石曉俊，易春輝，劉 錦

（西安航天自動化股份有限公司，陜西 西安 710065）

景洪水電站采用水力浮動轉(zhuǎn)矩平衡重式垂直升船機(jī) （簡稱 “水力式升船機(jī)”）。該升船機(jī)按V級航道、300 t級船型的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，遠(yuǎn)期考慮500 t船只通航過壩。水力式升船機(jī)的工作原理[1]是將平衡重做成質(zhì)量和體積合適的浮筒，其總質(zhì)量大于承船廂總質(zhì)量，浮筒在可充、泄水的豎井內(nèi)升降，通過調(diào)節(jié)平衡重浮筒在水中的淹沒深度，改變其所受浮力，利用浮力變化在承船廂與平衡重浮筒之間產(chǎn)生的重力差值來驅(qū)動承船廂升降運(yùn)行。

景洪水力式升船機(jī)主要由充泄水系統(tǒng)、承船廂系統(tǒng)、上閘首系統(tǒng)、同步軸系統(tǒng)、制動系統(tǒng)及鋼絲繩連接系統(tǒng)等組成[2]。

由于景洪水力式升船機(jī)驅(qū)動方式完全不同于國內(nèi)已經(jīng)建成的水口、巖灘、高壩洲、隔河巖和彭水升船機(jī)所采用的垂直卷揚(yáng)式，也不同于三峽升船機(jī)采用的齒條爬升式；因此，其可能發(fā)生的事故工況、造成的嚴(yán)重后果以及可以采取的有效應(yīng)對措施都沒有成功的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒。

本文依據(jù)景洪水力式升船機(jī)工程實(shí)際，借鑒在垂直卷揚(yáng)式升船機(jī)事故工況分析及應(yīng)對策略研究的成功經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合水力學(xué)分析和模型試驗(yàn)成果，對景洪水力式升船機(jī)可能發(fā)生的主輔泄水閥門故障、主輔充水閥門故障、浮筒及豎井故障、上游快速事故門誤動、下游快速事故門誤動、承船廂故障、同步軸及制動器故障、鋼絲繩故障、通航水位超出范圍、下游水位變幅過快、電源故障、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)故障和檢測故障等故障工況進(jìn)行了分析和研究，最后總結(jié)出供水力式升船機(jī)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計及運(yùn)行時可采取的應(yīng)對策略。

1 充泄水系統(tǒng)

1.1 主輔泄水閥門故障分析

主、輔泄水閥門布置如圖1所示。當(dāng)升船機(jī)上行時，先開啟泄水輔閥，升船機(jī)系統(tǒng)慢速啟動并加速上升。船廂出水后，開啟泄水主閥，船廂加速上升。加速完畢后，水力驅(qū)動系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)為穩(wěn)速上升，提升過程中，連續(xù)讀取上游水位、船廂水深及船廂行程等數(shù)據(jù)。當(dāng)運(yùn)算的剩余行程與減速行程給定值相等時，關(guān)閉泄水主閥，驅(qū)動系統(tǒng)正常減速上升。當(dāng)承船廂內(nèi)水位高程與上游航道水面高程差值達(dá)到預(yù)定值時，完全關(guān)閉泄水輔閥，驅(qū)動系統(tǒng)正常停機(jī)。

圖1 泄水閥門布置示意

主輔泄水閥門作為景洪升船機(jī)上行的關(guān)鍵控制對象，其有可能發(fā)生主輔泄水閥門均不能開啟、均不能關(guān)閉、閥門漏水及閥門開度無法正常檢測等故障情況。當(dāng)主、輔泄水閥門中有個別不能開啟時，升船機(jī)不能按照設(shè)計工況運(yùn)行，只能通過手動開啟正常泄水閥門緩慢泄水，影響運(yùn)行效率，但不會造成安全事故；當(dāng)主輔泄水閥都不能打開時，承船廂不能提升，如果承船廂位于下游對接位，且恰遇下游水位快速上漲，可能會發(fā)生水淹船廂的重大事故，此時必須快速關(guān)閉承船廂下游臥倒門，并通過輸水系統(tǒng)主管檢修排水泵泄水以提升承船廂。

在承船廂運(yùn)行到上游時，如主輔泄水閥門故障而不能關(guān)閉，承船廂快速提升，可能沖過上極限位，同時浮筒落到消能工上，此時必須通過關(guān)閉下游快速事故門切斷泄水水流，制止承船廂上升。

當(dāng)泄水閥門漏水時，升船機(jī)在上游對接鎖定前無法精確停位，對接鎖定后會造成制動器受力平衡破壞，可以通過關(guān)閉下游快速事故門應(yīng)對該故障。當(dāng)控制系統(tǒng)不能檢測到泄水閥門開度時，應(yīng)快速關(guān)閉泄水閥，同時監(jiān)測豎井水位情況，如水位仍在變化可以緊急關(guān)閉下游快速事故門以停止升船機(jī)運(yùn)行。

1.2 主輔充水閥門故障

主輔充水閥門布置與泄水閥門相同，中間主充水管道上布置充水主閥，兩側(cè)布置充水輔閥。其同樣也有可能發(fā)生主輔充水閥均不能開啟、主輔充水閥均不能關(guān)閉、閥門漏水及閥門狀態(tài)檢測故障等故障情況。

當(dāng)主、輔充水閥門有個別不能開啟時，升船機(jī)不能按照設(shè)計工況運(yùn)行，只能通過手動開啟正常充水閥門緩慢充水，影響運(yùn)行效率，但不會造成安全事故；當(dāng)主、輔充水閥都不能打開時，承船廂不能下降，不會造成安全事故。

當(dāng)升船機(jī)運(yùn)行至下游水面附近主、輔充水閥門故障不能關(guān)閉時，承船廂快速下降，可能淹沒水中，此時必須通過關(guān)閉上游快速事故門切斷充水水流，制止承船廂下降。

當(dāng)充水閥門漏水時，升船機(jī)在下游對接鎖定前無法精確停位，可以通過關(guān)閉上游快速事故門應(yīng)對該故障。當(dāng)控制系統(tǒng)不能檢測到充水閥門的開度時，應(yīng)快速關(guān)閉充水閥，同時監(jiān)測豎井水位情況，如水位仍在變化必須緊急關(guān)閉上游快速事故門以停止升船機(jī)運(yùn)行。

1.3 浮筒及豎井故障

16個豎井水位在運(yùn)行過程中可能會出現(xiàn)偏差，16個浮筒中可能會有個別浮筒漏水，導(dǎo)致對浮筒產(chǎn)生不同的浮力，同步軸和個別鋼絲繩受力將會增大，嚴(yán)重情況下可能發(fā)生同步軸斷裂等事故。所以電氣控制系統(tǒng)應(yīng)實(shí)時監(jiān)測16個豎井水位及偏差、16個浮筒位置及偏差、16個浮筒內(nèi)水深及偏差、64根均衡油缸壓力及偏差、64根調(diào)平油缸壓力及偏差、同步軸扭矩等參數(shù)。其超出設(shè)定范圍時，應(yīng)報警并停止運(yùn)行，查明原因并處理后方可繼續(xù)運(yùn)行。

1.4 快速事故門誤動

當(dāng)升船機(jī)處于下降過程中，如果上游引水管進(jìn)口快速事故門異常落下，承船廂由下降轉(zhuǎn)為快速停止，船廂可能會產(chǎn)生振動。當(dāng)升船機(jī)處于上升過程中時，由于是泄水閥門打開，所以上游引水管進(jìn)口快速事故門異常落下不會影響升船機(jī)的運(yùn)行。如果升船機(jī)在對接位對接時引水管進(jìn)口快速門落下，由于對接時充、泄水系統(tǒng)所有閥門均關(guān)閉，所以不會造成嚴(yán)重后果。

下游快速事故門異常落下同上游事故門，也不會造成嚴(yán)重后果。

2 承船廂事故

承船廂可能發(fā)生船廂漏水、船廂內(nèi)水深超范圍、船廂傾斜等事故工況。

如果制動器未在制動位置時承船廂漏水，承船廂變輕，浮筒沉入水中部分增多，仍保持平衡，但是廂內(nèi)船舶觸底，升船機(jī)無法精確停位。此時應(yīng)該驅(qū)動承船廂下行到下游并對接，同時檢查漏水原因，整個過程要嚴(yán)禁制動器制動。如果制動器在制動位置時船廂漏水，船廂側(cè)質(zhì)量減輕，兩側(cè)受力不平衡，可以判斷豎井水位與船廂質(zhì)量 （水深）是否在安全范圍內(nèi)，如果在安全范圍內(nèi)則立即松開制動器；如果不在安全范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)豎井水位以適應(yīng)船廂質(zhì)量，然后松開制動器。

當(dāng)承船廂內(nèi)水深低于2.3 m時，承船廂質(zhì)量超出允許范圍，此時應(yīng)到下游對接位對接補(bǔ)水，然后再進(jìn)行正常運(yùn)行。

承船廂傾斜會造成船廂質(zhì)量分布不均，鋼絲繩受力不等，如果承船廂傾斜嚴(yán)重可能造成船廂與船廂池壁摩擦。此時應(yīng)該驅(qū)動船廂到調(diào)平位置進(jìn)行調(diào)平，且升船機(jī)在運(yùn)行過程中應(yīng)注意當(dāng)承船廂水平度不滿足要求時及時調(diào)平！

3 同步軸及制動器系統(tǒng)事故

連接卷筒的同步軸有可能發(fā)生斷裂事故，造成承船廂傾斜。所以應(yīng)限制豎井水位差值范圍，超出范圍時停止升船機(jī)運(yùn)行。

制動器可能會出現(xiàn)意外制動、動作不同步和不動作等故障工況。如果在承船廂下降時制動器意外制動，豎井內(nèi)水位不斷上升，承船廂向下滑移。如果在承船廂上升時制動器意外制動，豎井內(nèi)水位不斷下降，承船廂向上滑移。此時應(yīng)關(guān)閉對應(yīng)充、泄水閥門，并判斷豎井水位與船廂質(zhì)量 （水深）是否在安全范圍內(nèi)，如果在安全范圍內(nèi)則立即松開制動器。所以在制動器松閘前應(yīng)判斷并預(yù)調(diào)整豎井水位以適應(yīng)承船廂質(zhì)量。

如果個別制動器動作不同步或沒有動作，將會造成相應(yīng)卷筒及同步軸受力增大。如果制動器動作不同步，應(yīng)立即松開所有制動器，然后嘗試重新制動。如果所有制動器不動作，由于制動條件是浮筒與承船廂受力平衡，所以不會造成安全事故。此時可以停止升船機(jī)運(yùn)行，然后檢查維修制動器。

4 鋼絲繩連接系統(tǒng)事故

連接浮筒和承船廂的鋼絲繩有可能發(fā)生受力不均勻和伸長不均等故障情況。當(dāng)鋼絲繩受力不均勻時，卷筒及同步軸受力增大。所以，應(yīng)實(shí)時監(jiān)測承船廂水平狀態(tài)、均衡油缸和調(diào)平油缸壓力以判斷鋼絲繩受力情況，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

5 其他事故

5.1 通航水位超出范圍

如果升船機(jī)在運(yùn)船上行時上游水位突然超出通航范圍，造成升船機(jī)不能在上游對接，廂內(nèi)船只不能出廂。如果升船機(jī)在運(yùn)船去下游時上游水位突然超出通航范圍，則不影響升船機(jī)本次的運(yùn)行。應(yīng)對該情況的方法是升船機(jī)下行到下游對接位對接后放出廂內(nèi)船只，然后停止運(yùn)行。

如果升船機(jī)在運(yùn)船下行時下游水位突然超出通航范圍，造成升船機(jī)不能在下游對接，廂內(nèi)船只不能出廂。如果升船機(jī)在運(yùn)船去上游時下游水位突然超出通航范圍，則不影響升船機(jī)本次的運(yùn)行。應(yīng)對該情況的方法是升船機(jī)上行到上游對接位對接后放出廂內(nèi)船只，然后停止運(yùn)行。

5.2 下游水位變幅過快

景洪水力式升船機(jī)在下游采用的是入水對接方式，如果承船廂在下游對接期間遇到下游水位快速上漲，可能發(fā)生水淹船廂事故。應(yīng)采用入水式升船機(jī)下游對接微調(diào)安全應(yīng)急處理程序，根據(jù)下游水位實(shí)時調(diào)整船廂位置。同時，為了更加安全，在下游對接流程中不應(yīng)該考慮制動器、頂緊裝置、夾緊裝置的投入。

5.3 電源故障

如果驅(qū)動LCU（現(xiàn)地控制單元）電源故障，則控制流程無法進(jìn)行，當(dāng)船廂在運(yùn)行中，無法判斷是否運(yùn)行到位，此時只能緊急關(guān)閉充、泄水閥門和進(jìn)、出水口事故門，保持船廂位置不變，依靠受力平衡停穩(wěn)船廂。

如果充水閥門在開啟狀態(tài)突然斷電，豎井水位不斷上升，船廂會不斷下降，可能發(fā)生水淹船廂事故，所以必須緊急關(guān)閉上游快速事故門，切斷充水水流，保持船廂平穩(wěn)停機(jī)。如果泄水閥門在開啟時突然斷電，豎井水位繼續(xù)下降，船廂會不斷上升，此時必須緊急關(guān)閉下游快速事故門，切斷泄水水流，停止升船機(jī)繼續(xù)運(yùn)行。

制動器如果失去了驅(qū)動力，會自動制動，如果充、泄水閥在開啟狀態(tài)，將會造成嚴(yán)重事故，此時必須緊急關(guān)閉充、泄水閥門，同時根據(jù)船廂高程和水深調(diào)節(jié)豎井水深，保持浮筒和船廂兩端受力平衡。

承船廂在上游對接狀態(tài)突然斷電，不能解除上游對接，如上游水位變化較快，應(yīng)關(guān)閉上閘首工作小門以切斷與上游水庫的連通。承船廂在下游對接狀態(tài)突然斷電，不能解除下游對接，如下游水位變化較快，驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)啟動微調(diào)程序調(diào)整承船廂位置。

當(dāng)承船廂在上游對接時上閘首子站突然斷電，升船機(jī)系統(tǒng)不能解除上游對接，如果上游水位變化較快，可能發(fā)生事故，必須關(guān)閉承船廂上游臥倒門以切斷與上游水庫的連通。

集控系統(tǒng)斷電不影響升船機(jī)正常運(yùn)行，各現(xiàn)地控制子站轉(zhuǎn)入現(xiàn)地控制方式可以繼續(xù)運(yùn)行升船機(jī)到安全狀態(tài)。

5.4 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)故障

景洪水電站升船機(jī)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)由光纖雙環(huán)以太干網(wǎng)和各現(xiàn)地子站內(nèi)部網(wǎng)組成。網(wǎng)絡(luò)故障可能會發(fā)生在每個現(xiàn)地子站內(nèi)部，也可能在雙環(huán)以太網(wǎng)。

如果驅(qū)動現(xiàn)地子站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)故障，將無法向制動泵站控制單元、充水閥門控制單元、泄水閥門控制單元、下游閥室出水口快速事故門控制單元下發(fā)動作命令和停止動作命令。此時只能通過驅(qū)動的遠(yuǎn)程IO系統(tǒng)快速關(guān)閉充、泄水閥門，同時也可以關(guān)閉進(jìn)、出水口快速事故門，以確保升船機(jī)安全。

如果是承船廂現(xiàn)地子站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)故障，則承船廂頂夾緊裝置、防撞繩裝置、上游船廂門、下游船廂門等無法實(shí)現(xiàn)左右同步。如果在對接位置則無法解除對接，如果遇到緊急情況需要立即解除對接，可不考慮同步，通過手動方式收回船廂相關(guān)設(shè)備。

如果上閘首現(xiàn)地子站內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)故障，則上閘首工作大門、工作小門、引水管進(jìn)口快速事故門無法與上閘首現(xiàn)地子站通訊，如果船廂在上游對接位，無法自動解除對接。只能將控制方式轉(zhuǎn)為手動后解除上游對接。

當(dāng)監(jiān)控雙環(huán)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)故障，無法實(shí)現(xiàn)站間正常通信，則升船機(jī)的運(yùn)行安全將無法保證，升船機(jī)必須快速停止。所以在控制系統(tǒng)各現(xiàn)地子站間必須設(shè)有重要信號的硬接線閉鎖。

5.5 檢測系統(tǒng)故障

景洪升船機(jī)的檢測裝置數(shù)量繁多，檢測設(shè)備的類型也比較多，所以檢測設(shè)備故障在所難免。如果不能檢測船廂水深，則無法判斷船廂質(zhì)量是否在允許范圍之內(nèi)，存在安全隱患。應(yīng)停止升船機(jī)運(yùn)行，檢修維護(hù)。如在下游對接位，可根據(jù)船廂入水深度判斷船廂水深。但應(yīng)避免制動器制動。如果用于檢測承船廂水平度的水平連通管故障，船廂水平狀態(tài)不能直接檢測，會影響升船機(jī)安全，但可通過船廂4角位置測量裝置粗略判斷船廂水平度。

當(dāng)船廂入水深度檢測故障時，承船廂如在下游對接位，則可以通過船廂水深判斷入水深度；如在非對接位，則可通過船廂位置和下游水位間接計算出船廂入水深度。所以，此故障不會造成嚴(yán)重后果。

因?yàn)楦⊥菜?、位置檢測不作為直接控制使用，所以其檢測設(shè)備故障不會影響升船機(jī)正常運(yùn)行。

6 結(jié)論

景洪水電站水力式升船機(jī)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最不利工況的分析表明，充、泄水閥門故障和制動器故障是影響景洪水電站水力式升船機(jī)安全運(yùn)行最嚴(yán)重事故，而其他事故工況只會造成運(yùn)行過程中斷，基本上不會影響升船機(jī)運(yùn)行安全。

在此基礎(chǔ)上，我們制定了景洪水電站水力式升船機(jī)電氣控制系統(tǒng)保護(hù)原則，即①把需要緊急快速關(guān)閉上、下游事故門的事故工況定義為升船機(jī)一類故障。一類故障必須在盡可能短的時間內(nèi)停止升船機(jī)運(yùn)行，此過程不考慮運(yùn)行平穩(wěn)及對設(shè)備造成的影響。②將需要快速關(guān)閉充、泄水閥門的事故工況定義為升船機(jī)二類故障。二類故障要求在不對升船機(jī)設(shè)備造成影響的情況下平穩(wěn)停止升船機(jī)運(yùn)行。③其他事故工況定義為三類故障，三類故障只作為報警提示，不停止升船機(jī)運(yùn)行，當(dāng)完成一個運(yùn)行流程后在查明原因，并排除故障。

目前，景洪水電站水力式升船機(jī)已順利完成單機(jī)和分系統(tǒng)調(diào)試，正在進(jìn)行承船廂無水聯(lián)合調(diào)試。各階段的調(diào)試工作證明，對水力式升船機(jī)事故工況分析和應(yīng)對策略是正確的。

［1］ 張蕊，章晉雄，吳一紅，等.水力浮動式升船機(jī)輸水系統(tǒng)仿真分析［J］.水利學(xué)報， 2007， 38（5）:624-629， 636.

［2］ 劉金堂，曹以南，凌云，等.景洪水力式升船機(jī)設(shè)計研究［J］.水力發(fā)電， 2008， 34（4）:43-45.