提高弧形門水閘流量精準控制合格率的研究與實踐

柳 斌 孫 松 傅 金

(江蘇省洪澤湖水利工程管理處，江蘇 淮安 223100)

按照“三精”(精密化監(jiān)測、精準化調(diào)度、精細化管理)管理要求，三河閘以工情、水情、雨情精密監(jiān)測為基礎，泄洪流量精準調(diào)度為關鍵，助推水利工程運行管理方式不斷提檔升級。通過調(diào)查相關資料，2020年及2021年上半年，三河閘現(xiàn)場測流共95次，其中調(diào)度指令流量與實測流量相差不大于5%的合格次數(shù)為67次，合格率為70.5%，距精細化管理要求仍有差距。當流量控制不滿足精準度要求時，需再次調(diào)整閘門，效率低下且影響調(diào)度指令執(zhí)行時效。根據(jù)主管部門要求并結(jié)合現(xiàn)場條件，設定流量精準控制合格率的目標值為87.0%。

1 工程概況

三河閘位于江蘇省淮安市洪澤區(qū)與盱眙縣交界處，洪澤湖東南角，是淮河入江水道的控制口門，是我國建國初期自主設計和施工的大型水閘，是淮河流域防汛抗旱骨干工程。三河閘閘身為鋼筋混凝土結(jié)構，閘孔凈高6.20m，每孔凈寬10.00m，共63孔，總寬697.75m，底板高程7.50m(廢黃河零點高程，下同)。閘門為鋼結(jié)構弧形門，每孔設有QHM2×100kN卷揚式啟閉機1臺。三河閘按洪澤湖蔣壩水位16.00m設計、17.00m校核，設計流量12000m3/s。

自1953年7月26日建成放水以來，三河閘已累計泄洪1.29萬億m3，極大地緩解了下游地區(qū)防洪壓力，充分發(fā)揮了淮河骨干工程作用。

2 原因分析

2.1 流態(tài)影響分析

為分析三河閘流量精準控制不合格產(chǎn)生的原因，對實測流量與調(diào)度指令流量(堰流時調(diào)度指令流量采用流量關系查線流量值)相差大于5%的不合格數(shù)據(jù)進行調(diào)查，其中淹沒孔流不合格次數(shù)為19次，占不合格次數(shù)的67.9%，是流量精準控制不合格的主要問題(見表1)。

表1 三河閘流量精準控制不合格調(diào)查

2.2 問題癥結(jié)分析

三河閘于1953年建成放水，擁有近70年的水文觀測資料，水位差ΔZ-開度e-流量Q關系經(jīng)長期率定，穩(wěn)定可靠。三河閘為平底弧形門，根據(jù)規(guī)范淹沒孔流流量計算公式見式(1)[1]。根據(jù)流量公式，影響流量偏差的主要原因為閘門開度、上下游水位等。

(1)

式中Q——泄洪流量，m3/s；

μ1——淹沒孔流流量系數(shù)；

n——開啟孔數(shù)；

b——單孔閘門凈寬，m，為10m；

e——閘門開啟高度，m；

ΔZ——上下游水位差，m。

為進一步分析流量精準控制不合格的問題癥結(jié)，對淹沒孔流流態(tài)下不合格數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，“閘門開度偏差”不合格的次數(shù)為14次，占不合格次數(shù)的73.7%，是淹沒孔流精準控制不合格的癥結(jié)所在(見表2)。

表2 淹沒孔流精準度不合格調(diào)查

3 主要影響因素確認

三河閘閘門啟閉已完全實現(xiàn)電氣化操作，閘門開度采用閘位編碼器讀數(shù)值。從組成分析閘門開度偏差原因，繪制形成閘門開度偏差原因分析系統(tǒng)圖，得出閘門開度偏差末端原因為養(yǎng)護責任未落實到位、教育培訓不到位、計算公式誤差、職工考核不到位、操作票執(zhí)行不嚴和未按規(guī)定測流等6項(見圖1)。

圖1 閘門開度偏差原因分析系統(tǒng)

3.1 養(yǎng)護責任落實情況

通過查看2020年及2021年上半年閘門啟閉機檢查養(yǎng)護資料，三河閘啟閉機檢查養(yǎng)護責任人已落實，并根據(jù)《三河閘卷揚式啟閉機檢查養(yǎng)護規(guī)程》要求，每周開展1次日常檢查，每次操作前進行運行檢查，汛前、汛后各開展1次定期檢查，未影響流量精準控制。

3.2 教育培訓情況

通過查看2020年職工教育培訓資料，三河閘閘門運行工包括高級技師2人、技師4人、高級工5人，養(yǎng)護人員均持證上崗，年度繼續(xù)教育均達到90學時，培訓率100%，未影響流量精準控制。

3.3 計算公式誤差

現(xiàn)場抽查實測了15～20號閘門開度，并與閘門監(jiān)控系統(tǒng)高度指示讀數(shù)進行對比。采用激光測距儀測量，每個開度檢測閘門底部左、右2個點位，每個點位測量2次，實測開度取平均值。根據(jù)實測結(jié)果，閘門高度指示裝置讀數(shù)與實測開度偏差在9～39cm，偏差率在10%左右，對三河閘流量控制精準性影響重大。

3.4 職工考核不到位

通過對2020年及2021年上半年職工考核情況進行調(diào)查，管理所對職工按時開展平時考核和年終考核，考核結(jié)果合格率100%，未影響流量精準控制。

3.5 操作票執(zhí)行不嚴

對2020年三河閘閘門啟閉操作票執(zhí)行情況進行調(diào)查，閘門啟閉操作25次，其中執(zhí)行調(diào)度20次，其他5次，閘門啟閉操作票執(zhí)行率100%，啟閉記錄填寫率100%。閘門啟閉均嚴格按照調(diào)度指令及操作票要求進行，紀錄填寫完整準確，未影響流量精準控制。

3.6 未按規(guī)定測流

對2020年三河閘測流情況進行調(diào)查，三河閘2020年測流78次，精度滿足要求。根據(jù)上年測流數(shù)據(jù)，每年年初組織對三河閘流量-水位-開度關系曲線進行修正，未影響流量精準控制。

綜上所述，經(jīng)對以上6條末端原因進行分析調(diào)查及現(xiàn)場測量，確認“計算公式誤差”為三河閘閘門開度偏差的主要原因。

4 采取的措施

為解決計算公式誤差引起的流量控制偏差，設定對策目標為：實測開度與閘位編碼器讀數(shù)誤差不大于3cm。

4.1 轉(zhuǎn)換公式推導

為了查清閘門閘位指示編碼器數(shù)據(jù)與閘門實際開度之間的轉(zhuǎn)換關系，首先研究分析弧形閘門垂高與弧高之間的轉(zhuǎn)換關系。設閘門底從A點開啟到A′，根據(jù)幾何關系可得閘門開度與弧長關系公式為式(2)、式(3)[2](見圖2)。

圖2 三河閘弧形閘門弧長垂高轉(zhuǎn)換示意

(2)

(3)

式中e——閘門垂直開啟高度，m；

R——弧形閘門臂長，m，為6.50m；

φ——關閘時閘門底至弧心連線與底板水平線之間夾角，為常數(shù)；

α——弧形閘門轉(zhuǎn)動的角度；

l——閘門轉(zhuǎn)動弧長，m。

其次，分析閘門轉(zhuǎn)動弧長與閘位指示編碼器讀數(shù)之間的轉(zhuǎn)換關系。閘位開度編碼器固定于傳動軸軸向側(cè)邊，啟閉閘門的鋼絲繩纏繞固定于卷筒上，根據(jù)啟閉機的傳動關系，可得弧長與編碼器讀數(shù)關系公式為式(4)。

(4)

式中p——編碼器讀數(shù)；

K——編碼器轉(zhuǎn)動一周的數(shù)值，為常數(shù)；

n——啟閉機的傳動比，為常數(shù)。

綜合式(2)、式(3)和式(4)關系，最終得到閘門開度與閘位開度讀數(shù)的準確轉(zhuǎn)換關系公式為式(5)。

(5)

4.2 轉(zhuǎn)換公式固化

在研究查清閘門閘位指示編碼器讀數(shù)與閘門實際開度之間的轉(zhuǎn)換關系后，對現(xiàn)地閘門控制柜和工控機監(jiān)控系統(tǒng)軟件中編碼器讀數(shù)與閘門開度轉(zhuǎn)換公式進行更新，將準確的轉(zhuǎn)換公式固化于系統(tǒng)軟件中。轉(zhuǎn)換公式更新后，現(xiàn)場抽查了1～5號孔開度，其中1～4號孔閘位編碼器讀數(shù)與閘門實測開度偏差在0～3cm，但5號閘門偏差為3～6cm，仍不滿足設定的目標要求。

4.3 下限位調(diào)整

在對可能導致閘門開度偏差的非要因的進一步梳理中，發(fā)現(xiàn)5號閘門在下限位時啟閉機鋼絲繩未處于拉緊狀態(tài)，閘門從閉門狀態(tài)開啟的初始階段，閘位編碼器讀數(shù)雖變動至5cm，但閘門實際開度一直為0。

針對下限位存在的問題，對全閘63臺啟閉機下限位進行全面排查，對不滿足要求的啟閉機下限位進行逐一調(diào)整。主要控制要點為當閘門處于下限位閉門狀態(tài)時，閘位編碼器讀數(shù)為0，同時鋼絲繩處于拉緊狀態(tài)。調(diào)整后，5號閘門實測開度與閘位編碼器讀數(shù)偏差縮小至0～3cm，滿足設定目標，成功地解決了閘門開度偏差問題(見表3)。

表3 三河閘5號閘門開度偏差對比 單位：m

5 運行效果

對策實施后，2021年7月至2021年11月對三河閘流量精準控制的合格率進行效果檢查，共實測流量74次，實測流量與調(diào)度指令流量相差大于5%的不合格次數(shù)為5次，合格率93.2%，大幅提升了閘門精準控制的合格率，達到了預定的目標值，滿足江蘇省水利廳“精準調(diào)度”及上級主管部門關于流量精準控制的要求(見表4、圖3)。

圖3 目標完成對比柱狀

表4 三河閘流量精準控制合格率效果檢查調(diào)查

6 結(jié) 語

三河閘圍繞工程管理現(xiàn)代化的總目標，按照“精密化監(jiān)測、精準化調(diào)度、精細化管理”的管理要求，通過本次問題的研究與實踐，將科學管理方法與水利工程方面的專業(yè)技術有機地結(jié)合起來，以工情、水情、雨情精密監(jiān)測為基礎，泄洪流量精準調(diào)度為關鍵，對提高工程管理水平起到了積極的推進作用?；顒映晒蔀轭愃拼笮退l流量精準控制提供借鑒。