三峽升船機(jī)充泄水系統(tǒng)改造分析

宋 偉，閆曉青

（長(zhǎng)江三峽通航管理局，湖北宜昌 443000）

0 引言

目前長(zhǎng)江航運(yùn)發(fā)展的主要瓶頸為船舶日益增加的過(guò)壩需求與雙線五級(jí)船閘通過(guò)能力已超過(guò)設(shè)計(jì)的最大通過(guò)能力之間的矛盾。三峽升船機(jī)是世界上規(guī)模最大的齒輪齒條爬升式全平衡垂直升船機(jī)，其主要作用是為通過(guò)三峽樞紐的船舶提供快速過(guò)壩通道，與三峽船閘共同擔(dān)負(fù)著三峽樞紐的通航使命，因此，三峽升船機(jī)的運(yùn)行效率一直倍受社會(huì)各界關(guān)注。影響三峽升船機(jī)運(yùn)行效率的原因之一是運(yùn)行工藝復(fù)雜，運(yùn)行流程繁瑣。下面重點(diǎn)研究三峽升船機(jī)間隙充泄水系統(tǒng)的的運(yùn)行流程優(yōu)化，以此作為間隙泄水管道改造優(yōu)化對(duì)提高升船機(jī)運(yùn)行效率起到積極作用的理論依據(jù)。

1 改造原因分析

在三峽升船機(jī)試運(yùn)行期通過(guò)記錄、整理單機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)間及單向空載運(yùn)行流程耗時(shí)發(fā)現(xiàn)，整個(gè)運(yùn)行流程當(dāng)中共有21個(gè)步序（只包含單機(jī)構(gòu)動(dòng)作步序），而僅“泄上/下游間隙水”這一步序就占整個(gè)運(yùn)行流程1/6的時(shí)間，這說(shuō)明間隙充泄水系統(tǒng)的改造對(duì)提高三峽升船機(jī)運(yùn)行效率有著重要影響。因此，重點(diǎn)對(duì)改造原因及改造后調(diào)試結(jié)果進(jìn)行分析、研究。

1.1 管道容積無(wú)法滿足實(shí)際運(yùn)行需求

依據(jù)原設(shè)計(jì)方案，間隙水的泄水方式為間隙水以“自流”的方式進(jìn)入船廂底部的儲(chǔ)水管道P1，間隙水泄盡后，在船廂升降的過(guò)程中，間隙水泵P3和間隙水泵P4將臨時(shí)儲(chǔ)存在P1內(nèi)的間隙水抽回船廂。然而，在間隙泄水系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，P1內(nèi)的水不能被完全抽盡，致使其可用容積減少，不能容納再次泄入的全部間隙水。

改造前，間隙水管為1根直徑1 m、長(zhǎng)約130 m的管道，容積約102 m3（圖1）。

已知儲(chǔ)水管道P1的容積約102 m3。對(duì)船廂門與閘首工作門的“間隙”部分容積，也做了簡(jiǎn)單計(jì)算（圖2）。

圖中陰影部分為“間隙”的有效容積，經(jīng)過(guò)計(jì)算，該部分容積約114 m3。考慮到間隙水位會(huì)根據(jù)上下游的變化而有所不同，間隙水的實(shí)際體積與計(jì)算會(huì)有些差距，理論上差值可控制＜20 m3。

針對(duì)計(jì)算結(jié)果可證，若儲(chǔ)水管道內(nèi)的水無(wú)法抽盡，加之管道內(nèi)存在的水錘等外力，極大可能會(huì)使得“間隙”內(nèi)的水無(wú)法通過(guò)“自流”的方式一次性泄入儲(chǔ)水管道。為此，試通航期間對(duì)間隙泄水系統(tǒng)的泄水方式做了調(diào)整，由原設(shè)計(jì)的“自流”方式調(diào)整為“自流+潛水泵抽水”的方式。調(diào)整后，單次泄水運(yùn)行工藝復(fù)雜程度增大，運(yùn)行方式與原設(shè)計(jì)相差甚遠(yuǎn)。

圖1 改造前儲(chǔ)水管道P1橫截面

圖2 “間隙”橫截面圖及主視圖

1.2 “泄上/下游間隙水”運(yùn)行流程復(fù)雜

改造前，“泄上/下游間隙水”方式為“自流+潛水泵抽水”，以減少泄入儲(chǔ)水管內(nèi)的間隙水量。以泄上游間隙水為例，運(yùn)行時(shí)序?yàn)椋菏紫乳_啟上游蝶閥V1，V6和V7，蝶閥開到位后，啟動(dòng)上游可逆水泵P1，泄上游間隙水至5.5 m；或開啟上游蝶閥V2、下游蝶閥V13和V16，蝶閥開到位后，啟動(dòng)下游間隙水泵P2，泄上游間隙水至5.5 m；隨后開啟上游蝶閥V3開始泄上游間隙水，當(dāng)上游間隙水泄至0.9 m時(shí)，開始關(guān)閥。按照流程設(shè)計(jì)，手動(dòng)方式運(yùn)行下，當(dāng)所有蝶閥均關(guān)到位時(shí)，才可開始下一步序。但是在“分步/自動(dòng)”方式下，只有當(dāng)所有蝶閥均關(guān)到位時(shí)才會(huì)進(jìn)行自動(dòng)轉(zhuǎn)步。

由于步序較為復(fù)雜，泄水過(guò)程中需多次開關(guān)閥件、啟停水泵，對(duì)轉(zhuǎn)步條件也有了更高要求，使得整個(gè)泄水過(guò)程耗時(shí)長(zhǎng)達(dá)4 min25 s。同時(shí)，在發(fā)生故障時(shí)處理的難度和時(shí)長(zhǎng)也有所增加。

三峽升船機(jī)作為快速過(guò)壩通道，船舶過(guò)壩時(shí)間一直備受矚目，因此長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)運(yùn)行流程的時(shí)間控制有一定的要求。自2016年9月18日試通航以來(lái)，經(jīng)過(guò)累積記錄運(yùn)行時(shí)間，得出單向空載運(yùn)行時(shí)間約為27 min，單向有載運(yùn)行時(shí)間約為67 min（排除故障礙航、極端惡劣天氣礙航等情況）。其中，單向運(yùn)行一次，泄間隙水的時(shí)間約為4 min 25 s，這極大地影響了三峽升船機(jī)的運(yùn)行效率，因此，對(duì)間隙泄水系統(tǒng)的優(yōu)化改造應(yīng)當(dāng)將縮短運(yùn)行時(shí)間作為改造的考慮要點(diǎn)之一。

1.3 水錘對(duì)其他設(shè)備的影響

2017年4月27日，升船機(jī)船廂在上游對(duì)接時(shí)，曾發(fā)現(xiàn)上廂頭密封框C形止水壓板有高壓水流射出。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工作人員檢查后，發(fā)現(xiàn)上廂頭密封框C形止水壓板有13根壓板固定螺栓斷裂，其余6根均有不同程度彎曲和拉長(zhǎng)。

根據(jù)上述情況，對(duì)當(dāng)“間隙”需要泄水時(shí)，“間隙”附近的蝶閥打開，原管道內(nèi)的存水在5.5 m水頭差的作用下對(duì)水封形成的沖擊力，進(jìn)行計(jì)算分析。

根據(jù)射流垂直沖擊平板的沖擊力公式[1-3]，可得式（1）。

式中Qz——水流量，kg/s

v——出口流速，m/s

沖水管局部位置的沖擊力，對(duì)該區(qū)域的水封影響較大。取管徑對(duì)應(yīng)的水封長(zhǎng)度，即1 m、水封受力寬度為0.368 8 m計(jì)算。上述沖擊力相當(dāng)于12.6 m水頭。

對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，按照調(diào)整后的運(yùn)行工藝，間隙泄水時(shí)，首先啟動(dòng)P1，P2抽水至船廂，當(dāng)間隙水位下降至5.5 m時(shí)，間隙水以自流方式泄入儲(chǔ)水管道中，但由于管道內(nèi)有空氣，水體進(jìn)入管道后形成水錘，倒流，對(duì)C形水封造成非恒定的沖擊力，瞬間沖擊力較大，進(jìn)而造成壓板螺栓斷裂。

三峽升船機(jī)單日最高通有載廂次數(shù)為21個(gè)，運(yùn)行效率較五級(jí)船閘高出許多。按照設(shè)計(jì)要求，正常運(yùn)行下，三峽升船機(jī)1年365 d，日運(yùn)行時(shí)數(shù)達(dá)到22 h，設(shè)備連續(xù)工作時(shí)長(zhǎng)尚且無(wú)法準(zhǔn)確得出，但可以預(yù)計(jì)的是設(shè)備連續(xù)工作時(shí)數(shù)會(huì)非常之久。因此，間隙泄水系統(tǒng)當(dāng)中，閥件的多次開關(guān)，加之間隙水自流進(jìn)入儲(chǔ)水管道產(chǎn)生的沖擊力對(duì)C形止水壓板螺栓等易損件的影響，極大地增加了設(shè)備的運(yùn)行負(fù)擔(dān)，這也是造成此前充泄水系統(tǒng)中設(shè)備故障發(fā)生率居高不下的原因之一。

2 優(yōu)化改造

2.1 間隙管道P1改造

改造后，間隙水管由一根直徑為1 m，長(zhǎng)約130 m的管道以及2根直徑為1.2 m，長(zhǎng)約73 m的管道組成（圖3）。經(jīng)過(guò)計(jì)算，3根管道容積合計(jì)約為265 m3。

分析計(jì)算結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可以得出，改造后，新增加2根直徑為1.2 m的管道，使得儲(chǔ)水管道的容積較以往有了較大擴(kuò)充，可充分滿足在儲(chǔ)水管道內(nèi)水未抽盡的情況下間隙水的儲(chǔ)存，這樣也使得“泄上/下游間隙水”這一步序與原設(shè)計(jì)情況相吻合。在改造管道，擴(kuò)充了容積的同時(shí)，新增設(shè)了2套補(bǔ)、排氣裝置，有效減少了泄水時(shí)管道內(nèi)水錘對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的危害。

2.2 運(yùn)行流程優(yōu)化

改 造后，“泄上/下游間隙水”方式為“自流”，改造后的管道容積可充分滿足間隙水的儲(chǔ)存。以泄上游間隙水為例，運(yùn)行時(shí)序?yàn)椋蜷_管道1上的電動(dòng)蝶閥V3，間隙水以自流方式進(jìn)入船廂底部的儲(chǔ)水管道P1，間隙水泄盡后，關(guān)閉V3，在船廂升降期間由間隙水泵P3和間隙水泵P4將臨時(shí)儲(chǔ)存在P1內(nèi)的間隙水抽回船廂。需要指出是，由于間隙泄水方式的改變，運(yùn)行流程中將間隙水＜1 m作為“泄上/下游間隙水”完成的標(biāo)志，即當(dāng)間隙水＜1 m時(shí)，下一步序即可開始。

僅以“自流”的方式泄水，一方面減少了開關(guān)閥件以及啟停水泵的次數(shù)，極大地縮短了“泄上/下游間隙水”的時(shí)間。整個(gè)泄水（含開關(guān)蝶閥的時(shí)間）耗時(shí)約為64 s。而由于“泄上/下間隙水”步序完成標(biāo)志的更改，該步序?qū)嶋H耗時(shí)僅37 s左右；另一方面簡(jiǎn)化了運(yùn)行流程，大大減少了“泄上/下游間隙水”過(guò)程中的故障發(fā)生次數(shù)。由于只需開關(guān)一次蝶閥，即可完成“泄上/下游間隙水”這一步序，在很大限度上減少了蝶閥的日常損耗。

圖3 改造后儲(chǔ)水管道P1橫截面

3 結(jié)論

通過(guò)試運(yùn)行資料統(tǒng)計(jì)，目前三峽升船機(jī)間隙泄水運(yùn)行工藝流程較為繁瑣且耗時(shí)，對(duì)泄水管道優(yōu)化改造亟待解決。

（1）儲(chǔ)水管道改造后，管道的儲(chǔ)水容積由原來(lái)的102 m3增加為現(xiàn)在的265 m3，在管道水未完全抽盡的情況下，能充分滿足“間隙”內(nèi)的水通過(guò)“自流”方式進(jìn)入儲(chǔ)水管道的這一設(shè)計(jì)要求。同時(shí)在管道的上、下兩端新增設(shè)了2套補(bǔ)、排氣裝置，有效減少了泄水時(shí)管道內(nèi)的水錘對(duì)設(shè)備產(chǎn)生的危害，較好地保護(hù)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備設(shè)施，對(duì)三峽升船機(jī)日常運(yùn)行、維保工作起到了積極作用。

（2）流程優(yōu)化改造后，成果經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試運(yùn)行驗(yàn)證，間隙泄水的時(shí)間由原來(lái)的4 min25 s減少至37 s，僅單次運(yùn)行就縮短約3 min48 s。按照三峽升船機(jī)現(xiàn)有運(yùn)行模式，在滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下每天可通過(guò)約21個(gè)有載廂次，可以節(jié)約80 min。實(shí)踐說(shuō)明，優(yōu)化改造后間隙泄水系統(tǒng)流程更加流暢、高效，對(duì)三峽升船機(jī)的運(yùn)行效率有較大提升，對(duì)提高三峽升船機(jī)船舶通過(guò)能力起到了積極的作用。