巖灘水力式升船機設計探討

陳創

摘要：文章介紹了水力式升船機、下水卷揚式垂直升船機、全平衡卷揚式垂直升船機三個升船機型式方案的總體布置與結構設計，分析了各方案的優缺點，探討了巖灘水力式升船機設計和改造的可行性。

關鍵詞：升船機;設計;總體布置

中國分類號：U653.928+1文章標識碼：A511905

0 引言

紅水河屬于珠江水系，是西江主流，屬于國家化的“兩橫一縱、兩網十八線”的一條內陸高等級航道。在內陸水道的整體規劃中，西江航道主航道是我國三大主航道之一，北盤江-紅水河是西江水系高等級航道布局“一橫一網三線”中的中線過海通道;紅水河流域位于云南省、貴州省和廣西壯族自治區的邊界，是我國少數民族地區和西南部貧困地區的集中地區。上游與廣西、貴州、云南相鄰，下游與澳門、香港、廣東接壤，是通往中國西南部海洋的重要水道，對加強貴州、云南、廣西、廣東、香港、澳門的經濟合作有關鍵的戰略意義。

巖灘水電站距南寧約160 km，位于珠江水系紅水河中游，在廣西壯族自治區大化縣巖灘鎮內，是一個以發電為重點，具有船舶和灌溉等綜合利用優勢的大型水力樞紐工程，發電站的安裝容量為1 810 MW，第一階段設置1 210 MW，第二階段設置600 MW。目前電站樞紐通航建筑物為1×250 t鋼絲繩纏繞入水的垂直升船機。

1 項目背景

很長一段時間以來，因為基礎設施發展緩慢，紅水河通航功能沒有得到足夠的展現。在“十一五”期間，通過交通部和長江沿岸各轄區政府的一起努力，完成了大化、百龍灘、樂灘、橋鞏等水電站的船舶轉運設施建設，通航能力從龍灘至黔江大藤峽之間已具備了Ⅳ級航道的通航水平，為紅水河全面復航提供了條件，但巖灘升船機不滿足通航500噸級船舶的要求，嚴重阻礙西南水運出海中線通道紅水河的發展，故將巖灘升船機進行改造是非常必要且緊迫的。

根據《河池市人民政府辦公室關于印發河池市巖灘升船機、大化船閘改擴建項目前期工作推進方案的通知》（河政辦發〔2016〕139號）要求，為了破解紅水河航運瓶頸制約問題，[JP]實現紅水河航道全線暢通，根據對廣西主要支流船舶通過設施的復興擴建項目預先

規劃的要求，按通航500噸級（兼顧通航1 000噸級單船）標準建設完成巖灘升船機改造項目前期工作，切實發揮水運綠色環保高效節能的優勢，更好地服務河池經濟社會快速發展，河池市人民政府要求交通水運部門加快推進巖灘升船機改造工程并開展項目前期咨詢工作。

2 工程建設規模

從紅水河蔗香兩江口到593 km來賓段航道，起初計劃屬于四級航道。當下，在貴州的紅水河，已有1 000噸級船只經過了離曹營107 km的運河渡口，廣西境內曹渡河口至來賓486 km已基本達到Ⅳ級航道標準。按照交通運輸部《2017年珠江水運發展規劃綱要》，北盤江—紅水河航道從100層至石龍三江口全長741 km，重點解決龍潭樞紐通航中斷問題，改善沿途水力發電廠船舶交通設施的航行條件，同時推動三級運河的建設。按照《內河通航標準》（GB 50139-2014）所做出的要求，結合珠江水運發展規劃和紅水河水運發展的需求，以及上游貴州已經有千噸級船舶的現狀，綜合考慮巖灘通航設施改造擴建的難度和成本，巖灘升船機級別按通航設計最大船舶噸級確定為Ⅲ級，一次可通行兩艘1 000噸級船舶。

3 升船機型式

3.1 方案一：水力式升船機（如圖1）

3.1.1 總體布置

修整后的巖灘通航建筑物包括：原中間航道、擋水壩段、原上閘首（承船廂段、原上閘首、下游引航道及新下閘首和其他）、上游引航道、新中間航道。升船機采用液壓升船機，最大提升高度為70.0 m。

升船機方案如下：可移動滑輪被放置在配重浮標上，懸掛船舶用具的鋼絲繩索繞著滾筒通過，繞著可移動滑輪通過，并固定于平衡重豎井上方，動滑輪與平衡重連接，平衡重總重量略大于承船廂總重量的2倍，配重的提升高度是船舶艙提升高度的一半，配重浮標在下游最大可航行水位和上游最小可航行水位之間移動。

3.1.2 升船機的機械設備設計和金屬結構

本方案垂直升船機主要由上閘首與擋水壩段設備、船舶用艙及其設備、主機房設備、水力驅動系統設備、配重浮標系統、下閘首設備等組成。

3.2 方案二：下水卷揚式垂直升船機（見圖2）

3.2.1 總體布置

修整后的巖灘通航建筑物包括：原中間航道、擋水壩段、原上閘首（承船廂段、原上閘首、下游引航道及新下閘首和其他）、上游引航道、新中間航道，用的是垂直升降高度最大為70 m的升船機。

3.2.2 升船機的機械設備設計和金屬結構

（1）上閘首與擋水壩段設備

在大壩的升船機擋水壩段設置1扇事故閘門，閘門類型為平面固定車輪鋼閘門，閘門的工作條件為動態水關閉，靜水打開。選擇1臺2×1 250 kN龍門起重機作為開關裝置。閘門通常存放在西岸的大門維修室。

新的上部閘門頭極端設置了工作閘門，閘門類型為帶水平閘門的凹面下沉飛機固定輪鋼閘門。閘門由2×3 200 kN液壓啟閉機操作，可在有水條件下進行閘門高度調整。

保留原上閘首沖沙閘門下游的防撞裝置及其啟閉設備。

（2）主提升機設備

主提升機布置在主發動機艙中，位于船軸承艙的塔柱的上部。主提升機包括：干油潤滑系統8套、平衡機8套、制動系統液壓泵站8套、起重機械16套、機械同步軸系統1套和相應的電動馬達、控制和測試裝置，分4個區域對稱布置在機房內。

卷揚提升機每一套由一個雙輸出軸減速器、一個630 kW交流變頻電機、兩個軸承座、兩個卷筒組、一套工作制動器以及兩套安全制動器構成。

主機房設有1臺3 200 kN/2×320 kN檢修橋機，用于主提升設備、上閘首工作門及其啟閉機的安裝和檢修。

（3）承船廂及其設備

承船廂布置在承船廂室內，由192根鋼絲繩懸吊。承船廂兩側與主提升鋼絲繩連接處對稱布置64只液壓均衡油缸，每側的油缸由布置在同側走道板上的1座液壓泵站操作，液壓泵站同時還用于承船廂臥倒門、啟動撞擊防護裝置及其安裝裝置。同時，照明、消防、電源、電氣控制、通信和其他設備也安裝在承船廂室中。

（4）平衡重系統

船舶駕駛室的總重量通過重力平衡重量和扭矩平衡重量構成的部分平衡重量來平衡，重力平衡重量合計為3 600 t，由64根鋼絲繩懸吊，平衡重塊分為8組。扭矩平衡重量共5 400 t，由96根鋼絲繩懸吊，分為32組。在平衡重井內分別設平衡重的上、下鎖定平臺，并配置鎖定裝置。

（5）承船廂室設備

在塔柱和底板分別設承船廂上、下鎖定平臺，上鎖定平臺配有4套液壓鎖定設備;下鎖定平臺設在承船廂池底，配有鎖定設備。

（6）新下閘首設備

在新的下部閘門頭上配置了一個維護閘門，閘門類型是疊梁閘門。閘門的運行狀態為靜水啟閉。選擇了1個2×250 kN臺車式啟閉機作為開閉裝置。

3.3 方案三：全平衡卷揚式垂直升船機

3.3.1 升船機總體布置

修整后的巖灘通航建筑物包括：原中間航道、擋水壩段、原上閘首（承船廂段、原上閘首、下游引航道及新下閘首和其他）、上游引航道、新中間航道，用的是垂直升降高度最大為70 m的升船機。

3.3.2 升船機的機械設備設計和金屬結構

（1）上閘首與擋水壩段設備

在大壩的升船機擋水壩段設置1扇事故閘門，閘門類型為平面固定車輪鋼閘門，閘門的工作條件為動態水關閉，靜水打開。選擇1臺2×1 250 kN門式啟閉機作為開關裝置。閘門通常存放在西岸的大門維修室。

在新上閘首最末端設置1扇工作閘門，門型為帶臥倒閘門的凹形下沉式平面定輪閘門。閘門由2×3 200 kN液壓啟閉機操作，可在有水條件下進行閘門高度調整。

保留原上閘首沖沙閘門下游的防撞裝置及啟閉設備。

（2）主提升機設備

主提升機布置在主發動機艙中，位于船軸承艙的塔柱的上部。主提升機包括：干油潤滑系統8套、平衡機8套、制動系統液壓泵站8套、起重機械16套、機械同步軸系統1套和相應的電動馬達、

控制和測試裝置，分4個區域對稱布置在機房內。

卷揚提升機每一套由一個雙輸出軸減速器、一個160 kW交流變頻電機、兩個軸承座、兩個卷筒組、一套工作制動器以及兩套安全制動器構成。

主機房設有1臺2 000 kN/2×320 kN檢修橋機，用于主提升設備、上閘首工作門及其啟閉機的安裝和檢修。

（3）承船廂及其設備

承船廂布置在承船廂室內，由192根鋼絲繩懸吊。承船廂兩側與主提升鋼絲繩連接處對稱布置40只液壓均衡油缸，每側的油缸由布置在同側走道板上的1座液壓泵站操作，液壓泵站同時還用于承船廂臥倒門、啟動撞擊防護裝置及其安裝裝置。同時，照明、消防、電源、電氣控制、通信和其他設備也安裝在承船廂室中。

（4）平衡重系統

船舶駕駛室的總重量通過重力平衡重量和扭矩平衡重量構成的部分平衡重量來平衡，重力平衡重量合計為7 600 t，由112根鋼絲繩懸吊，平衡重塊分為16組。扭矩平衡重量共5 400 t，由80根鋼絲繩懸吊，分為16組。在平衡重井內分別設平衡重的上、下鎖定平臺，并配置鎖定裝置。

（5）承船廂室設備

在塔柱和底板分別設承船廂上、下鎖定平臺，上鎖定平臺配有4套液壓鎖定設備;下鎖定平臺設在承船廂池底，配有鎖定設備。

（6）中閘首設備

中閘首的工作門位于中間大門的頂端，即在升船機通常可航行的情況下，在下游的擋水裝置。門型為帶臥倒閘門的平面閘門和疊梁門的組合形式。臥倒閘門的操作條件為靜水啟閉，工作大門的操作條件為無水啟閉。

在中閘首工作門的下游布置1扇檢修閘門，用于中閘首工作門、承船廂室檢修、度汛及工作門調整門高。

（7）輔助船閘設備

為了適應巖灘水電站下游通航水位的迅速大幅度變化，并確保升降裝置和船舶的安全運行，提升機內主導航道之間設置輔助船閘，該輔助船閘包括輔助船閘和輔助船閘下閘。

4 方案比較及推薦方案

4.1 方案一：水力式升船機

主要優點：

（1）承船室直接與下游水道相通，不與下閘首對接，能適應下游水位變幅和變率。

（2）提升系統的安全性和防止事故的能力很高，即使船舶用艙發生漏水事故，液壓船的升降機也能夠保持系統平衡，即使船舶用艙內的所有水域都是空的，平衡關系也不會破壞，有可能正常上升和下落。

（3）提升系統為全部扭矩平衡重量平衡，卷筒直接同步升降，液壓驅動，使升船機升降過程更加可靠平穩。

（4）液壓驅動代替了主起重電機及其電氣控制裝置、大型扭矩減速機及其潤滑系統等的電氣驅動。主發動機艙的起重機構只有滾筒和機械同步裝置，因此發動機艙的布局非常簡單，控制簡單，操作更可靠，安全。

（5）承船廂直接下水運行，由于沒有承船廂與下閘首工作閘門對接過程，且不需要設置輔助船閘及其輔助工作閘門，因此船舶過壩時間較短。

（6）下部閘門頭的巨大金屬結構裝置和復雜的機械設備被省略，操作連桿減少，不存在下部閘門頭工作閘門（包括水的充電和排出裝置、液壓泵站及其他設備）季汛的技術問題，安裝、維護、大修作業，利于運行管理。

主要缺點：

（1）與電力驅動相比，水力驅動需增加水力驅動系統的金屬結構設備工程量（如壓力鋼管、攔污柵、充泄水工作閥、充泄水事故閥、閥室檢修橋機等），其金屬結構總工程量與相同規模的下水卷揚式升船機相當。相應增加這些設備的安裝、維護和檢修工作環節。

（2）對于大型水力式升船機，存在水力驅動系統和豎井的水力學、承船廂運行準確停位控制等關鍵技術問題，需下階段深入研究落實。

4.2 方案二：下水卷揚式垂直升船機

主要優點：

（1）承船室直接與下游水道相通，不與下閘首對接，能方便地適應下游水位變幅和變率。

（2）主提升機具有較高的安全性和防事故能力，設備足夠的制動能力能保證承船廂在水漏空的情況下處于安全。

（3）扭矩平衡重量占有很大比重，重力平衡重量小于承船廂自重，因此承船廂穩定性好。

（4）承船廂直接下水運行，由于沒有承船廂與下閘首工作閘門對接過程，且不需要設置輔助船閘及其輔助工作閘門，因此船舶過壩時間較短。

（5）下部閘門頭的巨大金屬結構裝置和復雜的機械設備被省略，操作連桿減少，不存在下部閘門頭工作閘門（包括水的充電和排出裝置、液壓泵站及其他設備）季汛的技術問題，安裝、維護、大修作業，利于運行管理。

主要缺點：

（1）因為僅僅能采用部分平衡，所以主提升機具有大規模和大的提升力，載荷變化大，主提升機傳動荷載大，設計難度大，制造、安裝難度大，重量亦重，其額定功率為16×630 kW，額定提升力為40 600 kN。

（2）能源消耗、高昂的運營成本和復雜的電力推進技術。

（3）主提升機減速器的制造及加工工藝的關鍵技術問題尚有待下階段深入研究落實。

4.3 方案三：全平衡卷揚式垂直升船機

主要優點：主提升機規模小，提升力小，載荷變化小，主提升機傳動荷載小，設計難度小，制造、安裝難度小，重量亦輕，其額定功率為8×160 kW，額定提升力為4 000 kN。

主要缺點：

（1）電站調峰運行時段下游通航水位變化快，為了確保船的升降機和船的安全，必須在下閘門頭安裝輔助工作閘門和啟閉機。

（2）由于下游水位變化速率較大，臥倒閘門適應能力有限，必須頻繁地操作調整工作大門，影響升船機通航時間。

（3）全平衡垂直升船機的承船艙內有許多輔助設備，與下閘首的對接動作復雜，船舶過壩時間較下水式升船機長。

（4）下閘首工作閘門高達20.1 m，自重大，上部工作大門啟閉機容量達2×1 000 kN，若采用臺車式啟閉機，因閘門吊點距船廂端部1.75 m左右，布置大型移動式啟閉機難度很大。

（5）懸架期間，船舶軸承艙的對接鎖定裝置應置于工作狀態，船舶用具大修時需設置鎖定裝置。

（6）發生事故時，承船廂不能自行上鎖，萬一發生漏水事故，升船機的安全制動系統需借助檢測和監控系統進行制動操作，過程環節較多，及時性和可靠性受影響。

（7）在洪水期，當下游水位超過塔柱及下閘首的擋水高程時，平衡重井、承船廂室、下游工作閘門會被水淹，在上述三處所布置的機械和電氣設備等必須考慮此不利因素。

三方案比較如下頁表1所示。

①采用水力驅動，總工程量與方案二相當;

②提升系統為全部轉矩平衡重平衡，卷筒直接同步提升，具有很高的安全性和防事故能力，運行過程更加平穩、可靠，機房布置簡約、控制簡化[]①電力驅動，設置有主提升機，采用部分平衡配置，主提升機規模大，機房布置擁擠，電控設備多而復雜;

②安全性、防事故能力和運行的穩定性略低于方案一[][]①采用部分平衡配置方式，承船廂可以入水運行;

②承船廂的安全性和穩定性相對較高，此外，運輸船進水可以方便地適應下游水位的幅度和可變性[]①采用完全平衡的配置模式，主提升設備規模小，設備易制造安裝;

②承船廂的安全性和穩定性不及方案二

方案一優于方案二[][]方案二優于方案三

綜合上述比較，推薦方案一（水力式升船機）。

5 結語

通過方案比選，可得水力式升船機方案為巖灘升船機改造的推薦方案。雖然目前水力式升船機尚無設計規范，但其組成系統：水力系統、機械系統、土建結構、電氣系統、輔助系統等均有相應的規范和標準，設計中可按現行有關規范進行選型、設計，不存在制約性的重大技術問題。與此同時，我們國家擁有第一架完全獨立的知識產權的新型船升船機，并且已經投入了使用，為以后同類高壩通航升船機的新建、改造等工程提供了寶貴的成功經驗，由此可以得出巖灘水力式升船機改造設計是完全可行的結論。

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