基于油阻尼變力制動(dòng)的閘門控制系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

張 璐

(長沙市軌道交通運(yùn)營有限公司，湖南 長沙 410000)

0 引 言

水電站快速閘門是水電站保護(hù)水輪發(fā)電機(jī)組的最后一道安全屏障。水輪發(fā)電機(jī)組在正常運(yùn)行或者事故操作時(shí)，因水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生過速、調(diào)速器失靈、重錘拒動(dòng)等原因?qū)е虏僮魇?，特別是有壓引水系統(tǒng)爆炸時(shí)，電站的事故快速閘門應(yīng)能及時(shí)可靠快速截?cái)嗨?，有效避免事故擴(kuò)大。

如果緊急情況下進(jìn)水口閘門不能及時(shí)關(guān)閉將使機(jī)組失去最后的保護(hù)，后果不堪設(shè)想。如2009年8月17日，俄羅斯的薩楊·舒申斯克電站發(fā)生特大水淹電廠事故，運(yùn)行中的水輪機(jī)頂蓋螺栓斷裂時(shí)，壓力鋼管的水涌入廠房，而電站快速閘門未及時(shí)關(guān)閉造成事故的擴(kuò)大。2022年1月12日，四川省甘孜州丹巴縣關(guān)州水電站在主閥檢修時(shí)發(fā)生水淹廠房事故，電站進(jìn)水口閘門也未能及時(shí)關(guān)閉到位，這次事故造成9人遇難。因此，需要深刻吸取教訓(xùn)，結(jié)合事故暴露的問題進(jìn)行全面梳理整改。

1 快速閘門快降控制現(xiàn)況

卷揚(yáng)式快速閘門啟閉機(jī)快降控制主要通過以下3種方式實(shí)現(xiàn)：

1.1 離心飛擺調(diào)速器

離心飛擺調(diào)速器控制下的快速閘門在下閘過程中完全依靠離心飛擺調(diào)速器來平衡變化的閘門持住力，從而控制閘門下閘速度。此類裝置存在的主要問題有：一是純機(jī)械結(jié)構(gòu)，快速落門過程中的速度不可控，閘門下降過程全程加速運(yùn)行，無速度監(jiān)控和修正，無法同時(shí)滿足速動(dòng)性和安全性。二是調(diào)試難，每次動(dòng)作磨損量很大，調(diào)式后數(shù)據(jù)離散性大，每動(dòng)作一次時(shí)間參數(shù)都將發(fā)生很大變化。

1.2 油壓阻尼調(diào)速器

油阻尼調(diào)速器是在閘門下落時(shí)，通過離合器帶動(dòng)油壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)；馬達(dá)從油箱吸入液壓油，經(jīng)馬達(dá)旋轉(zhuǎn)后產(chǎn)生高壓油，然后經(jīng)過阻尼油路流回到油箱，使液壓系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)運(yùn)行，控制閘門下閘速度。此類裝置采用油壓馬達(dá)控制，優(yōu)點(diǎn)是速度穩(wěn)定；缺點(diǎn)是低速性能差、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、容易漏油不環(huán)保，不同參數(shù)快速閘門需要單獨(dú)配置液壓系統(tǒng)導(dǎo)致通用性差，調(diào)節(jié)閉環(huán)控制的程序軟件建模和算法復(fù)雜。

1.3 變力智能調(diào)速器

采用變力智能調(diào)速器時(shí)通常采用常開或常閉模式的變力制動(dòng)器?？焖匍l門在事故快降時(shí)，根據(jù)設(shè)定的控制流程參數(shù)要求自動(dòng)改變變力制動(dòng)器的電機(jī)運(yùn)行頻率，從而改變制動(dòng)力矩大小，來調(diào)整制動(dòng)器抱閘對(duì)下落閘門的持住力，促使閘門在自身重力下滑受控落門；閘門下降的勢能通過變力制動(dòng)器的摩擦熱在空氣中帶走。同時(shí)，通過絕對(duì)編碼器采樣的閘門速度自動(dòng)調(diào)整制動(dòng)力矩來修正閘門下降速度，使閘門快降的過程按照設(shè)置流程要求快速降門。采用此類方式的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，閘門性能參數(shù)變化時(shí)只需要簡單修改參數(shù)即可，通用性、適用性強(qiáng)；快降速度和時(shí)間修改簡便，調(diào)速性能好；采用雙制動(dòng)互為冗余，安全性高。缺點(diǎn)是速度穩(wěn)定性較差。

綜合上述3種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，創(chuàng)新地提出一種新的組合方案，即結(jié)合油壓阻尼調(diào)速器和變力智能調(diào)速器優(yōu)點(diǎn)，研制一種油阻尼變力制動(dòng)的快速閘門智能制動(dòng)系統(tǒng)。

2 機(jī)械設(shè)計(jì)

2.1 快速閘門設(shè)備參數(shù)

某電站單機(jī)4 MW的水輪發(fā)電機(jī)組都安裝了事故快速閘門，閘門行程6.5 m，閘門重量19.1 t，總動(dòng)水壓力382 kN，孔口尺寸為6.4 m×5.5 m(寬×高)，閘門尺寸為7.04 m×5.6 m。事故快速閘門由 QPK—2×400/2×200 固定卷揚(yáng)式雙吊點(diǎn)啟閉機(jī)控制，配置有1臺(tái)交流電磁式制動(dòng)器，用于閘門正常升降時(shí)的工作制動(dòng)，事故快降控制采用常見的離心飛擺調(diào)速器。

2.2 油阻尼裝置選型

針對(duì)該電站閘門重量、快降速度、快降時(shí)間等相關(guān)參數(shù)，在啟閉機(jī)驅(qū)動(dòng)末端增加1套油阻尼裝置(見圖1)，利用油阻尼調(diào)速器的油壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)運(yùn)行穩(wěn)定的控制優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行柔性開環(huán)控制。油阻尼吸收閘門下降的勢能，避開閉環(huán)控制運(yùn)算模式難以建模的缺點(diǎn)，不參與閘門速度的精確調(diào)節(jié)，作為基本阻尼的控制，為系統(tǒng)快降時(shí)提供一個(gè)恒定的阻尼力矩，以保證快降速度恒定。

閘門啟門時(shí)，電動(dòng)機(jī)M1正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)馬達(dá)空載正轉(zhuǎn)，油箱油液經(jīng)單向閥(序號(hào)5.1)、液壓馬達(dá)(序號(hào)12.1)后流回油箱。閘門正常閉門時(shí)，電機(jī)M1反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)馬達(dá)空載反轉(zhuǎn)，油箱油液經(jīng)液壓馬達(dá)(序號(hào)12.1)、電磁溢流閥(序號(hào)14.1)后流回油箱。而在發(fā)生事故快速閉門時(shí)，則打開閘門變力制動(dòng)器，電磁溢流閥(序號(hào)14.1)的電磁鐵DT2得電，關(guān)閉電磁溢流閥，在閘門自重的帶動(dòng)下，通過電機(jī)帶動(dòng)馬達(dá)反轉(zhuǎn)，油箱油液經(jīng)液壓馬達(dá)(序號(hào)12.1)、比例閥(6.1)調(diào)節(jié)速度后流回油箱。通過調(diào)節(jié)比例閥(序號(hào)6.1)控制信號(hào)DT1的大小，可以調(diào)節(jié)比例閥通過的油流量，以消耗閘門下降的勢能的大小，實(shí)現(xiàn)閘門帶油阻尼下降。

圖1 油阻尼裝置的液壓系統(tǒng)原理圖

2.3 變力制動(dòng)器選型

拆除原有交流制動(dòng)器和飛擺，參照《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T 3811)要求，為該啟閉機(jī)增配2臺(tái)YWP300/50變力制動(dòng)器，單臺(tái)制動(dòng)器額定制動(dòng)力矩可達(dá)500 NM，超過驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩1.7倍以上，完全滿足單臺(tái)制動(dòng)器制動(dòng)力矩要求。因此，2個(gè)變力制動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)冗余制動(dòng)，互為備份、確保安全。

變力制動(dòng)器為電力液壓式制動(dòng)器，制動(dòng)器的推動(dòng)器選用變頻變力推動(dòng)器作為驅(qū)動(dòng)設(shè)備。制動(dòng)器運(yùn)行時(shí)，推動(dòng)器的交流電機(jī)帶動(dòng)葉輪運(yùn)轉(zhuǎn)泵油使內(nèi)置油缸做功而推動(dòng)制動(dòng)摩擦片來控制卷揚(yáng)機(jī)的制動(dòng)輪，調(diào)節(jié)變頻器的輸出頻率而改變交流電機(jī)的電源頻率來實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)器調(diào)節(jié)(見圖2)。

圖2 制動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖

3 控制系統(tǒng)及功能設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的主控制器選用德國西門子S7—1200系列可編程控制器，其CPU模塊選用1412，開關(guān)量IO模塊選用SM1223，數(shù)字量輸入AI模塊選用SM1221，模擬量輸出AO模塊選用SM1232，主站通訊模塊選用CM1243—5。數(shù)據(jù)采集的絕對(duì)值編碼器與可編程控制器采用PROFIBUS數(shù)據(jù)總線通訊方式，對(duì)閘門位置和速度實(shí)時(shí)采集；可編程控制器的運(yùn)算器及時(shí)計(jì)算出快速閘門狀態(tài)和運(yùn)行速度，按照設(shè)定流程對(duì)運(yùn)行中的閘門進(jìn)行有效監(jiān)視和控制。

綜合考慮變力制動(dòng)器力矩變化響應(yīng)時(shí)間、閘門降落速度變化響應(yīng)速度、S7—1200PLC程序運(yùn)算能力等因素，將快速降門速度閉環(huán)調(diào)節(jié)周期時(shí)間選定為100 ms；既能對(duì)閘門降落速度變化進(jìn)行快速調(diào)節(jié)，又不導(dǎo)致制動(dòng)系統(tǒng)頻繁調(diào)整，影響閘門快速降落平滑性。

3.1 閘門快降控制流程

參照快速閘門相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，以及該電站水輪發(fā)電機(jī)組容許超速時(shí)間以及速度閾值，最終將閘門快降總時(shí)間限定在2 min左右。閘門快速落門時(shí)首先打開變力制動(dòng)器，閘門呈自由狀態(tài)下降并加速，帶油阻尼裝置內(nèi)液壓馬達(dá)反轉(zhuǎn)開始加速下降，液壓油通過比例閥和管路建立壓力，從而產(chǎn)生阻尼力，向閘門提供一個(gè)恒定的阻尼力，使閘門能迅速帶阻加速，提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性。當(dāng)閘門速度到達(dá)3.6 m/min時(shí)變力制動(dòng)器開始投入進(jìn)行閉環(huán)調(diào)速，將速度控制在3.6 m/min左右運(yùn)行；當(dāng)閘門下降到離底坎0.75 m左右位置時(shí)，減小制動(dòng)頻率將速度控制到1.2 m/min左右，閘門即將全關(guān)時(shí)進(jìn)一步減少制動(dòng)頻率將閘門緩慢關(guān)閉。閘門快降全過程實(shí)行先快后慢、分段關(guān)閉模式，前期快速落門保水輪機(jī)安全，后期慢速落門保閘門落坎安全，使水輪機(jī)組安全平穩(wěn)地停機(jī)(見圖3)。

圖3 閘門快速降落速度及時(shí)間曲線

3.2 閘門快降速度控制

事故快速閘門在快速關(guān)閉過程中，電站水輪發(fā)電機(jī)組正在運(yùn)行，閘門關(guān)閉到一定位置后水輪機(jī)組蝸殼前流道內(nèi)的水流從滿流過渡到欠流狀態(tài)；這時(shí)水流對(duì)閘門形成一種吸力，將閘門向關(guān)閉方向吸，使閘門下降速度加快；還有閘門關(guān)閉到不同水位時(shí)所承受的水壓不同等因數(shù)都將影響閘門關(guān)閉速度，諸多因素將直接影響閘門快降時(shí)的速度穩(wěn)定性。

系統(tǒng)通過絕對(duì)值編碼器來實(shí)時(shí)測量閘門高度和速度，與設(shè)定快降速度值形成速度閉環(huán)控制，還實(shí)時(shí)根據(jù)閘門速度來預(yù)測水流速度對(duì)閘門所產(chǎn)生的阻力，以及通過實(shí)時(shí)監(jiān)控閘門位置來預(yù)判水位壓力對(duì)速度的影響，組建一個(gè)閘門速度控制模型，實(shí)時(shí)對(duì)預(yù)測到的速度擾動(dòng)進(jìn)行提前干預(yù)和補(bǔ)償。同時(shí)，引入PID控制算法，根據(jù)設(shè)計(jì)流程將閘門按照分段關(guān)閉、先快后慢的速度模型控制(見圖4)。

圖4 閘門快速下落控制模型

4 運(yùn)行效果及結(jié)論

對(duì)該電站快速閘門進(jìn)行硬件改造后，分別進(jìn)行了電控系統(tǒng)調(diào)試和靜水快速落門調(diào)試。調(diào)試過程中閘門能按系統(tǒng)設(shè)置時(shí)間和速度平穩(wěn)降落，時(shí)間限制在設(shè)定范圍內(nèi)。閘門下降速度分段控制，PLC速度控制周期和處理速度完全滿足控制程序運(yùn)算需求，能快速、穩(wěn)定地完成控制程序運(yùn)算要求。

根據(jù)閘門靜水快降調(diào)試情況，結(jié)合電站調(diào)保計(jì)算要求優(yōu)化控制系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，在水輪發(fā)電機(jī)組滿負(fù)荷發(fā)電工況下，分別進(jìn)行交流斷電和直流斷電狀態(tài)下的動(dòng)水快降驗(yàn)收試驗(yàn)。從整體試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，電站在緊急情況下，又失去交流電源時(shí)能夠安全可靠快速落門，解決了原來裝置的安全隱患。閘門快速落門總行程6.5 m，前階段5.75 m行程快速下降，用時(shí)1 min 48 s；后階段0.75 m行程慢速下降，用時(shí)22 s；先快后慢，實(shí)現(xiàn)分段關(guān)閉，既保證了快速性，又保證了安全性。

對(duì)比快速閘門在斷開交流電源和斷開直流電源時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和速度曲線，試驗(yàn)結(jié)果基本一致，沒有離散性，均符合運(yùn)行要求。從整體試驗(yàn)效果來看，電站在緊急情況下，又失去交流電源的情況時(shí)，系統(tǒng)能夠安全可靠的控制閘門快速落門，消除了原來裝置的安全隱患。同時(shí)，創(chuàng)新性結(jié)合阻尼裝置和變力制動(dòng)器各自的優(yōu)勢，研制一套全新的油阻尼變力制動(dòng)系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)閘門分段關(guān)閉功能，既保證了快速性，又保證了安全性，系統(tǒng)驗(yàn)收取得圓滿成功。

因此，油阻尼變力智能控制系統(tǒng)的運(yùn)行滿足了《水利水電工程啟閉機(jī)制造、安裝及驗(yàn)收規(guī)范》(DL/T 5019)和《水輪發(fā)電機(jī)設(shè)備技術(shù)規(guī)范》(DL/T 730—2000)中對(duì)固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)的相關(guān)規(guī)定：閘門快速關(guān)閉最大速度不超過5 m/min，電動(dòng)機(jī)超速倍率小于2倍以及快速閘門關(guān)閉時(shí)間小于3 min的要求。閘門快速下降保護(hù)了水輪發(fā)電機(jī)組，在閘門全關(guān)落坎時(shí)又不會(huì)對(duì)底坎造成沖擊損傷；該系統(tǒng)下的快速落門運(yùn)行過程安全、穩(wěn)定、可控。