李 承 昊, 趙 懿, 胡 玉 芳

(大唐雅安電力開發(fā)有限公司,四川雅安 625500)

1 概 況

閘門控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于中國各大、中、小型水電站,借助于科技的高速發(fā)展,形成了一系列特點鮮明、優(yōu)缺點明顯的閘門控制系統(tǒng)[1]。為滿足電站現(xiàn)場“無人值班,少人值守”的要求,閘門控制方式已由最開始的單一現(xiàn)地控制發(fā)展成為了現(xiàn)在的遠(yuǎn)方結(jié)合現(xiàn)地的控制方式。搭載了PLC的閘門控制系統(tǒng)對于控制精度更加可靠,操作方式更簡易,對電站的安全生產(chǎn)和防洪度汛起著重要的作用。

本文所研究的水電站為雅安市滎經(jīng)河不具有日調(diào)節(jié)功能的壩后式電廠,水庫正常蓄水位721.00 m(目前僅蓄水至719.50 m),尾水位701.00 m,平均水頭18.83 m,總庫容661萬m3,調(diào)節(jié)庫容76.8萬m3,電廠發(fā)電引用流量為2×62 m3/s,裝機(jī)容量2×1萬kW。該電廠樞紐工程采用混凝土重力壩,壩線總長128 m,壩頂高程724.00 m。從左岸至右岸依次有六孔閘門:三孔泄洪閘,一孔沖砂閘和兩孔進(jìn)水閘。取水口位于右岸緊靠泄洪沖砂閘,壩后式廠房位于壩軸線下游約75 m處與壩軸線平行。

徑流主要由降雨形成,雨量主要集中在7、8、9月,占全年總降雨量的56%,春冬兩季主要由融雪水及地下水補(bǔ)給,1、2、3月僅占全年徑流的8.3%。豐水期(5～10月)多年平均流量為135 m3/s,占年徑流量的80.5%;枯水期(11月～次年4月)多年平均流量為35.6 m3/s,占年徑流量的19.5%。流域內(nèi)的洪水由于流域內(nèi)特有的地形和地勢條件,洪水過程呈陡漲陡落的尖峰型,一次洪水過程多在48 h以內(nèi)。多年平均流量為79.2 m3/s,最大年平均流量為98.0 m3/s(2005年),最小年平均流量為71.0 m3/s。多年平均最大洪峰流量1 270 m3/s,比原設(shè)計數(shù)據(jù)略小。其中年最大泄洪流量3 940 m3/s,年最小泄洪流量768 m3/s。

本文主要通過研究該電站泄洪閘以及沖砂閘的控制特性和日常維護(hù)方面的細(xì)則來驗證閘門在日常運行過程中的可靠性,并且針對控制和維護(hù)方面來提出可優(yōu)化的措施。

2 閘門特性

2.1 泄洪閘門

開敞式泄洪閘為三孔,閘孔寬為12 m,每孔設(shè)露頂弧形工作閘門和平板檢修門各一道,(檢修門共用)。工作弧門底高程707.466 m,門面半徑16 m,支鉸高程717.50 m,閘頂高程為壩前正常擋水位721.00 m,閘底為WESIV型堰,堰頂高程為708.00 m,溢流壩的最低高程為690.00 m,最大壩底寬度為43.5 m,最大壩高34 m,(包括閘墩),閘墩厚度4 m,閘墩頂部高程724.00 m。

該電站的三孔泄洪閘所采用的露頂弧形閘門,它的優(yōu)點是閘門可以繞固定支鉸的水平軸轉(zhuǎn)動。鉸軸中心一般布置在弧形面板的圓心處,故作用在面板上的全部水壓力通過軸心,啟門時,只需克服閘門自重以及止水和鉸軸的阻力對軸心的阻力矩?；⌒伍l門具有運轉(zhuǎn)可靠,啟閉省力特點。閘墩的厚度較小、沒有影響水流流態(tài)的門槽,具有泥沙多時工作狀態(tài)好、泄流條件好、啟閉力較小等優(yōu)勢[2]。該電站泄洪閘門參數(shù)見表1。

表1 泄洪閘門技術(shù)參數(shù)表

在日常運行過程中,三孔泄洪閘門每開啟1 m,可下泄大約80 m3/s的流量,單孔閘門最大可開啟至10 m。

2.2 沖砂閘門

泄洪沖砂閘為一孔,設(shè)半徑為16 m的工作閘門和平板檢修門各一道?；￠T孔口尺寸為12 m×8 m,門面半徑16 m,支鉸高程712.50 m,檢修平板門孔口尺寸為12 m×9 m。進(jìn)口為有壓短嘴進(jìn)水方式,頂端采用橢圓曲線。閘室底板高程為700.00 m,閘前拉砂槽底坡1/50,閘后以拋物線接12∶4斜坡段,斜坡段為消力池底板用半徑為20 m的反弧段相銜接,閘基建基面高程690.00 m,齒槽底高程為687.00 m,閘頂高程同泄洪閘724.00 m,最大閘高34 m,最大閘底底寬42.5 m,沖砂閘門技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 沖砂閘門技術(shù)參數(shù)表

沖砂閘比泄洪閘泄流能力更強(qiáng),在沖砂閘開啟1 m時,可下泄大約120 m3/s的流量,最大開度可達(dá)10 m。

3 閘門控制及維護(hù)

3.1 閘門運行方式

該電廠泄洪和調(diào)節(jié)庫水位工作由泄洪閘完成,每場洪水后期的拉沙工作由沖沙閘完成。

3.1.1 閘門操作順序

(1)為了使該電廠進(jìn)水口水流穩(wěn)定,盡量先開啟2號泄洪閘。

(2)為了避免下游出現(xiàn)不利流態(tài),一般采用對稱開啟閘門的方式,然后依次開啟1、3號泄洪閘,若還達(dá)不到泄洪要求,最后則開啟1號沖砂閘;從局部開啟直至全部全開。洪水消退后,閘門操作按“先關(guān)兩邊,后關(guān)中間,對稱、均勻關(guān)閉。避免長時間集中沖刷一個地方。

(3)河中出現(xiàn)水流夾帶大量泥沙或其他污染物,如果引水發(fā)電,會對電廠水工建筑物或機(jī)電設(shè)備帶來不良后果,應(yīng)停機(jī)沖渣。

(4)進(jìn)水口清污機(jī)出現(xiàn)故障或污物過多,使進(jìn)水口柵差大至0.5 m以上時,可停機(jī)撈渣后始可運行。

3.1.2 運行操作

3.1.2.1 現(xiàn)地操作

大壩閘門操作正常運行方式為現(xiàn)場“自動”“手動”“調(diào)試”。

(1)現(xiàn)場手動操作步驟:控制選擇開關(guān)SA1置于“調(diào)試”位,脫離PLC控制,僅供安裝調(diào)試或PLC故障時使用,要求閘門現(xiàn)場必須有人監(jiān)視。

(2)啟動油泵:按1號或2號油泵啟動按鈕,則1號或2號油泵運行,此時,允許閘門開啟或關(guān)閉。

(3)開閘門:油泵正常運行后,按開門按鈕1SB1,閘門開啟上升至全開位,閘門停止運行。若需要閘門停止在某個位置,則按停門按鈕1SB2,閘門停止運行。

(4)關(guān)閘門:油泵正常運行后,按關(guān)門按鈕1SB2,閘門關(guān)閉下降至全關(guān)位,閘門停止運行。若需要閘門停止在某個位置,則按停門按鈕1SB2,閘門停止運行。

(5)左右糾偏:閘門在開關(guān)運行過程中,自動進(jìn)行左右糾偏,如閘門不同步運行達(dá)到超差值時,閘門不能上升,但可進(jìn)行關(guān)閉操作,此時應(yīng)將閘門切換為“調(diào)試”運行,手動糾偏后,再切換為自動運行。

(6)停閘門:若需要閘門停止在某個位置,則按停門按鈕1SB2,閘門和油泵停止運行。

(7)下滑自動復(fù)位:當(dāng)閘門提升至指定開度或全開位后,閘門下滑達(dá)到150 mm,控制系統(tǒng)就會自動啟動工作泵組,若第一次自動復(fù)位失敗,閘門繼續(xù)下滑達(dá)160 mm,而工作泵組并未投入運行,控制系統(tǒng)啟動備用泵組,將閘門提升至下滑前位置,并發(fā)出故障報警信號。

(8)故障復(fù)位:當(dāng)出現(xiàn)故障時報警,應(yīng)檢查并清除故障,按故障復(fù)位按鈕后,才允許操作(注意:PLC觸摸屏無密碼設(shè)置,其參數(shù)非專業(yè)人員禁止修改,若出現(xiàn)故障盡快通知維護(hù)人員)。

3.1.2.2 遠(yuǎn)方操作

在中控室上位機(jī)點出閘門操作畫面進(jìn)行操作,運行人員在操作之前應(yīng)確保閘門控制方式是“遠(yuǎn)方”控制。

(1)點擊開度設(shè)置圖標(biāo),設(shè)置閘門開度,防洪度汛期間一般根據(jù)上游來水量調(diào)節(jié)閘門開度;

(2)點擊閘門操作圖標(biāo),再點擊開啟,點擊執(zhí)行,閘門上升到預(yù)設(shè)開度;

(3)上位機(jī)操作閘門上升或下降的過程中,如果出現(xiàn)異常,應(yīng)立即點擊停止,點擊執(zhí)行,停止操作[2]。

遠(yuǎn)方操作閘門的優(yōu)點:

(1)將現(xiàn)場情景圖形化,實時傳輸閘門開啟高度和閘門狀態(tài)等信息;

(2)通過計算機(jī)鼠標(biāo)操作即能開啟或者關(guān)閉閘門;

(3)實時顯示現(xiàn)場電壓、電流信息,詳細(xì)監(jiān)視設(shè)備的運行情況;

(4)可以記錄閘門每次動作的時間及開啟的高度;

(5)閘門水位上限或下限,電壓過高或過低,電流過高,均能自動告警;

(6)軟件集成水位信息,實時顯示當(dāng)前水位高度;

(7)軟件可集成顯示現(xiàn)場視頻監(jiān)控畫面,遠(yuǎn)程操作做到信息化、可視化,信息化、可視化集成在同一界面中,遠(yuǎn)程操作更加便捷,更加可靠,滿足無人值守的要求,但現(xiàn)地必須有人進(jìn)行監(jiān)護(hù),并且通過工業(yè)電視視頻進(jìn)行監(jiān)控。

3.2 閘門維護(hù)

3.2.1 運行故障與事故處理

3.2.1.1 啟閉機(jī)液壓機(jī)構(gòu)故障

若閘門無法正常啟閉,故障發(fā)現(xiàn)人應(yīng)仔細(xì)檢查故障設(shè)備情況,在現(xiàn)場進(jìn)行前期處理。若故障無法消除或未找到故障點,則組織技術(shù)及安全人員迅速查明故障部位及原因,確定故障性質(zhì)及消除故障所需的時間。如果需關(guān)閉閘門,則應(yīng)決定是否用檢修閘門擋水,在開啟閘門過程中,首先在水庫調(diào)度規(guī)程許可范圍內(nèi)開啟其它閘門,以同流量泄洪代替,防止庫區(qū)水位超過限定值。若閘門有下滑跡象,則應(yīng)仔細(xì)觀察設(shè)備異常情況并疏散周圍人員,以免事故擴(kuò)大,造成人員傷害,待閘門停止下滑后,立刻組織技術(shù)人員檢查維修。故障排除后必須先進(jìn)行靜水啟閉試驗(有檢修門擋水),然后進(jìn)行動水啟閉試驗(無檢修門擋水),試驗無異常后方可繼續(xù)運行。

3.2.1.2 閘門變形、卡阻使閘門無法正常啟閉

故障發(fā)現(xiàn)人應(yīng)立即切斷所有相關(guān)電源,仔細(xì)檢查故障設(shè)備情況,進(jìn)行現(xiàn)場先期處理。維修人員在進(jìn)行故障排除時,應(yīng)該保持啟閉機(jī)對閘門有一定的承重力,根據(jù)需要使用輔助起重機(jī)械,防止發(fā)生閘門失控造成事故,并做好維修記錄,作為今后修訂處置方案的依據(jù)。如果閘門未處于全關(guān)位置,且閘門距離地面距離不足20 cm時,可使用調(diào)試方式啟動油泵關(guān)閉閘門。故障排除后,必須先進(jìn)行靜水啟閉試驗(有檢修門擋水),然后進(jìn)行動水啟閉試驗(無檢修門擋水),試驗無異常后方可繼續(xù)使用。

3.2.2 閘門的維護(hù)保養(yǎng)

經(jīng)常對泄洪閘及沖砂閘進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)可以減少閘門的磨損程度,消除隱患和故障,保持閘門及其附屬設(shè)備能夠穩(wěn)定運行[3]。閘門設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)的主要方式有:清潔、潤滑、緊固、防腐除銹、刷漆,日常情況下對閘門系統(tǒng)的巡視檢查應(yīng)達(dá)到每周一次,機(jī)電設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)分為日常維護(hù)保養(yǎng)和定期維護(hù)保養(yǎng)。

3.2.2.1 日常保養(yǎng)

運行人員對沖砂閘及泄洪閘的外觀進(jìn)行檢查,觀察液壓缸是否漏油,是否出現(xiàn)腐蝕嚴(yán)重的現(xiàn)象,如果出現(xiàn)上訴情況應(yīng)通知維護(hù)人員及時解決。觀察閘門控制屏上是否存在故障報警,如果有故障報警,應(yīng)及時排查原因并解決。在閘門運行過程中存在的異常聲響、異常震動及時做好記錄,方便維護(hù)人員處理。

3.2.2.2 定期保養(yǎng)

對運行了一定時間的閘門及機(jī)電設(shè)備,需要進(jìn)行定期的維護(hù)保養(yǎng),以保證延長閘門使用壽命能夠穩(wěn)定運行,發(fā)揮閘門的技術(shù)特性和經(jīng)濟(jì)特性,保養(yǎng)時主要對以下設(shè)備進(jìn)行重點維護(hù):閘門門葉、閘門水封、動滑輪組、主輪裝置、側(cè)輪裝置、起升電機(jī)、主令開關(guān)、制動裝置、動力電源回路、控制系統(tǒng)回路。在定期維護(hù)結(jié)束后,應(yīng)對幾道閘門進(jìn)行啟閉試驗,以保證能夠正常使用[4]。

4 優(yōu)化意見及展望

4.1 優(yōu)化意見

4.1.1 現(xiàn)地操作水位顯示優(yōu)化

目前,該電站獲取適時上游水位數(shù)值的方式,主要通過廠房上位機(jī)顯示查看,對于遠(yuǎn)方操作來說較為方便,能夠在閘門開啟或關(guān)閉時,及時看到水位的變化。但在現(xiàn)地操作時,因為閘門控制室在大壩,控制室內(nèi)沒有水位顯示器,如果需要獲取水位信號,需要中控室值守一人及時與現(xiàn)地操作人員通訊聯(lián)系,這樣,使現(xiàn)地操作人員很不方便。因此,必須通過技改將廠房上位機(jī)上的水位信號傳輸至大壩閘門控制室的控制柜PLC顯示器上,能夠在PLC顯示器上及時看到適時水位數(shù)值,這樣,可以方便運行人員在開、關(guān)閘門時根據(jù)水位來調(diào)節(jié)閘門開度,同時,對于電站在汛期的穩(wěn)定運行也可起到很好的作用。

4.1.2 警報系統(tǒng)及監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)化

目前該電站啟動泄水流程后,是通過值班人員到大壩泄洪閘門控制柜處拉響泄洪警報,警示下游岸邊逗留人員盡快撤離,遠(yuǎn)離泄洪區(qū)域。如果將泄洪警報開關(guān)布置于中控室,更有利于值班人員提高啟動泄水流程的效率,既節(jié)省時間,又及時泄洪。但是,泄洪時間一般都在夜間和凌晨,天色較暗,導(dǎo)致下游監(jiān)控設(shè)備的清晰程度受到影響,值班人員無法確定下游岸邊是否有逗留人員,所以,將泄洪警報開關(guān)置于大壩上,可以讓值班人員在拉響泄洪警報之前,能夠在大壩上通過手電筒輔助觀測下游有無人員逗留,但這種方法所需時間較長,且人為觀測因為視線原因有時候會存在一定偏差。針對這種情況,若改良下游攝像頭夜晚清晰度不高的狀況,并加入熱成像技術(shù)以及生物識別功能,能準(zhǔn)確確定下游是否有人逗留,以提高泄洪的安全性。通過對監(jiān)控攝像頭的改造,便可將泄洪警報開關(guān)置于中控室,這樣,就可方便值班人員快速準(zhǔn)確地觀察下游岸邊是否有人員逗留,并及時拉響警報,實現(xiàn)電站在泄洪前后及時將信息傳達(dá)至危險范圍,保證下游居民的生命安全,提高泄洪流程的可靠性[5]。

4.2 閘門自動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)

針對該電站目前閘門的運行方式,已經(jīng)達(dá)到了比較智能的程度,能用多種方式對閘門開度進(jìn)行調(diào)節(jié),完成防洪度汛任務(wù)。閘門自動控制系統(tǒng)是依照來水量的大小來控制泄洪閘的開度,達(dá)到自動控制的目的。流量傳感器通過將信號傳送到閘門控制系統(tǒng),閘門控制系統(tǒng)對流量信號進(jìn)行識別,如果達(dá)到泄洪流量標(biāo)準(zhǔn),將自動啟動泄水警報。泄洪警報流程結(jié)束后,利用人工智能識別系統(tǒng)確認(rèn)下游無人,才開啟閘門進(jìn)行泄洪,并根據(jù)來水量自動調(diào)節(jié)閘門。這樣,能有效提高閘門自動控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性,確保閘門的安全運行,才能真正實現(xiàn)“無人值班,少人值守”[6]。但是,采用閘門自動控制系統(tǒng)會存在一些技術(shù)上的難題:

(1)自動控制系統(tǒng)控制回路出現(xiàn)問題,導(dǎo)致誤動作可能會誤開啟閘門,造成不必要的損失;

(2)流量傳感器存在測量誤差,可能會導(dǎo)致傳輸?shù)较到y(tǒng)上的數(shù)據(jù)發(fā)生偏差,導(dǎo)致閘門運行故障;

(3)閘門運行時期一般集中在汛期,閘門長期未運行可能會導(dǎo)致自動控制系統(tǒng)程序丟包而無法使用。

(4)生物識別技術(shù)存在不穩(wěn)定性,可能會出現(xiàn)識別錯誤或者未識別出下游逗留人員,這種情況下開啟閘門,可能會引發(fā)事故。

閘門自動控制系統(tǒng)對水電站的運行有百利而無一害,但需要技術(shù)人員在實踐中解決這些.難題,才能保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

5 結(jié) 語

本文在通過對某電站的閘門參數(shù)、運行方式、運行原理、日常維護(hù)方式進(jìn)行分析,并結(jié)合該電站閘門在歷史運行過程出現(xiàn)的故障問題,得出該電站的閘門運行方式比較成熟可靠,裝置集成化程度較高的結(jié)論。但是,對比國內(nèi)某些尖端電站,在裝置自動化、智能化上還存在比較大的差距,因此,該站要實現(xiàn)“關(guān)門運行”,還有很長的一段路要走。閘門控制系統(tǒng)要想真正從“人”手中交到“機(jī)器”手中,不僅要依賴精密程度高的可靠裝置,更需要人工智能技術(shù)的結(jié)合,因為人工智能技術(shù)在今后水電站運行的發(fā)展中必將扮演重要的角色。