí)間段內(nèi)，上游共有16 次時(shí)長(zhǎng)，下游共有52次時(shí)長(zhǎng)。據(jù)圖可知，在不考慮上游水位呈現(xiàn)下降趨勢(shì)外，上游和下游水位區(qū)間時(shí)長(zhǎng)多在5 分鐘以內(nèi)。

圖5 上游水位區(qū)間時(shí)長(zhǎng)圖

圖6 下游水位區(qū)間時(shí)長(zhǎng)圖

3.2 水位波動(dòng)帶來的影響

以上閘首工作門為例，上游水位在臨界值（361.70m）波動(dòng)時(shí)，水位高于臨界值時(shí)，閘首工作門應(yīng)停在6＃停位；水位低于臨界值，上閘首工作門應(yīng)停在5＃停位。上游水位臨界值波動(dòng)，船廂和閘首工作門處于解除對(duì)接狀態(tài)時(shí)，PLC 程序?qū)⒅袛嘀魈嵘龣C(jī)的運(yùn)行，提示“水位上漲，需提升閘門”或“水位下降，需下降閘門”，需反復(fù)手動(dòng)執(zhí)行閘門調(diào)整子程序，影響升船機(jī)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。現(xiàn)行工作機(jī)制，不能快速有效地實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷的臨時(shí)增減，確保通航水位波動(dòng)不受臨界值影響。因此，需采用技術(shù)方式，消除臨界值水位波動(dòng)的影響。

4 確立優(yōu)化思路

4.1 設(shè)計(jì)思路

通航水位值按區(qū)間劃分，閘門適應(yīng)水位區(qū)間停位，閘門高程呈“階梯狀”調(diào)整。思路一：變更設(shè)計(jì)，對(duì)閘首工作門高程采用手動(dòng)賦值，預(yù)留安全高度，使閘門高程可隨水位值呈“線性”調(diào)整，不受臨界值影響。思路二：維持當(dāng)前設(shè)計(jì)，考慮在閘門調(diào)整程序段中增加延時(shí)功能。水位波動(dòng)，閘門高度安全可控。水位變幅，亦可執(zhí)行閘門調(diào)整程序。

4.2 便捷性和安全性分析

采用思路一，需變更設(shè)計(jì)，PLC 程序編寫和HMI人機(jī)界面編程，難度較大，調(diào)試周期長(zhǎng)，不易操作；閘門高程“線性”變化后，閘門的鎖定裝置將會(huì)棄用，閘門啟閉機(jī)帶壓運(yùn)行，不適應(yīng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，若液壓管路爆裂，設(shè)備安全性無法保障；閘門預(yù)設(shè)安全高度，運(yùn)行安全可以保障。

采用思路二，需對(duì)PLC 程序段進(jìn)行優(yōu)化，增加延時(shí)功能，操作較為容易。增加延時(shí)功能后，延時(shí)閘門提升時(shí)，閘門高程高于臨界值超0.7m，延時(shí)閘門下降時(shí)，閘門門檻水深2.7m（高于承船廂有效水深2.5m），參考沙沱水位波動(dòng)情況，運(yùn)行安全可控。經(jīng)比選，思路二安全性更高，且容易操作。

5 優(yōu)化方案應(yīng)用

明確采用增加延時(shí)功能的優(yōu)化方案后，需解決三個(gè)問題：一是功能流程的設(shè)計(jì)；二是延時(shí)數(shù)值的確定；三是程序段的優(yōu)化。

5.1 功能流程的設(shè)計(jì)

圖7 功能流程圖

5.2 延時(shí)數(shù)值的確定

船舶過壩時(shí)，經(jīng)多次運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，升船機(jī)主提升的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)均為7 分鐘，結(jié)合上游和下游水位區(qū)間時(shí)長(zhǎng)大多在5 分鐘以內(nèi)的特性，宜選擇延時(shí)數(shù)值為5 分鐘。

5.3 程序段優(yōu)化

考慮到上游水位相對(duì)穩(wěn)定，閘門調(diào)整PLC 程序段中僅需增加TON 指令即可，延時(shí)閘門下降和延時(shí)閘門提升。

考慮到下游水位變幅較大，將臨界值上下放寬30mm（見圖8），規(guī)定在重疊區(qū)間內(nèi)，優(yōu)先提升閘門；同時(shí)，在閘門調(diào)整PLC 程序段中增加TON 指令，延時(shí)閘門提升（見圖9）和延時(shí)閘門下降（見圖10），保障升船機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。

圖8 臨界值上下放寬30mm 程序段圖

圖9 閘門延時(shí)下降程序段圖

圖10 閘門延時(shí)上升程序段圖

6 結(jié)語(yǔ)

烏江沙沱升船機(jī)閘首工作門子站的PLC 程序段，已實(shí)施了優(yōu)化，經(jīng)多次運(yùn)行驗(yàn)證，尤其是機(jī)組負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)，通航水位在臨界值波動(dòng)，延時(shí)滿足控制需求，解決了水位波動(dòng)帶來的影響，保障了沙沱升船機(jī)穩(wěn)定安全運(yùn)行。