三峽升船機抽管道水流程優化及效能分析

王婷婷

(長江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443133)

三峽升船機作為世界上規模最大，技術最復雜的升船機，自2016 年試通航以來，經過不斷的調試和消缺，設備設施基本處于正常穩定的工作狀態[1]。為進一步提高通航效益，針對現階段影響升船機運行效率的問題，開展運行流程優化研究十分必要。

在升船機設備運行歷時達到指標的前提下，提高升船機運行效率重點從流程優化著手。目前關于升船機運行流程優化相關研究還較少，胡亞安等[2]對景洪水力式升船機對接流程進行研究，優化臥倒小門開啟和防撞梁下降的步序，節省了景洪升船機運行時間；李飛等[3]對三峽升船機船廂與航道解除對接的工藝進行研究，從操作方法上提出了提高運行效率的操作建議。國內其他升船機，由于規模較小、抽管道水時間短，且航道水位差相對穩定，船廂運行時間相對固定，抽管道水可以在船廂上下行期間完成，同樣的控制策略對主流程運行幾乎不產生影響。三峽升船機上游通航水位變幅30 m、下游通航水位變幅11.8 m，上下游水位差范圍較大，這一特點對三峽升船機船廂上下行運行時間影響明顯，又由于三峽升船機特有的管道結構導致抽管道水時間較長，因此本文針對抽管道水動作對升船機運行效率的影響開展流程優化研究。

1 三峽升船機運行流程特點

根據三峽升船機運行流程，抽管道水的作用是將間隙泄水重新抽回船廂。以下行為例，抽管道水從上游退密封框結束后，持續到下游伸密封框之前，抽管道水與其他動作的關系見圖1。若此過程其他設備運行時間大于抽管道水時間，抽管道水不會影響流程運行時間；若此過程其他設備運行時間小于抽管道水時間，抽管道水將影響流程運行時間。為研究同時運行的動作之間的時間關系，對無故障工況下升船機相關設備運行歷時進行統計分析。

圖1 抽管道水與其他動作的關系

2 抽管道水流程對運行的影響

在無故障的情況下，影響抽管道水時間的主要因素是管道水深，而決定管道水深的兩個變量為泄間隙水前管道水深h0、(與船廂水持平的)間隙水深h1。h0、h1同時最大時，抽管道水時間最長；h0、h1同時最小時，抽管道水時間最短。通過采集數據樣本分析，抽管道水動作開始時管道水深通常在0.88～0.94 m，動作結束時停泵水位為0.38 m，管道水深與抽管道水歷時關系見圖2。

圖2 管道水深與抽水時間關系

影響船廂上下行運行時間的主要因素是船廂行程，船廂以正常加速度0.01 m∕s2和勻速度0.2 m∕s運行時，船廂運行到最大勻速度后停位，運行時間與船廂行程為線性關系，上下行運行歷時與船廂行程的關系見圖3。

圖3 船廂運行時間與行程關系

設抽管道水時間為T1，由圖2 可知，抽管道水時間660 s≤T1≤780 s。設船廂運行時間為T2，由圖2 可知:

式中:T2為船廂上下行運行時間(s)；H為船廂行程(m)。式(1)適用條件為4 m≤H≤113 m。

設船廂從解除對接到對接的時間為T0，其中，船廂解除對接和船廂對接系列動作運行總時間約為197s，根據流程串聯步序可知:

將T1與T0進行比較，當T2＜463 s 時，抽管道水時間大于同時動作的其他設備運行總時間，T2對應的船廂行程為81.5 m；當T2＞583 s 時，抽管道水時間小于同時動作的其他設備運行總時間，T2對應的船廂行程為104.9 m；當463 s≤T2≤583 s時，T1與T0大小關系不定，由泄間隙水前管道水深和船廂水深決定。

上一次抽管道水停泵時管道殘余水量和船廂水深兩者在程序中均有設置的控制范圍，在每一次運行中，具有隨機性，因此每一次都可能出現T1＞T0的情況。即上下游水位差＜81.5 m 時，船廂對接后一定會出現等待時間；當上下游水位差＜104.9 m時，每一次船廂對接后均有可能出現等待時間。當抽管道水時間T1最長為780 s、船廂行程H最小為71.2 m 時，船廂從解除對接到對接的時間最小為607 s，此時等待時間最長為173 s，約占全流程設備運行歷時的10%。

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3 抽管道水流程優化方案

三峽升船機主要由船廂門、閘首門、船廂水深調節與間隙充泄水系統、對接密封裝置、驅動機構、對接鎖定機構、頂緊機構等組成。升船機運行流程順序控制，各步間有嚴格的邏輯閉鎖關系，當條件不滿足時操作不會起作用。各環節之間也有順序閉鎖保護，上一步未完成時下一步不能進行[4]。閉鎖和步序準確可靠，確保升船機運行流程安全高效。

在設備性能基本穩定的前提下，抽管道水時間過長對運行效率造成影響，考慮將抽管道水的允許動作時間延長、減少等待時間。目前抽管道水的起止節點為密封框退回和伸出之后，流程優化需重點研究抽管道水與密封框退回、伸出的步序關系，需要對密封框退回、伸出的閉鎖條件進行安全分析。

對接密封框是連通航道與船廂的設備，密封框的閉鎖是確保船廂與航道安全對接的重要保障。三峽升船機密封框退回、伸出的閉鎖條件及各條件設置必要性分析見表1。

表1 對接密封框閉鎖條件及必要性分析

根據表1 可知，密封框退回與抽管道水在步序上沒有必要限制；密封框伸出與抽管道水完成存在步序關系，但此步序是否完成不影響密封框及其他設備安全運行。綜上，密封框退回、伸出與抽管道水之間的串聯步序可進行優化。

優化抽管道水的步序，取消抽管道水完成信號對伸密封框動作的閉鎖限制。在抽管道水持續過程中，可進行密封框退回和伸出動作。根據管道特點，充、泄間隙水動作與抽管道水不能同時進行，故泄間隙水之后、充間隙水之前方可進行抽管道水步序，此處的串聯步序是安全必需的。

優化前抽管道水與船廂解除對接、船廂上下行、船廂對接為并聯工序，優化后退密封框、船廂解除對接、船廂上下行、船廂對接、伸密封框依然保持串聯工序，然后與抽管道水并聯，改變了抽管道水的起止節點，見圖4。

圖4 三峽升船機抽管道水優化流程

4 抽管道水流程優化效能分析

為了研究抽管道水對三峽升船機通航效益的影響，統計分析了升船機上下游水位差全年分布情況。以2020 年為例，上下游航道水位差見圖5。2020 年上下游水位差在104.9 m 以下的時間占73.61%，水位差在81.5 m 以下的時間占8.29%。在全流程運行時，抽管道水對升船機運行效率的整體影響較大，進行優化改進效益顯著。

圖5 2020 年三峽升船機上下游航道水位差

1)在低水位運行時，每廂次可節省1 次密封框退回和伸出運行的時間，約為70 s。初步估計，每天可節省通航時間約28 min，全年可節省通航時間約7 460 min，折合廂次120 余次。

2)三峽升船機上下游引航道水位變化對船廂對接過程廂內水面波動會產生影響，且在上游低水位通航條件下及汛期影響較大[5-6]，這種工況下，升船機船廂與航道對接船廂水深波動相對較大，造成管道水深較高的幾率也較大，抽管道水時間更長；另外對接后航道水位波動，造成需要重新對接的幾率增多。此時解除對接后再重新對接時，平均等待時間可達10 min。此種運行工況下，抽管道水流程優化有助于快速解除對接和重新對接，對運行操作具有重要的意義。

3)現階段三峽升船機對接密封裝置的其他部件可靠性相對較低，如伸出到位、壓緊到位等信號，在這些部件適應性改造前，密封框伸出動作的提前可有助于此類短時中斷故障在抽管道水期間處理，錯開了密封框故障處理時間，也節約了主流程運行時間。

4)在充間隙水過程中，密封框伸出或壓緊信號丟失會導致充間隙水停止，同時也無法泄間隙水。此時，再次伸密封框動作，會受到抽管道水步序限制(充水閥件開到位狀態)而無法執行。優化抽管道水的步序，使此類故障通過流程上手動操作(如重新進行密封框壓緊)即可快速解決，避免了該工況下流程陷入死循環。

5 結論

1)三峽升船機抽管道水流程優化為:將抽管道水與退密封框、船廂解除對接、船廂上下行、船廂對接、伸密封框改為并聯工序，在退上游密封框時可同時啟動抽管道水，在抽管道水時可同時伸下游密封框。

2)抽管道水流程優化可在確保安全的前提下，提高低水位通航條件下和船廂與航道重新對接工況下的運行效率。

3)抽管道水步序的優化，有助于提高手動操作的靈活性，為密封框短時流程中斷故障提供更安全便捷的處理方式。

4)優化抽管道水步序能很大程度上解決流程執行中等待的問題，但仍不能完全避免，抽管道水效率仍有進一步提升的空間，理論上極限管道水深時的抽水時間應小于683 s，才能完全避免抽管道水對運行流程的影響。