門式起重機起升機構增設無電應急操作系統的應用

傅劍文，顧承慶，鄧亞新

（國網新源集團有限公司新安江水力發電廠，浙江 杭州 311608）

0 引言

水電站泄洪閘門的及時起升,是避免潰堤、漫壩等安全事故的重要保障。門式起重機主要以高壓電源驅動電動機，為起升機構、行走機構、回轉機構等提供動力，是水電站、港口等工程中不可缺少的重要機械化設備。電驅動系統在門式起重機電源供應出現故障，或是電動機及控制系統出現故障時，起重機將無法正常工作。起升過程中因斷電或電動機故障造成重負載懸空停滯，如不及時下落存在較大的安全隱患。通常門式起重機對于現場電源供應出現故障的應對措施是配置柴油發電機，在停電時通過柴油發電機提供電源，保障正常運行。但需要配置的柴油發電機功率較大，所占用空間較大，且要有一系列匹配的控制系統，結構較為復雜、成本較高。因此，為門式起重機起升機構增設其他非電力驅動方式是十分必要的。文章介紹了在新安江水力發電廠泄洪閘雙向門機起升機構增設無電應急操作系統的應用實例，該無電應急操作系統的增設，提高了門式起重機運行安全保障，是現有運行系統的必要補充，有效解決起升機構的電機、控制系統出現故障或失電等無法工作的問題，保證運行安全。

新安江水力發電廠泄洪閘門采用門式起重機進行起吊，門機主起升機構為雙吊點雙電機驅動方式。

起升機構基本參數如下：

每臺門機主鉤起升電機數量：2 臺

額定啟門力：2×800 kN

電機型號：YZP315S1-10

電機功率：55 kW

電機轉速：569 r/min

減速器型號：JH450D-SW-112

起升速度：2.14 m/min

啟閉力：1382 kN（109 m 水位）

啟閉力：1330 kN（108 m 水位）

1 無電應急操作系統簡介

操作系統基本布局示意如圖1 所示，除同步控制柜外，整體左右兩側對稱。

圖1 無電應急操作系統圖

圖2 動力單元及應急操作器

圖3 傳動機構-離合器及T 型轉換箱

動力單元包含柴油發動機、啟動電池、液壓泵及相關的液壓管路、電氣元件等。應急操作器本體包含液壓油路塊、電磁閥控制組件、液壓油等。液壓泵在柴油發動機驅動下對外提供高壓油；液壓泵的排油口通過相應的控制閥與應急操作器本體相連。通過控制閥可以調整液壓系統的壓力、流量及流動方向等，通過旋轉機構、離合器、T 型轉換箱連接到減速機輸入軸端。在應急操作時通過連接離合器接入，帶動起升機構一起轉動，實現閘門的應急起升操作；應急下降時依靠閘門自重進行下降驅動。同步控制柜包含控制模塊、操作面板、動力電池等，通過采集編碼器的實時狀態判定門式起重機的雙吊點開度值，控制應急操作器內電磁閥通斷，實現雙吊點同步運行及極限值保護等功能。一套同步控制柜同時連接及控制左/右兩側編碼器和應急操作器。

2 無電應急操作系統的計算及選型

根據新安江電廠壩頂門式起重機起升機構參數計算如下：

（1）計算電機扭矩

（2）計算所需應急操作器功率

根據功率計算，選擇MQHGTD-70-TB 型無電應急操作器。

通過以上計算并進行對比，可知：

（1）應急功率

（2）應急額定扭矩

對比結果：應急操作器輸出扭矩、功率等性能滿足使用要求。應急起升機構參數見表1 所示。

表1 應急起升機構參數

3 改造方案簡述

在門機小車室內增設應急操作器及同步控制柜，通過T 型箱與制動器、減速機高速軸、應急操作箱連接，實現應急操作器與門機起升機構的連接。

將門機制動器軸端增設一對法蘭，通過可投退的聯軸器連接應急操作器，并連接應急操作器。安裝液壓動力單元，通過液壓油管與應急操作器連接。首先焊接T 型箱、花鍵離合器及無電應急操作裝置的安裝底座。焊接后進行了打磨、調平、對正。檢查確認安裝基礎焊接牢固。將T 型箱運到安裝底座位置并進行預固定，安裝花鍵離合器，預留調整空間符合應用，最后安裝應急操作器。

焊接同步柜和動力單元的安裝底座，焊接后進行了打磨、調平。將動力單元和同步運至指定位置，固定。更換原起升機構制動輪，增設T 型箱，T 型箱通過連接軸套連接制動器，另一軸通過離合器連接應急操作。應急設備改造完成后，應急設備及T 型箱和離合，都在起升機構的主梁上，通過底座橫跨兩個主梁，所占位置，沒有需要檢修的部件，不影響人員操作的通行。管路按照圖紙及現場標識連接，檢查正確。對現場焊接處進行焊皮清理和打磨，并進行補漆，顏色一致。檢查焊接的密封性，密封性能良好。待全部部件安裝完畢后進行整機調試,并按要求由浙江省特種科學研究院進行監督檢驗等工作。

4 增設的無電應急操作器特點

無電應急操作系統采用柴油發動機作為動力，依靠液壓系統帶動液壓馬達旋轉，液壓動力輸出端與門式起重機的減速機端連接，與原電機驅動機構并行布置。在電動機正常工作時，斷開離合器使應急操作系統處于備用狀態；當電動機無法正常工作時，接入離合器使應急操作系統進入應急狀態，進行閘門起升驅動。兩種運行方式互不干擾。無電應急操作系統運行平穩，性能可靠；運行中沒有高壓動力電源，避免人身觸電傷害；系統滿足長時間應急運行，可適用于多孔閘門依次起升操作。

應急操作時滿足起升機構的雙向操作。應急操作器內通過換向閥的切換改變液壓油路流動方向，實現閘門起升/下降的方向控制。在應急下降操作時，不需要外部輸入動力驅動，僅依靠應急操作器內部閥組部件的液壓阻尼作用，即可控制閘門在重力下的運行速度，實現失電下的平穩落門。應急工況下降時不使用任何動力，只通過無電液控應急操作裝置液壓阻尼原理使閘門平穩下降，下降速度可調整并可按需停留在某一位置。啟閉機應急起升時，通過以柴油發動機為動力的動力單元輸出高壓油，由液壓驅動無電液控應急操作器帶動卷揚啟閉機起升。

原門式起重機雙吊點間沒有同步軸，應急操作時根據開度信號采集雙吊點位置，通過同步控制柜的控制邏輯判定，輸出控制吊點對應閥組的通斷，保證雙吊點的同步起升或下降。采用兩個多圈絕對值編碼器作為起升機構轉速及轉角信號采集裝置，通過控制模塊計算實時運行圈數及角度差值，對相應吊點處液壓管路采取節流控制，實現雙吊點的平衡運行，保證同步。

應急操作系統選用的是機械式多圈絕對值編碼器，在應急操作器接入系統時，可以保持門機運行的開度值，使應急操作系統與門機實際開度全程一致對接。即使在失電的狀況下也不會丟失實際開度值，因此在安裝時進行一次零位對接校準，后面運行即可保持識別現有門機高度上限/下限的位置，實現報警提示。

多重運行保護措施兼容。應急操作系統內除同步運行、極限位置保護功能外，也兼容考慮系統超壓的保護。當應急操作系統內部運行壓力超出規定時（閘門卡阻或不平衡造成超載），壓力繼電器接通使應急操作器進行報警輸出。這樣可以避免超載運行造成門機結構、起吊裝置或閘門本體等損壞。

應急操作時，無電應急操作系統具有起門力增容能力。應急操作器的液壓系統壓力直接影響輸出扭矩，增大系統壓力可提高起門力。應急操作器可提供低轉速大扭矩輸出，對閘門的提升力最大可增加約30%，可根據實際閘門的狀態設置提升力，以滿足特殊工況下（如地震、泥石流等）的突發應急需求。無電液控應急操作裝置應急操作時，啟閉機下降速度可通過手動流量閥控制、調整且鎖定，無須增容時，無電液控應急操作裝置的輸出扭矩應與電機的輸出扭矩匹配，誤差在±2%以內，同時具備對卷揚啟閉機增容的能力，且增容量可在102%～130%的范圍內進行調整，以保證在復雜情況下的應急響應能力。

5 無電應急操作系統操作流程說明

應急操作系統中的離合器通斷作為結構接入控制。在無電應急操作系統中，選用的機械式多圈絕對值編碼器每旋轉一圈對應門式起重機橫梁高度變化約4.4 mm，在應急同步控制中根據雙吊點的差值自動進行控制調整。

應急操作器起升時，需啟動動力單元，如需同步時，要打開同步柜控制，參考同步控制柜操作說明。①檢查應急操作設備電池電量、柴油、液壓油、潤滑油等狀態正常；②檢查應急系統管路連接正常，無泄漏及破裂；③確認進入應急狀態，推動離合器接入應急操作器；④按照操作說明啟動柴油機，確認柴油機運轉正常；⑤將控制閥組設置成起升狀態；⑥系統建壓要規定值，釋放制動器，實現閘門起升；⑦單機運行時，無須打開同步控制系統，雙機運行時，需啟動同步控制系統，由控制系統控制雙機同步運行；⑧設置柴油機油門大小，調節閘門運行速度；⑨運行到指定位置，鎖緊制動器；⑩關閉發動機，結束運行。

6 總結

經過項目實際安裝、測試驗證，無電應急操作系統的功能及指標滿足設計要求，實現了無電狀態下的應急起升及下降。無電應急操作系統運行精度高、可靠性好，日常維護簡單，易于操作。項目的實施為門式起重機在現場失電的情況下安全運行提供了進一步的保障措施，也為其他類似工程應用提供了實驗平臺及借鑒經驗。

無電應急操作系統運行過程中無高壓動力電源，無人員觸電風險，保證了操作者的安全；提供低轉速大扭矩輸出，提升力擴容的特點可應對多種特殊工況。門式起重機增設無電應急操作器可消除現有起升機構的潛在風險，是水電工程應急起門操作的一種創新方式，是閘門應急預案中必不可少的應急設備。增設無電應急操作系統，進一步提高現有門式起重機的可靠性，可以保障水電站、大壩的安全，社會及經濟效益突出，應用前景廣泛。