青草沙水庫檢修閘門自動化改造應(yīng)用設(shè)計

李國俊+許盛+奚培榮

摘 要：近年來隨著科技水平的不斷提高，水務(wù)行業(yè)中越來越多的生產(chǎn)設(shè)備具備了自動化控制以及遠程監(jiān)控的功能，這不僅大大提高了設(shè)備運行效率，同時也達到節(jié)能減排、減少人力成本、降低發(fā)生人身安全事故的概率。該文主要闡述將檢修閘門啟閉方式改造為暗桿螺桿機以及PLC遠程控制系統(tǒng)，從而設(shè)計出一套既能就地進行控制閘門啟閉、開度、報警檢測，同時在上位機亦具備遠程檢測、控制、急停的方案，從而確保即使在惡劣天氣、少人值守的情況下，仍然能保持較高的設(shè)備運行效率、保證供水安全。

關(guān)鍵詞：檢修閘門 螺桿機 自動化

1 檢修閘門概況

青草沙水庫作為我國最大的河口江心型水庫，是上海重要的水源地之一，有效庫容達4.35億m3，設(shè)計最大日供水能力為719萬t/d。取水泵閘泵段共有12扇檢修閘門，每兩扇閘門對應(yīng)一臺取水泵，分別處于各自機泵進水流道處（表1）。

2 問題的提出

目前，在咸潮期間采用雙吊點葫蘆對檢修閘門進行啟閉。但在運行實踐中發(fā)現(xiàn)以下問題：（1）起吊難度大：目前采用兩臺雙吊點電動葫蘆對12扇檢修閘門進行起吊，由于雙吊點與閘門采用卡扣連接，在對接過程中難度較高，時常出現(xiàn)由于葫蘆卡扣的晃動導(dǎo)致連接失敗，從而大大影響工作效率。（2）時間長度大：在起吊檢修閘門前，需雙吊點葫蘆先對24塊蓋板進行起吊，由于蓋板重量大且數(shù)量較多，因此平均起吊一扇檢修閘門所需時間一般就長達35 min，若遇到應(yīng)急搶修等突發(fā)情況，不利于快速處置。（3）作業(yè)環(huán)境要求高：雙吊點葫蘆鋼絲繩高度達10 m，在啟閉過程中遇降雨或風(fēng)力氣候環(huán)境時，將增加操作風(fēng)險，同時由于中控室沒有檢修閘門遠程監(jiān)控系統(tǒng)，在惡劣氣候時，值班人員無法進行現(xiàn)場操作，值班人員在上位機中無法實時掌握檢修閘門信息并進行緊急操作。（4）檢修難度大且不利于應(yīng)急響應(yīng)：兩臺雙吊點葫蘆使用時共用一根行程軌道，分別對應(yīng)兩段各12臺檢修閘門，一旦其中1臺雙吊點設(shè)備損壞（雙吊點葫蘆設(shè)備安裝位置在長江口，咸度極高易腐蝕設(shè)備），將導(dǎo)致對應(yīng)的檢修閘門全部無法啟閉，可能存在較大的供水隱患。

因此，基于以上4點，需要為取水泵閘檢修閘門設(shè)計出一種既能夠高效率、安全的啟閉方式，又能夠使數(shù)扇檢修閘門同時進行啟閉、在現(xiàn)場和上位機都能夠遠程對閘門開關(guān)狀態(tài)、啟閉開度、報警警示等參數(shù)進行監(jiān)控，從而確保水庫的供水安全。

3 改造設(shè)備方案分析

目前主流閘門啟閉的方式主要包括：固定卷揚機啟閉、螺桿機啟閉、液壓啟閉3種方式，其擁有各自的優(yōu)缺點（表2）。

對比以上3種改造方案，根據(jù)使用習(xí)慣與設(shè)備可靠性，決定采用暗桿螺桿機的改造方案。雖然螺桿機啟閉機技術(shù)較早，但其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、對加工精度要求相對較低、維護容易、工作穩(wěn)定等重要特點，較為適合檢修閘門的工況。另外，螺桿機也能兼顧遠程控制，從而實現(xiàn)自動化的同時也能現(xiàn)地手動操作，從而實現(xiàn)雙保險。由于啟閉機使用頻率并不高，對倡導(dǎo)的節(jié)能減排來說，影響甚微。

4 工藝設(shè)計

由于檢修閘門安裝于上游取水主泵前，亦屬于重要生產(chǎn)設(shè)備，需確保其正常、高效啟閉。在改造設(shè)計中，尤其需注意由于檢修閘門流道內(nèi)一般處于無水狀態(tài)，而檢修閘門外部的水位隨潮位持續(xù)變化，此時檢修閘門所需啟閉力與其閘門內(nèi)外水位差成正比，因此需對具體啟閉機驅(qū)動力進行核算。

4.1 啟閉力計算

閘門重量為G=9 t，閘門寬度b=4 m、閘門高度h1=6.35 m，最大潮位h2=8.5 m，為考慮啟閉力及電機功率在啟閉閘門計算上的誤差，故選取超重系數(shù)為β=1.1。總靜水壓強點取閘門的幾何中心。

檢修閘門重量：

W=β×G=1.1×9T=9.9T=99000N

閘門上端壓強：

P1=ρg（h2-h1）=1000×10×（8.5-6.35）=21500pa

閘門下端壓強：

P2=ρgh2=1000×10×8.5=85000pa

作用于閘門的總靜水壓強：

P總=（P1+P2）=（21500+85000）=53250pa

作用于閘門的總靜水壓力：

F=P總×S=P總×b×h1=53250×4×6.35=1352550N

啟門時克服水壓的摩擦阻力：

T=fx×P總=0.14×1352550=189357N

啟閉力：

FQ=G+T=99000+189357=288357N，即：單根螺桿受力FQ′=144178.5N。

采用Tr60×12梯形螺紋；中徑d2=54 mm，內(nèi)徑d1=47 mm，導(dǎo)程S=12 mm，螺旋傳動的摩擦系數(shù)f=0.2，得：j=11°19。

螺旋升角：

α=tan-1S/（π×d2）=4°03 tan（j+α）=tan15°22

啟閉閘門時的扭矩：

M2=FQ′=1069776N·mm，即1.07×103 N·m。

取總傳動效率η=0.66，轉(zhuǎn)速n=12 r/min。

電動機功率：

N===2.03kW，故選用4 kW電機。

4.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個流道口底部至地面平臺地面距離為17 m，考慮到運行時間及效率，閘門無需完全提升至滿量程，根據(jù)運行工況只需將閘門提升出流道口即滿足工況。這樣也極大節(jié)省了時間成本。同時為確保螺桿機在惡劣天氣下的設(shè)備狀態(tài)，選用不銹鋼罩進行保護并在鋼制平臺下加開觀察孔（螺桿機與鋼制平臺一體化），從而能對封閉在鋼制平臺下的檢修閘門進行觀察。另外，為避免絲桿在檢修閘門開啟過程中長時間受力造成損傷，計劃在鋼制平臺處加設(shè)一插銷，緩解絲桿所受拉力（圖1）。

4.3 控制設(shè)計

為確保檢修閘門啟閉正常，運行控制方式采用手動本地、上位機遠程控制相結(jié)合的模式。由于在一般情況下，起吊檢修閘門均要求兩名值班人員在場進行操作及監(jiān)護。因此，在本地模式中就地設(shè)立一個手動操作控制柜，對檢修閘門進行控制。在閘門機械連鎖啟動時，控制柜中的報警燈亮起并緊急停止閘門運作（表3）。

由于檢修閘門地處長江邊，考慮到時常有惡劣天氣出現(xiàn)，因此為螺桿機配備相關(guān)自控設(shè)備，為緊急情況下的應(yīng)急處理做好保障。為確保檢修閘門自控系統(tǒng)能夠順利與水庫其他設(shè)備相連接、互相兼容，同時考慮此次檢修閘門的控制信號以及相關(guān)數(shù)字量、模擬量信號數(shù)量、使用環(huán)境等情況。可采用AB系列小型PLC，通過羅克韋爾三層網(wǎng)絡(luò)（信息層、控制層、設(shè)備層）高效、安全、穩(wěn)定地對各類信號、設(shè)備進行傳輸、控制（表4）。

遠程控制除了體現(xiàn)全部就地控制的信號外，還接入開度超差監(jiān)控、軟件報警等功能，最大程度預(yù)防惡劣天氣下，螺桿啟閉機檢修閘門運行不平衡從而造成絲桿斷裂等重大安全隱患。另外，設(shè)備相關(guān)信號均通過設(shè)備層分別接入至PLC模擬量、離散量模塊，然后通過工業(yè)交換機傳至上位機，從而達到能夠在上位機進行遠程監(jiān)控的功能。

5 改造后效果

檢修閘門通過此次改造，將原有雙吊點葫蘆啟閉改成暗桿螺桿機啟閉之后，預(yù)計將會得到如下改進：（1）開啟時間由改造前的6 h（包含12臺閘門以及其蓋板的啟閉）縮減至30 min（改造后可以多扇閘門同時啟閉且免去了蓋板起吊的過程），從而使運行效率大大增加。（2）增加遠程監(jiān)控功能，使得值班人員在中控室能夠?qū)z修閘門運行狀態(tài)進行監(jiān)測及控制，不僅減少了人力成本，同時增加了應(yīng)急情況下的處置反應(yīng)速度與能力。（3）保證了全天候的閘門運行工況，改造后加裝不銹鋼外罩及鋼制平臺后，大大提升了檢修閘門運行的穩(wěn)定性，能夠應(yīng)對惡劣天氣下的運行，確保供水正常運行（圖2）。

參考文獻

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