三峽升船機船廂對接停位及運行分析

鄭琴霞，鄢玲祉，呂小虎，王 貝

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443002)

1 運行工藝

三峽升船機于2016年9月開始試通航。船廂有效尺寸120 m×18 m×3.5 m(長×寬×水深)，提升質量1.55萬t，最大提升高度113 m，能通過3 000 t排水量的船舶。三峽升船機布置在水利樞紐左岸，與雙線五級船閘共同組成三峽水利樞紐永久通航設施，上游通航水位145～175 m，下游通航水位62～73.8 m，且水位變率可達0.5 mh。如此幅度的水位變化和變率在國內外都屬少見，尤其是下游引航道非恒定流作用十分突出，水位變動常常給船廂對接停位帶來很大的影響[1-3]。

升船機運行工藝過程為：在船廂處于與航道對接的狀態下船舶進入船廂，船廂解除對接狀態，船廂上行(或下行)停至另一端航道水位高度，將船廂與之對接，船舶即可駛出船廂；待下一艘船進廂后再將船廂解除對接狀態，如此循環往復。三峽升船機采用自動化的控制方式，由集控站遠程操作實現船舶過壩運行[4]。下行過廂過程如圖1所示。

圖1下行過廂過程

船廂高度與航道水位之間的偏差可以作為準確船廂停位的判斷依據。船廂上行或下行時以船廂標準水面(3.5 m水深)為參考，以航道水位為目標位，通過控制船廂高度與航道水位偏差來實現對準確停位的控制。船廂如果停位過高或過低，對航道水位變化的抵抗力降低，對接后略大的水位波動都可能導致船廂失水或者過載。船廂停位與航道水位偏差大小的控制是研究的重點。

2 船廂對接停位

2.1 對接停位裝置

采用一種帶有伺服系統且具有高精度和靈敏度的浮動標志鏡，以及與之匹配使用的一組反射式光電開關來實現對接運行位置校驗和減速停位的控制[5]。浮動標志鏡安裝在上下閘首工作大門，實時跟蹤指示航道水位，反射式光電開關B0、B1、B2、B3、B4安裝固定在船廂上游或下游與標志鏡相對的位置(圖2)。

B0、B1、B2、B3、B4用于給驅動單元提供行程檢驗、正常減速、快速減速、準確停位及緊急停機的檢驗信號，驅動單元接到信號后迅速采取對應措施達到減速、停位及保護的目的。它們之間的相對位置關系根據驅動單元設定的速度控制過程決定，s1→3、s2→3、s3→4上下游均設置相同，分別為2.0、0.5、0.2 m。因上下游的差異，在s0→1設置上有所不同，上、下游分別為1.5、1.6 m。

注：sm→n為開關Bm到Bn的距離。

2.2 實時水位自動對位控制

船廂在自動對接運行時，根據航道水位設定目標位置，按照給定速度控制圖運行，在船廂即將到達停位點前，船廂上的信號開關B0、B1、B2等將依次經過浮動標志鏡：驅動單元接收到B0信號時，將校驗位置同時計算出減速點；接收到B1信號時，開始減速。在減速階段，驅動單元一方面監控船廂速度進行停機保護；接收到B2信號時，若速度v仍然在vm2以上(vm為船廂正常升降的額定速度，vm=0.2 ms)，執行快速停機程序；接收到B3信號時，若速度仍不為0，再次啟動快速停機程序；接收到B4信號時，迅速執行緊急停機程序。

同時，驅動單元判斷船廂位置與航道水位的差值是否滿足準確停位要求。準確停位信號是船廂對接停位效果的綜合反饋，后續流程只有接收到此信號才能正常進行。原自動對位控制程序里，僅在接收到B3信號時判斷船廂位置與航道水位偏差，且要求偏差在0.1 m以內。自動對位控制原理如圖3所示，要求同時滿足速度、位移和偏差量的判斷，嚴格的控制條件用以充分保證三峽升船機對接停位的安全。

圖3 優化前自動對位控制原理

2.3 準確停位優化

原自動對位僅在接收到B3信號時判斷船廂位置與航道水位的關系，且要求滿足0.1 m的偏差，控制條件過于嚴苛，在實船試航和試通航初期，經常發生準確停位信號不到而要重新對位的故障。后來，在原基礎上逐漸優化，系統的速度控制過程不變，僅對準確停位的判斷條件進行優化，優化后的控制原理如圖4所示。

1)將B3信號時的偏差從0.10 m逐漸放寬至0.15 m、再到0.20 m；

2)增加了對B2信號時的偏差判斷，將此時船廂的位置加(下行為減)s2→3的距離與航道水位之差在0.15 m以內(相當于預判B3信號的偏差)；

3)考慮到小行程重新對接的情況，對僅有B3信號時，同正常對接的偏差要求；

4)補充人為干預的控制措施，即停位時若出現偏差大故障或對點超時故障，人工復位后再次判斷偏差，若滿足同樣可以獲取準確停位信號。

優化以后，船廂停位故障大大減少，初期階段幾乎每天都出現，迄今除非水位波動劇烈或者裝置卡阻，已很少出現此類故障。

圖4 優化后自動對位控制原理

3 上下游對接運行情況及分析

3.1 對接運行情況

為直觀地了解對接運行的情況，首先定量分析船廂對接期間航道水位變動情況，同時研究對接停位期間船廂的運行狀態。

1)分別采集船廂向上和向下運行過程中航道水位的變化值(表1)。

可見，上游變幅較穩，基本在0.02～0.03 m范圍內，且幅值不大，均值0.024 m。下游變幅明顯高出上游且變化較大，平均變幅0.2 m，最大幅值超出0.3 m。

2)采集對接停位期間船廂位移和驅動電機速度2種參數，為增加可比性，以檢測到B0信號為時間起點，以此時的船廂位置為參照零點，采用差值法對位移進行處理，向上為正值，向下為負值。為區別運行方向的不同，將驅動電機速度標為正負，規定正值時船廂上行，負值時船廂下行。船廂位移、驅動電機速度隨時間的變化曲線如圖5、6所示。

表1 船廂運行階段上下游水位變幅 m

注:每條位移曲線分別為一次對接停位，即從B0到停止的過程。

注:每條轉速曲線分別為一次對接停位，即從B0到停止的過程。

從圖5可以看出，從接收B0至最后停止這一過程中，上行時船廂的位移趨于3.5 m，下行船廂位移趨于3.6 m。從圖6可以看出，下行對接停止前驅動電機，減速平滑度較差，且轉速存在從負值到正值的突變，船廂從下行向上行的轉變，向上運行的電機轉速高達25 rmin，船廂上行10～15 mm。此變化發生在停止前10 s左右。

3.2 結果分析

上游對接，航道水位變幅較小，船廂停位比較集中，穩定性更好，因而驅動電機運行也較平穩。相比而言，下游對接時，航道水位變幅突出，船廂停位比較離散，驅動電機在停止前速度變化明顯，甚至出現反向運行的現象。承船廂總體質量龐大，這種不均勻的減速和瞬時反向運行需要克服很大的慣性，對船廂驅動設備會有很大影響。從速度變化的角度看，適當修正下行減速停位的速度控制過程、降低斜率可以弱化速度突變的程度，增加運行的平滑性，減輕對設備的影響。

4 結論

1)為了使船廂對接運行能夠適應一定的航道水位變化，將停位(B3)時船廂與航道水位的偏差依次設置為0.10、0.15、0.20 m，將B2時的航道水位偏差轉化為B3，同時將偏差約束在0.15 m判斷，2種結果均作為準確停位的評價標準。通航運行實踐表明，該控制方法既能保證運行的安全性，又能減少停位故障的發生。且增加復位再次判斷偏差的人為干預措施，可以減少不必要的重新對接，有效地提高了運行效率。

2)下游水位變動在對接停位期間存在對設備的影響?？梢赃m當修正下行減速停位的速度控制過程、降低速度曲線斜率，以弱化速度突變的程度，增加運行的平滑性，從而減輕對設備的影響。