水電廠閘門控制及維護分析

李 承 昊, 趙 懿, 胡 玉 芳

(大唐雅安電力開發有限公司,四川雅安 625500)

1 概 況

閘門控制系統廣泛應用于中國各大、中、小型水電站,借助于科技的高速發展,形成了一系列特點鮮明、優缺點明顯的閘門控制系統[1]。為滿足電站現場“無人值班,少人值守”的要求,閘門控制方式已由最開始的單一現地控制發展成為了現在的遠方結合現地的控制方式。搭載了PLC的閘門控制系統對于控制精度更加可靠,操作方式更簡易,對電站的安全生產和防洪度汛起著重要的作用。

本文所研究的水電站為雅安市滎經河不具有日調節功能的壩后式電廠,水庫正常蓄水位721.00 m(目前僅蓄水至719.50 m),尾水位701.00 m,平均水頭18.83 m,總庫容661萬m3,調節庫容76.8萬m3,電廠發電引用流量為2×62 m3/s,裝機容量2×1萬kW。該電廠樞紐工程采用混凝土重力壩,壩線總長128 m,壩頂高程724.00 m。從左岸至右岸依次有六孔閘門:三孔泄洪閘,一孔沖砂閘和兩孔進水閘。取水口位于右岸緊靠泄洪沖砂閘,壩后式廠房位于壩軸線下游約75 m處與壩軸線平行。

徑流主要由降雨形成,雨量主要集中在7、8、9月,占全年總降雨量的56%,春冬兩季主要由融雪水及地下水補給,1、2、3月僅占全年徑流的8.3%。豐水期(5～10月)多年平均流量為135 m3/s,占年徑流量的80.5%;枯水期(11月～次年4月)多年平均流量為35.6 m3/s,占年徑流量的19.5%。流域內的洪水由于流域內特有的地形和地勢條件,洪水過程呈陡漲陡落的尖峰型,一次洪水過程多在48 h以內。多年平均流量為79.2 m3/s,最大年平均流量為98.0 m3/s(2005年),最小年平均流量為71.0 m3/s。多年平均最大洪峰流量1 270 m3/s,比原設計數據略小。其中年最大泄洪流量3 940 m3/s,年最小泄洪流量768 m3/s。

本文主要通過研究該電站泄洪閘以及沖砂閘的控制特性和日常維護方面的細則來驗證閘門在日常運行過程中的可靠性,并且針對控制和維護方面來提出可優化的措施。

2 閘門特性

2.1 泄洪閘門

開敞式泄洪閘為三孔,閘孔寬為12 m,每孔設露頂弧形工作閘門和平板檢修門各一道,(檢修門共用)。工作弧門底高程707.466 m,門面半徑16 m,支鉸高程717.50 m,閘頂高程為壩前正常擋水位721.00 m,閘底為WESIV型堰,堰頂高程為708.00 m,溢流壩的最低高程為690.00 m,最大壩底寬度為43.5 m,最大壩高34 m,(包括閘墩),閘墩厚度4 m,閘墩頂部高程724.00 m。

該電站的三孔泄洪閘所采用的露頂弧形閘門,它的優點是閘門可以繞固定支鉸的水平軸轉動。鉸軸中心一般布置在弧形面板的圓心處,故作用在面板上的全部水壓力通過軸心,啟門時,只需克服閘門自重以及止水和鉸軸的阻力對軸心的阻力矩。弧形閘門具有運轉可靠,啟閉省力特點。閘墩的厚度較小、沒有影響水流流態的門槽,具有泥沙多時工作狀態好、泄流條件好、啟閉力較小等優勢[2]。該電站泄洪閘門參數見表1。

表1 泄洪閘門技術參數表

在日常運行過程中,三孔泄洪閘門每開啟1 m,可下泄大約80 m3/s的流量,單孔閘門最大可開啟至10 m。

2.2 沖砂閘門

泄洪沖砂閘為一孔,設半徑為16 m的工作閘門和平板檢修門各一道。弧門孔口尺寸為12 m×8 m,門面半徑16 m,支鉸高程712.50 m,檢修平板門孔口尺寸為12 m×9 m。進口為有壓短嘴進水方式,頂端采用橢圓曲線。閘室底板高程為700.00 m,閘前拉砂槽底坡1/50,閘后以拋物線接12∶4斜坡段,斜坡段為消力池底板用半徑為20 m的反弧段相銜接,閘基建基面高程690.00 m,齒槽底高程為687.00 m,閘頂高程同泄洪閘724.00 m,最大閘高34 m,最大閘底底寬42.5 m,沖砂閘門技術參數見表2。

表2 沖砂閘門技術參數表

沖砂閘比泄洪閘泄流能力更強,在沖砂閘開啟1 m時,可下泄大約120 m3/s的流量,最大開度可達10 m。

3 閘門控制及維護

3.1 閘門運行方式

該電廠泄洪和調節庫水位工作由泄洪閘完成,每場洪水后期的拉沙工作由沖沙閘完成。

3.1.1 閘門操作順序

(1)為了使該電廠進水口水流穩定,盡量先開啟2號泄洪閘。

(2)為了避免下游出現不利流態,一般采用對稱開啟閘門的方式,然后依次開啟1、3號泄洪閘,若還達不到泄洪要求,最后則開啟1號沖砂閘;從局部開啟直至全部全開。洪水消退后,閘門操作按“先關兩邊,后關中間,對稱、均勻關閉。避免長時間集中沖刷一個地方。

(3)河中出現水流夾帶大量泥沙或其他污染物,如果引水發電,會對電廠水工建筑物或機電設備帶來不良后果,應停機沖渣。

(4)進水口清污機出現故障或污物過多,使進水口柵差大至0.5 m以上時,可停機撈渣后始可運行。

3.1.2 運行操作

3.1.2.1 現地操作

大壩閘門操作正常運行方式為現場“自動”“手動”“調試”。

(1)現場手動操作步驟:控制選擇開關SA1置于“調試”位,脫離PLC控制,僅供安裝調試或PLC故障時使用,要求閘門現場必須有人監視。

(2)啟動油泵:按1號或2號油泵啟動按鈕,則1號或2號油泵運行,此時,允許閘門開啟或關閉。

(3)開閘門:油泵正常運行后,按開門按鈕1SB1,閘門開啟上升至全開位,閘門停止運行。若需要閘門停止在某個位置,則按停門按鈕1SB2,閘門停止運行。

(4)關閘門:油泵正常運行后,按關門按鈕1SB2,閘門關閉下降至全關位,閘門停止運行。若需要閘門停止在某個位置,則按停門按鈕1SB2,閘門停止運行。

(5)左右糾偏:閘門在開關運行過程中,自動進行左右糾偏,如閘門不同步運行達到超差值時,閘門不能上升,但可進行關閉操作,此時應將閘門切換為“調試”運行,手動糾偏后,再切換為自動運行。

(6)停閘門:若需要閘門停止在某個位置,則按停門按鈕1SB2,閘門和油泵停止運行。

(7)下滑自動復位:當閘門提升至指定開度或全開位后,閘門下滑達到150 mm,控制系統就會自動啟動工作泵組,若第一次自動復位失敗,閘門繼續下滑達160 mm,而工作泵組并未投入運行,控制系統啟動備用泵組,將閘門提升至下滑前位置,并發出故障報警信號。

(8)故障復位:當出現故障時報警,應檢查并清除故障,按故障復位按鈕后,才允許操作(注意:PLC觸摸屏無密碼設置,其參數非專業人員禁止修改,若出現故障盡快通知維護人員)。

3.1.2.2 遠方操作

在中控室上位機點出閘門操作畫面進行操作,運行人員在操作之前應確保閘門控制方式是“遠方”控制。

(1)點擊開度設置圖標,設置閘門開度,防洪度汛期間一般根據上游來水量調節閘門開度;

(2)點擊閘門操作圖標,再點擊開啟,點擊執行,閘門上升到預設開度;

(3)上位機操作閘門上升或下降的過程中,如果出現異常,應立即點擊停止,點擊執行,停止操作[2]。

遠方操作閘門的優點:

(1)將現場情景圖形化,實時傳輸閘門開啟高度和閘門狀態等信息;

(2)通過計算機鼠標操作即能開啟或者關閉閘門;

(3)實時顯示現場電壓、電流信息,詳細監視設備的運行情況;

(4)可以記錄閘門每次動作的時間及開啟的高度;

(5)閘門水位上限或下限,電壓過高或過低,電流過高,均能自動告警;

(6)軟件集成水位信息,實時顯示當前水位高度;

(7)軟件可集成顯示現場視頻監控畫面,遠程操作做到信息化、可視化,信息化、可視化集成在同一界面中,遠程操作更加便捷,更加可靠,滿足無人值守的要求,但現地必須有人進行監護,并且通過工業電視視頻進行監控。

3.2 閘門維護

3.2.1 運行故障與事故處理

3.2.1.1 啟閉機液壓機構故障

若閘門無法正常啟閉,故障發現人應仔細檢查故障設備情況,在現場進行前期處理。若故障無法消除或未找到故障點,則組織技術及安全人員迅速查明故障部位及原因,確定故障性質及消除故障所需的時間。如果需關閉閘門,則應決定是否用檢修閘門擋水,在開啟閘門過程中,首先在水庫調度規程許可范圍內開啟其它閘門,以同流量泄洪代替,防止庫區水位超過限定值。若閘門有下滑跡象,則應仔細觀察設備異常情況并疏散周圍人員,以免事故擴大,造成人員傷害,待閘門停止下滑后,立刻組織技術人員檢查維修。故障排除后必須先進行靜水啟閉試驗(有檢修門擋水),然后進行動水啟閉試驗(無檢修門擋水),試驗無異常后方可繼續運行。

3.2.1.2 閘門變形、卡阻使閘門無法正常啟閉

故障發現人應立即切斷所有相關電源,仔細檢查故障設備情況,進行現場先期處理。維修人員在進行故障排除時,應該保持啟閉機對閘門有一定的承重力,根據需要使用輔助起重機械,防止發生閘門失控造成事故,并做好維修記錄,作為今后修訂處置方案的依據。如果閘門未處于全關位置,且閘門距離地面距離不足20 cm時,可使用調試方式啟動油泵關閉閘門。故障排除后,必須先進行靜水啟閉試驗(有檢修門擋水),然后進行動水啟閉試驗(無檢修門擋水),試驗無異常后方可繼續使用。

3.2.2 閘門的維護保養

經常對泄洪閘及沖砂閘進行維護保養可以減少閘門的磨損程度,消除隱患和故障,保持閘門及其附屬設備能夠穩定運行[3]。閘門設備的維護保養的主要方式有:清潔、潤滑、緊固、防腐除銹、刷漆,日常情況下對閘門系統的巡視檢查應達到每周一次,機電設備的維護保養分為日常維護保養和定期維護保養。

3.2.2.1 日常保養

運行人員對沖砂閘及泄洪閘的外觀進行檢查,觀察液壓缸是否漏油,是否出現腐蝕嚴重的現象,如果出現上訴情況應通知維護人員及時解決。觀察閘門控制屏上是否存在故障報警,如果有故障報警,應及時排查原因并解決。在閘門運行過程中存在的異常聲響、異常震動及時做好記錄,方便維護人員處理。

3.2.2.2 定期保養

對運行了一定時間的閘門及機電設備,需要進行定期的維護保養,以保證延長閘門使用壽命能夠穩定運行,發揮閘門的技術特性和經濟特性,保養時主要對以下設備進行重點維護:閘門門葉、閘門水封、動滑輪組、主輪裝置、側輪裝置、起升電機、主令開關、制動裝置、動力電源回路、控制系統回路。在定期維護結束后,應對幾道閘門進行啟閉試驗,以保證能夠正常使用[4]。

4 優化意見及展望

4.1 優化意見

4.1.1 現地操作水位顯示優化

目前,該電站獲取適時上游水位數值的方式,主要通過廠房上位機顯示查看,對于遠方操作來說較為方便,能夠在閘門開啟或關閉時,及時看到水位的變化。但在現地操作時,因為閘門控制室在大壩,控制室內沒有水位顯示器,如果需要獲取水位信號,需要中控室值守一人及時與現地操作人員通訊聯系,這樣,使現地操作人員很不方便。因此,必須通過技改將廠房上位機上的水位信號傳輸至大壩閘門控制室的控制柜PLC顯示器上,能夠在PLC顯示器上及時看到適時水位數值,這樣,可以方便運行人員在開、關閘門時根據水位來調節閘門開度,同時,對于電站在汛期的穩定運行也可起到很好的作用。

4.1.2 警報系統及監控系統優化

目前該電站啟動泄水流程后,是通過值班人員到大壩泄洪閘門控制柜處拉響泄洪警報,警示下游岸邊逗留人員盡快撤離,遠離泄洪區域。如果將泄洪警報開關布置于中控室,更有利于值班人員提高啟動泄水流程的效率,既節省時間,又及時泄洪。但是,泄洪時間一般都在夜間和凌晨,天色較暗,導致下游監控設備的清晰程度受到影響,值班人員無法確定下游岸邊是否有逗留人員,所以,將泄洪警報開關置于大壩上,可以讓值班人員在拉響泄洪警報之前,能夠在大壩上通過手電筒輔助觀測下游有無人員逗留,但這種方法所需時間較長,且人為觀測因為視線原因有時候會存在一定偏差。針對這種情況,若改良下游攝像頭夜晚清晰度不高的狀況,并加入熱成像技術以及生物識別功能,能準確確定下游是否有人逗留,以提高泄洪的安全性。通過對監控攝像頭的改造,便可將泄洪警報開關置于中控室,這樣,就可方便值班人員快速準確地觀察下游岸邊是否有人員逗留,并及時拉響警報,實現電站在泄洪前后及時將信息傳達至危險范圍,保證下游居民的生命安全,提高泄洪流程的可靠性[5]。

4.2 閘門自動控制系統的實現

針對該電站目前閘門的運行方式,已經達到了比較智能的程度,能用多種方式對閘門開度進行調節,完成防洪度汛任務。閘門自動控制系統是依照來水量的大小來控制泄洪閘的開度,達到自動控制的目的。流量傳感器通過將信號傳送到閘門控制系統,閘門控制系統對流量信號進行識別,如果達到泄洪流量標準,將自動啟動泄水警報。泄洪警報流程結束后,利用人工智能識別系統確認下游無人,才開啟閘門進行泄洪,并根據來水量自動調節閘門。這樣,能有效提高閘門自動控制系統的可靠性、穩定性,確保閘門的安全運行,才能真正實現“無人值班,少人值守”[6]。但是,采用閘門自動控制系統會存在一些技術上的難題:

(1)自動控制系統控制回路出現問題,導致誤動作可能會誤開啟閘門,造成不必要的損失;

(2)流量傳感器存在測量誤差,可能會導致傳輸到系統上的數據發生偏差,導致閘門運行故障;

(3)閘門運行時期一般集中在汛期,閘門長期未運行可能會導致自動控制系統程序丟包而無法使用。

(4)生物識別技術存在不穩定性,可能會出現識別錯誤或者未識別出下游逗留人員,這種情況下開啟閘門,可能會引發事故。

閘門自動控制系統對水電站的運行有百利而無一害,但需要技術人員在實踐中解決這些.難題,才能保障系統穩定運行。

5 結 語

本文在通過對某電站的閘門參數、運行方式、運行原理、日常維護方式進行分析,并結合該電站閘門在歷史運行過程出現的故障問題,得出該電站的閘門運行方式比較成熟可靠,裝置集成化程度較高的結論。但是,對比國內某些尖端電站,在裝置自動化、智能化上還存在比較大的差距,因此,該站要實現“關門運行”,還有很長的一段路要走。閘門控制系統要想真正從“人”手中交到“機器”手中,不僅要依賴精密程度高的可靠裝置,更需要人工智能技術的結合,因為人工智能技術在今后水電站運行的發展中必將扮演重要的角色。