豎井式進(jìn)出水口閘門控制策略與運(yùn)行管理

高從闖，王實(shí)甫，黃　艷，陳忠賓，吳　浩，倪海梅

（1.江蘇國信溧陽抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽 213334；2.南京瑞迪建設(shè)科技有限公司，江蘇 南京 210029；3.江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽 213333）

0　引言

豎井式進(jìn)出水口體型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、規(guī)模龐大、水力計(jì)算邊界條件眾多，再加上閘門數(shù)量較多，與常規(guī)的側(cè)式進(jìn)出水口相比，其設(shè)計(jì)及運(yùn)行管理難度較大。為了保證結(jié)構(gòu)和設(shè)備安全，必須對閘門控制策略進(jìn)行研究，并精心做好日常運(yùn)維工作，才能發(fā)揮其應(yīng)有的社會和經(jīng)濟(jì)效益。

1　工程概況

江蘇溧陽抽水蓄能電站地處江蘇省溧陽市，電站主要任務(wù)是為電力系統(tǒng)提供調(diào)峰、填谷和緊急事故備用，同時(shí)承擔(dān)系統(tǒng)的調(diào)頻、調(diào)相等任務(wù)。電站共裝設(shè)6臺250 MW混流可逆式水泵水輪電動發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1 500 MW。布置兩條引水流道，1～3號機(jī)組共用1號流道，4～6號機(jī)組共用2號流道。受工程地形地質(zhì)條件的影響[1]，電站上水庫進(jìn)出水口無法采用常規(guī)的側(cè)式進(jìn)出水口，只能做成豎井式，上水庫設(shè)2個豎井式進(jìn)出水塔，每個進(jìn)出水塔分隔成8個孔口，環(huán)形布置，共有16套事故檢修閘門。兩座塔體的中心間距為140.0 m，塔體頂部平臺高程為295.0 m，進(jìn)出水塔塔頂設(shè)置啟閉機(jī)房，直徑約40 m，塔體頂部平臺通過交通橋與環(huán)庫公路相連。

閘門孔口尺寸均為6.896 m×7.0 m(寬×高)，底板高程242.0 m，設(shè)計(jì)水位291.0 m，設(shè)計(jì)水頭49.0 m，閘門門型為單吊點(diǎn)平面滑動閘門。每扇事故檢修閘門各由1臺固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)操作，啟閉機(jī)布置在井式進(jìn)水塔塔頂排架高程311.9 m平臺的機(jī)房中，啟閉機(jī)容量為4 500 kN，揚(yáng)程55.0 m，啟閉機(jī)速度為重載1.2 m/min、輕載2.4 m/min，工作級別Q2-輕，閉式傳動，變頻調(diào)速，設(shè)工作制動器及安全制動器兩套安全防護(hù)系統(tǒng)。在門槽頂部高程295.0 m處設(shè)有電動推桿鎖定裝置，閘門平時(shí)通過電動推桿鎖定裝置鎖定在孔口內(nèi)，當(dāng)閘門需要關(guān)閉時(shí)，先將閘門提升一定高度，電動推桿鎖定裝置退出鎖定狀態(tài)，再操作閘門下落。每個井式進(jìn)水塔設(shè)一套電氣控制設(shè)備，完成對啟閉機(jī)的控制[2]。2個井式進(jìn)出水塔外觀設(shè)計(jì)簡約美觀，與周圍景觀融為一體。井式進(jìn)出水口工程形象面貌見圖1。

圖1　井式進(jìn)出水口工程形象面貌圖

2　閘門運(yùn)行工況及技術(shù)要求

2.1　運(yùn)行工況

依據(jù)規(guī)程規(guī)范[3]，溧陽抽水蓄能電站上水庫進(jìn)出水口閘門為事故檢修門，其主要運(yùn)行工況包括：

（1）當(dāng)上水庫初期蓄水時(shí)，事先關(guān)閉閘門擋水；

（2）當(dāng)引水壓力管道或機(jī)組球閥需要正常檢修時(shí)，靜水情況下關(guān)閉閘門，排空管道，為檢修創(chuàng)造條件；

（3）當(dāng)引水壓力管道或機(jī)組發(fā)生故障，采用機(jī)組導(dǎo)葉或球閥切斷水流，然后在靜水情況下關(guān)閉上水庫閘門，排空管道，為檢修創(chuàng)造條件；

（4）當(dāng)引水壓力管道或機(jī)組發(fā)生事故，機(jī)組導(dǎo)葉拒動，且球閥也無法關(guān)閉時(shí)，由水淹廠房事故按鈕或水淹廠房浮球信號動作動水關(guān)閉上水庫閘門。

2.2　技術(shù)要求

每個井式進(jìn)水口中距離交通橋最近的閘門編為1號閘門，閘門按俯視圓形進(jìn)水口順時(shí)針依次編為2號閘門、3號閘門、4號閘門、5號閘門、6號閘門、7號閘門、8號閘門；兩扇對稱閘門編號為1號閘門和5號閘門、2號閘門和6號閘門、3號閘門和7號閘門、4號閘門和8號閘門。

（1）閘門啟動的先后順序要求：最大程度保持水流的平順，先后順序依次為1號閘門和5號閘門、3號閘門和7號閘門、2號閘門和6號閘門、4號閘門和8號閘門；

（2）充水平壓要求：閘門門頂設(shè)有壓蓋式充水閥，用于充水平壓后操作啟門；充水閥的開啟數(shù)量與開度根據(jù)引水道充水水位上升速率確定，充水閥要求對稱開啟且開度相同；

（3）閉門要求：每組啟閉機(jī)啟動時(shí)間間隔10 s；對稱兩扇閘門的不同步控制在100 mm以內(nèi)；

（4）啟門要求：平壓后方可啟門，啟門時(shí)上下游水位差不得大于5 m；啟門亦采用相對對稱的兩扇閘門組成一組，同時(shí)動作的方式；每組閘門啟動時(shí)間間隔10 s；

（5）控制要求：閘門既可現(xiàn)場操作，也可遠(yuǎn)方操作。

3　閘門控制策略

3.1　電氣控制邏輯

每個井式進(jìn)出水塔設(shè)1套現(xiàn)地集中控制設(shè)備，由1只現(xiàn)地集控柜和8只閘旁分控柜組成。閘旁分控柜負(fù)責(zé)采集與處理閘門的開度、荷載等信號，在柜前面板上顯示實(shí)時(shí)狀態(tài)，同時(shí)將狀態(tài)信號通過I/O接口發(fā)往現(xiàn)地集控柜；閘旁分控柜可手動操作閘門，也可接收集控柜發(fā)出的指令，完成集控工況下的閘門控制。現(xiàn)地集控柜負(fù)責(zé)通過I/O接口接收閘旁分控柜上送的現(xiàn)地狀態(tài)信號，經(jīng)PLC處理后，發(fā)出現(xiàn)地集控指令，進(jìn)行閘門控制；同時(shí)將現(xiàn)地狀態(tài)信號發(fā)往上水庫現(xiàn)地LCU，并接收其發(fā)出的遠(yuǎn)方集控指令，送回閘旁分控柜，進(jìn)行閘門控制。上水庫現(xiàn)地LCU負(fù)責(zé)通過光纜將閘門現(xiàn)地狀態(tài)信號上送至中央控制室計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)接受其發(fā)出的遠(yuǎn)程集控指令，進(jìn)行閘門控制。閘門控制邏輯見圖2。

圖2　閘門控制邏輯圖

3.2　操作流程

3.2.1單扇閘門操作流程[4]

（1）關(guān)閉閘門程序

現(xiàn)地或遠(yuǎn)方落閘指令→啟動電動機(jī)，工作制動器和安全制動器同時(shí)打開，按約2.4 m/min的速度提升閘門，提升高度約0.5 m，發(fā)出到位信號→停止運(yùn)行，工作制動器制動，安全制動器延時(shí)1 s制動→啟動電動推桿鎖定裝置，退出鎖定狀態(tài)后停止，發(fā)出到位信號→啟動電動機(jī)，工作制動器和安全制動器同時(shí)打開，閘門按約2.4 m/min速度下降至孔口門楣上方約1 m處；在約1 m的行程內(nèi)降速至約0.6 m/min，再按約0.6 m/min運(yùn)行至全關(guān)位，發(fā)出閘門全關(guān)信號；再按0.6 m/min的速度關(guān)閉充水閥，發(fā)出到位信號→停止運(yùn)行，工作制動器制動，安全制動器延時(shí)1 s制動。

（2）開啟閘門程序

現(xiàn)地或遠(yuǎn)方啟門指令→啟動電動機(jī)，工作制動器和安全制動器同時(shí)打開，按約1.2 m/min的速度打開充水閥，發(fā)出到位信號→停止運(yùn)行，工作制動器制動，安全制動器延時(shí)1 s制動→充水閥充水平壓，水頭差≤5 m時(shí)，發(fā)出平壓信號→再啟動電動機(jī)，工作制動器和安全制動器同時(shí)打開，按約1.2 m/min的速度提升閘門至門楣位置，在約1 m的行程內(nèi)速度增為約2.4 m/min，按約2.4 m/min的速度直至閘門提出孔口上限位，發(fā)出到位信號→停止運(yùn)行，工作制動器制動，安全制動器延時(shí)1 s制動→啟動電動推桿鎖定裝置，進(jìn)入鎖定狀態(tài)后停止，發(fā)出到位信號→啟動電動機(jī)，工作制動器和安全制動器同時(shí)打開，按約1.2 m/min的速度將閘門下降至鎖定位置，發(fā)出到位信號→停止運(yùn)行，工作制動器制動，安全制動器延時(shí)1 s制動。

3.2.2閘門聯(lián)合控制操作流程

（1）關(guān)閉閘門程序

現(xiàn)地或遠(yuǎn)方落閘指令→落1號和5號閘門→延時(shí)10 s→落3號閘門和7號閘門→延時(shí)10 s→落2號閘門和6號閘門→延時(shí)10 s→落4號閘門和8號閘門→各閘門按照單扇門動作程序動作到位，發(fā)出閘門全關(guān)信號。

（2）開啟閘門程序

現(xiàn)地或遠(yuǎn)方啟門指令→啟1號閘門和5號閘門→延時(shí)10 s→啟3號閘門和7號閘門→延時(shí)10 s→啟2號閘門和6號閘門→延時(shí)10 s→啟4號閘門和8號閘門→各閘門按照單扇門動作程序動作到位，發(fā)出閘門全開信號。

4　運(yùn)行管理需重點(diǎn)關(guān)注的問題

4.1　電源可靠性

可靠的電源是閘門正確動作的必要條件。由于井式進(jìn)出水口閘門數(shù)量多，且啟閉機(jī)功率較大，本工程每臺啟閉機(jī)電機(jī)功率為110 kW，如果同時(shí)啟動對廠用電沖擊較大，因而在啟動邏輯設(shè)定時(shí)考慮延時(shí)10 s，避免同時(shí)啟動。在負(fù)荷分配上，將每個井的8扇閘門分成兩組，分別從兩段母線取電，兩段母線互為備用，并設(shè)有保安電源，確保供電可靠性[5]。

4.2　做好定期試驗(yàn)工作

要定期開展閘門啟動試驗(yàn)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，以保證隨時(shí)處于可用狀態(tài)。試驗(yàn)過程中要特別關(guān)注對稱閘門同步性問題，由于每扇閘門的滑輪及滑塊與門槽接觸產(chǎn)生的摩擦力不同，經(jīng)過長距離運(yùn)行，由摩擦力產(chǎn)生的開度誤差會越來越大。發(fā)現(xiàn)偏差較大，要修改完善PLC內(nèi)部控制程序，自動將速度落后一側(cè)的啟閉機(jī)電機(jī)運(yùn)行速度適度加快，從而與對側(cè)開度差控制在100 mm以內(nèi)。

4.3　做好設(shè)備定期維護(hù)工作

定期對設(shè)備進(jìn)行檢查維護(hù)，重點(diǎn)關(guān)注齒輪箱油位、鋼絲繩潤滑油、工作和安全制動器間隙、傳動機(jī)構(gòu)有無磨損斷裂情況、鎖定裝置動作靈活性等；對開度儀開展定期校驗(yàn)，確保測值示值準(zhǔn)確；對二次控制回路定期開展清潔和校驗(yàn)工作，防止誤動、拒動[6]。

4.4　加強(qiáng)庫區(qū)管理

根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范規(guī)定，當(dāng)上、下水庫由人工開挖筑壩而成又無污染源（包括高坡滾石、泥石流等）的情況下，其進(jìn)出水口可不設(shè)置攔污柵[3]。進(jìn)一步考慮降低結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度，溧陽抽水蓄能電站上水庫進(jìn)出水口沒有設(shè)置攔污柵。這對庫區(qū)管理提出了更高要求，需采取庫區(qū)全封閉、設(shè)置全域視頻監(jiān)控、外來參觀人員由電站人員引導(dǎo)等措施，確保上水庫無異物進(jìn)入，防止因異物進(jìn)入門槽使閘門無法操作。

5　結(jié)語

通過溧陽抽水蓄能電站上水庫進(jìn)出水口項(xiàng)目的實(shí)踐，對于豎井式進(jìn)出水口設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工、制造、安裝、調(diào)試、生產(chǎn)等各方面都積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，在今后的運(yùn)行過程中需進(jìn)一步加強(qiáng)管理，不斷優(yōu)化控制策略，實(shí)現(xiàn)長周期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1]胡旺興，等.溧陽抽水蓄能電站上水庫豎井式進(jìn)/出水口設(shè)計(jì)[J].水力發(fā)電,2013(3)：38-39.

[2]諸大江，等.溧陽抽水蓄能電站金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備簡介[C]//抽水蓄能電站工程建設(shè)文集2013.北京：中國電力出版社，2013：309-310.

[3]DL/T5208-2005抽水蓄能電站設(shè)計(jì)導(dǎo)則[S].北京：中國電力出版社，2005.

[4]蔡星煜，胡旺興，等.江蘇溧陽抽水蓄能電站上水庫進(jìn)/出水口事故檢修閘門啟閉機(jī)操作及維護(hù)技術(shù)要求[R].長沙：中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，2016.

[5]GB/T32594-2016抽水蓄能電站保安電源技術(shù)導(dǎo)則[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2016.

[6]SL381-2007水利水電工程啟閉機(jī)制造安裝及驗(yàn)收規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2007.