數(shù)字化技術(shù)在水電站檢修設(shè)施技改工程中的應(yīng)用研究

曹 萍，顏紅亮，王志軍，姚志賞

（1.五凌電力有限公司馬跡塘水電廠，湖南 益陽(yáng) 413405； 2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410004； 3.湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

引 言

隨著水利水電工程建設(shè)的發(fā)展，BIM、大數(shù)據(jù)、智能化技術(shù)在水利水電行業(yè)應(yīng)用前景非常廣闊。水利水電工程數(shù)字化建設(shè)發(fā)展至今，已積累了工程全生命周期設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行管理各個(gè)階段大量的成功應(yīng)用案例[1]。數(shù)字化仿真和設(shè)計(jì)技術(shù)完善了水工結(jié)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)正向設(shè)計(jì)技術(shù)體系，大幅提高了設(shè)計(jì)成果質(zhì)量和工作效率[2～3]。智能技術(shù)是伴隨信息化技術(shù)而產(chǎn)生的一項(xiàng)全新技術(shù)，具有高效率、科學(xué)化等特點(diǎn)，可不斷提升技改工作的質(zhì)量和效率[4～5]。

馬跡塘水電廠是一座以發(fā)電為主、兼顧航運(yùn)等綜合利用的水電工程。2004 年4 月，上游柘溪水電站擴(kuò)機(jī)增容，2010 年4 月，下游白竹洲水電站蓄水投產(chǎn)，對(duì)馬跡塘水電站的尾水形成直接頂托，壅高尾水水位。經(jīng)復(fù)核，電站機(jī)組發(fā)電最大出力為4.2 萬(wàn)kW，實(shí)際年平均發(fā)電量1.89 億kW·h，為設(shè)計(jì)年發(fā)電量的72.46%，水量利用率降至0.7，頂托損失電量3 044 萬(wàn)kW·h。根據(jù)馬跡塘水電廠近年水位和流量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，進(jìn)水檢修水位升為58.86 m。尾水檢修水位升為58.33 m[6]。

新的水位情況下，馬跡塘水電站檢修工況的水工建筑物結(jié)構(gòu)安全條件和檢修閘門(mén)運(yùn)行條件等發(fā)生了重大的變化。因此，對(duì)原檢修設(shè)施進(jìn)行必要的技術(shù)升級(jí)變得更為緊迫。

1 水工建筑物結(jié)構(gòu)安全數(shù)字仿真技術(shù)應(yīng)用

1.1 原水工建筑物現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與安全復(fù)核

馬跡塘水電站現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)報(bào)告顯示：電站混凝土結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)小面積剝落、露筋等外觀病險(xiǎn)，進(jìn)水口啟閉機(jī)排架柱直線度差及軌道梁、軌道接口過(guò)寬和偏差，尾水啟閉機(jī)排架局部出現(xiàn)較大破損和缺陷。電站廠房?jī)?nèi)滲漏控制及混凝土外觀狀態(tài)良好；流道及進(jìn)尾水檢修閘墩和啟閉機(jī)臺(tái)混凝土強(qiáng)度滿足原設(shè)計(jì)要求；抽檢的混凝土構(gòu)件碳化深度在（1～3）mm 之間，總體處于較低水平，保護(hù)良好；構(gòu)件鋼筋保護(hù)層厚度總體符合原設(shè)計(jì)要求，鋼筋混凝土構(gòu)件中的主筋銹蝕被評(píng)價(jià)為“沒(méi)有發(fā)生銹蝕”。

由于工期較長(zhǎng)，難免會(huì)遇到汛期過(guò)高水位，需要復(fù)核驗(yàn)算在上游檢修水位58.86 m，下游檢修水位58.33 m 情況下，廠房混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)復(fù)核，結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)明顯過(guò)載，進(jìn)口邊墻的變形增大至4.1 mm；最大拉應(yīng)力增大至1.61 MPa；尾水管的最大拉應(yīng)力增大至1.15 MPa；原有結(jié)構(gòu)配筋已不能滿足要求，須進(jìn)行加固處理。進(jìn)尾水水工結(jié)構(gòu)有限元復(fù)核結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 電站進(jìn)尾水水工建筑物有限元應(yīng)力復(fù)核結(jié)果

1.2 加固方案水工建筑物結(jié)構(gòu)安全復(fù)核

檢修工況下，由于流道內(nèi)部無(wú)水，結(jié)構(gòu)在縫面水壓力的作用下，向內(nèi)收縮，對(duì)空腔結(jié)構(gòu)不利。隨著檢修水位的升高，進(jìn)水口邊墻的應(yīng)力和位移均顯著增加。綜合配筋驗(yàn)算結(jié)果，原結(jié)構(gòu)在提高檢修水位工況下，須分別對(duì)流道進(jìn)水口和尾水管局部進(jìn)行加固處理，具體方案如下：

流道進(jìn)水口加固設(shè)計(jì)擬采用鋼管撐方案，即在攔污柵前后分別添加3 根和6 根鋼管撐，鋼管撐的管外徑500 mm，壁厚20 mm，材質(zhì)為Q235。加撐后復(fù)核計(jì)算，該方案可使得馬跡塘水電站工程廠房流道進(jìn)水口空腔內(nèi)壁拉應(yīng)力顯著降低，大小為0.75 MPa＜1.27 MPa，原有結(jié)構(gòu)的配筋情況滿足受力要求，保證進(jìn)水口在58.86m 水位檢修工況結(jié)構(gòu)安全。進(jìn)水口水工結(jié)構(gòu)加固后有限元計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

尾水管加固設(shè)計(jì)擬采用增厚鋼筋混凝土頂板方案。經(jīng)計(jì)算，頂板加厚1.5 m 的應(yīng)力大小為0.5 MPa＜1.27 MPa，滿足尾水下游水位58.33 m 檢修工況受力要求。尾水水工結(jié)構(gòu)加固后有限元計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

2 檢修閘門(mén)結(jié)構(gòu)安全的數(shù)字仿真與設(shè)計(jì)應(yīng)用

2.1 進(jìn)、尾水檢修門(mén)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)與安全復(fù)核

馬跡塘水電站現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)報(bào)告顯示：

1）電站進(jìn)、尾水口檢修閘門(mén)部分疊梁面板變形，側(cè)導(dǎo)輪無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)，輪座變形較大，滑塊和門(mén)槽埋件磨損嚴(yán)重，檢修門(mén)工作時(shí)從各疊梁接合處漏水嚴(yán)重，呈噴射狀，疊梁局部銹蝕較明顯，腐蝕程度總體評(píng)價(jià)為B 級(jí)。

2）由于進(jìn)、尾水閘門(mén)疊梁重心偏后，門(mén)體呈傾斜狀，出入門(mén)槽時(shí)對(duì)位困難，需人工輔助拖拽調(diào)整，存在安全隱患；閘門(mén)吊耳板出現(xiàn)焊縫裂紋。

3）進(jìn)、尾水閘門(mén)已運(yùn)行使用達(dá)40 年，各構(gòu)件出現(xiàn)變形老化。根據(jù)《水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)》（SL 226-98），建議對(duì)馬跡塘電廠進(jìn)尾水疊梁式檢修閘門(mén)進(jìn)行報(bào)廢處理。

2.2 進(jìn)水口檢修門(mén)的研究與設(shè)計(jì)

進(jìn)水口檢修閘門(mén)孔口尺寸12.60 m×21.75 m（寬×高），底檻高程EL.37.243 m，設(shè)計(jì)水頭21.617 m，孔口數(shù)量為3 孔，閘門(mén)數(shù)量為1 扇5 節(jié)，門(mén)頂高程EL.59.0 m，滿足EL.58.86 m 水位的擋洪和檢修要求。閘門(mén)形式為露頂式平面滑動(dòng)疊梁門(mén)，下3 節(jié)疊梁門(mén)葉結(jié)構(gòu)相同可互換次序使用，按照設(shè)計(jì)水頭21.617 m 設(shè)計(jì)，單節(jié)疊梁高度為4.35 m，布置4 根梁高1.8 m 的焊接工字形主梁，主梁材料采用Q460B，門(mén)葉其余結(jié)構(gòu)部分材料選用Q355B；上2 節(jié)疊梁門(mén)葉按照設(shè)計(jì)水頭8.35 m 設(shè)計(jì)，也可以互換次序，單節(jié)疊梁高度為4.35 m，布置4根梁高1.3 m 的焊接工字形主梁，材料采用Q355B。

進(jìn)水口檢修閘門(mén)單節(jié)結(jié)構(gòu)最大計(jì)算應(yīng)力：第1 組（t≤16 mm，材料為Q355B）正應(yīng)力σmax=222.5 MPa＜[σ]=230 MPa，剪切應(yīng)力τmax=85.47 MPa＜[τ]=135 MPa，強(qiáng)度滿足要求。第2 組（16 mm≤t≤40 mm，材料為Q460B）正應(yīng)力σmax=270 MPa＜[σ]=280 MPa，剪切應(yīng)力τmax=105.2 MPa＜[τ]=165 MPa，強(qiáng)度滿足要求。閘門(mén)結(jié)構(gòu)最大計(jì)算撓度：fmax=21.85 mm＜[f]=12 600/500=25.2 mm，撓度滿足要求。單節(jié)總重約30 t。靜水啟閉，啟閉力約522.6 kN＜（2×267=534）kN，啟閉力滿足要求。進(jìn)水口檢修閘門(mén)有限元計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 電站進(jìn)水口檢修閘門(mén)有限元計(jì)算成果

2.3 尾水檢修門(mén)的研究與設(shè)計(jì)

尾水檢修閘門(mén)孔口尺寸12.85 m×9.00 m（寬×高），底檻高程EL.37.60 m，按58.33 m 水位擋洪和檢修要求，設(shè)計(jì)水頭20.73 m，孔口數(shù)量為3 孔，閘門(mén)形式為潛孔式平面滑動(dòng)疊梁門(mén)，數(shù)量為1 扇3 節(jié)。本次改造更新下2 節(jié)疊梁門(mén)葉，同時(shí)對(duì)頂節(jié)門(mén)葉做吊耳改造以適應(yīng)液壓自動(dòng)吊梁抓取。檢修閘門(mén)下2 節(jié)疊梁門(mén)葉按照設(shè)計(jì)水頭20.73 m 設(shè)計(jì)，門(mén)葉結(jié)構(gòu)相同且可以互換次序，單節(jié)疊梁高度為3.05 m，布置3 根梁高1.8 m 的焊接工字形主梁，主梁材料采用Q460B，門(mén)葉其余結(jié)構(gòu)部分材料選用Q355B。

尾水閘門(mén)單節(jié)結(jié)構(gòu)最大計(jì)算應(yīng)力：第1 組（t≤16 mm，材料為Q355B）正應(yīng)力σmax=166.1 MPa＜[σ]=230 MPa，剪切應(yīng)力τmax=58.03 MPa＜[τ]=135 MPa，強(qiáng)度滿足要求。第2 組（16 mm≤t≤40 mm，材料為Q460B）正應(yīng)力σmax=276.7 MPa＜[σ]=280 MPa，剪切應(yīng)力τmax=139.7 MPa＜[τ]=165 MPa，強(qiáng)度滿足要求。門(mén)葉結(jié)構(gòu)最大計(jì)算撓度：fmax=20.86 mm＜[f]=12 600/500=25.2 mm，撓度滿足要求。單節(jié)總重約25 t。充水平壓后，單節(jié)靜水啟閉，啟閉力約513.7 kN＜（2×267=534）kN，啟閉力滿足要求。尾水檢修閘門(mén)有限元計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 電站尾水檢修閘門(mén)有限元計(jì)算成果

3 啟閉臺(tái)車(chē)的智能化升級(jí)改造

3.1 現(xiàn)有啟閉臺(tái)車(chē)的檢測(cè)與復(fù)核

根據(jù)檢測(cè)報(bào)告結(jié)論，現(xiàn)有啟閉機(jī)運(yùn)行良好，整體上滿足安全要求，即能在現(xiàn)行工作條件下正常啟閉。因此對(duì)啟閉機(jī)進(jìn)行日常維護(hù)即可，無(wú)需進(jìn)行更換。但是現(xiàn)有啟閉機(jī)的行走機(jī)構(gòu)采用鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)裝置，閘門(mén)吊梁采用機(jī)械式自動(dòng)吊梁，容易造成單邊掛鉤，且已運(yùn)行近40年，可借助本次技術(shù)改造將鏈?zhǔn)絺鲃?dòng)行走機(jī)構(gòu)升級(jí)為電機(jī)直驅(qū)行走結(jié)構(gòu)，機(jī)械式自動(dòng)吊梁升級(jí)為液壓穿軸式自動(dòng)吊梁。啟閉臺(tái)車(chē)檢測(cè)情況見(jiàn)圖6。

圖6 電站啟閉臺(tái)車(chē)檢測(cè)情況

3.2 啟閉臺(tái)車(chē)的技術(shù)升級(jí)改造

電機(jī)直驅(qū)行走機(jī)構(gòu)包含電機(jī)、減速器及滾輪。電機(jī)（帶制動(dòng)器）和減速機(jī)“三合一”連接后，通過(guò)法蘭安裝在啟閉機(jī)機(jī)架行走梁上，由“三合一”機(jī)構(gòu)直驅(qū)啟閉機(jī)滾輪。

液壓自動(dòng)吊梁包含梁體、吊耳、支撐導(dǎo)向裝置、定位裝置、液壓穿軸裝置、耐水壓液壓泵站和耐水壓信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)等部分。根據(jù)本工程特點(diǎn)，采用（2×300）kN 數(shù)字通信型液壓自動(dòng)吊梁，其信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)為耐水壓型，吊梁下降到位和穿銷(xiāo)到位傳感器為全行程檢測(cè)同步位移傳感器，該傳感器通過(guò)R485 總線通信傳輸。液壓自動(dòng)吊梁見(jiàn)圖7。

圖7 電站啟閉臺(tái)車(chē)自動(dòng)吊梁改造升級(jí)成果

3.3 啟閉臺(tái)車(chē)的電氣控制

2015 年，臺(tái)車(chē)的電氣控制改造成基于S7-200PLC的控制系統(tǒng)，電機(jī)調(diào)速方式升級(jí)為變頻調(diào)速方式，采用啟閉機(jī)房?jī)?nèi)操控。由于PLC 容量較小，已不能滿足升級(jí)后的臺(tái)車(chē)控制和監(jiān)測(cè)要求。

現(xiàn)采用“遙控器+PLC+變頻器”模式，遙控器為臺(tái)車(chē)控制系統(tǒng)的操作器件，包含主令操作按鈕、搖桿操作手柄和圖像顯示器，主令操作按鈕用于操作主接觸器的通電和主斷路器緊急跳閘，搖桿操作手柄通過(guò)多擋位控制起升機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)變速運(yùn)行，圖像顯示器通過(guò)無(wú)線以太網(wǎng)連接液壓自動(dòng)吊梁攝像頭，動(dòng)態(tài)顯示吊梁液壓穿軸的位置圖像信息；PLC 為系統(tǒng)控制器，完成臺(tái)車(chē)控制系統(tǒng)的邏輯控制和數(shù)據(jù)處理，邏輯控制實(shí)現(xiàn)臺(tái)車(chē)起升機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)的變速運(yùn)行和互鎖，數(shù)據(jù)處理完成起升機(jī)構(gòu)高度和載荷、行走機(jī)構(gòu)行程、實(shí)時(shí)風(fēng)速、吊梁行程等數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、校準(zhǔn)和顯示，并設(shè)定保護(hù)接點(diǎn)對(duì)各機(jī)構(gòu)實(shí)施安全保護(hù)；變頻器為系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器，接受PLC 的邏輯控制指令驅(qū)動(dòng)各機(jī)構(gòu)電機(jī)變速運(yùn)行。啟閉臺(tái)車(chē)電氣控制方案見(jiàn)圖8。

圖8 電站啟閉臺(tái)車(chē)電氣控制方案

3.4 在線監(jiān)測(cè)

1）主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容。

起升機(jī)構(gòu)振動(dòng)監(jiān)測(cè)：對(duì)啟閉機(jī)電機(jī)、減速箱、卷筒裝置軸承、齒輪等部件進(jìn)行振動(dòng)監(jiān)測(cè)，并對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，提前判斷出啟閉機(jī)起升機(jī)構(gòu)各部件工頻等早期故障。每個(gè)驅(qū)動(dòng)單元傳感器的布置如下：電機(jī)布置2 個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，減速箱配置4 個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)、外伸齒輪支承座布置1 個(gè)振動(dòng)測(cè)點(diǎn)。

轉(zhuǎn)速傳感器：對(duì)電機(jī)或者減速器高速軸端的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，輔助分析。連接螺紋規(guī)格為M18×1，安裝在電機(jī)或減速器高速軸端外側(cè)，傳感器安裝在支架上，支架焊接在起升機(jī)構(gòu)的平臺(tái)上。

2）在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。

感知層：由加速度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器組成。

現(xiàn)地采集工作層：通過(guò)安裝在啟閉機(jī)機(jī)房數(shù)據(jù)采集工作站中的內(nèi)置分析軟件，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看、診斷分析及設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)的實(shí)時(shí)報(bào)警。

遠(yuǎn)程服務(wù)層：數(shù)據(jù)通過(guò)4G 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器，監(jiān)測(cè)、分析、診斷，每月出具設(shè)備月度體檢報(bào)告，設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)，出具設(shè)備異常故障診斷報(bào)告，并及時(shí)通知到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維。閘門(mén)在線監(jiān)測(cè)方案及界面見(jiàn)圖9、圖10。

圖9 閘門(mén)在線監(jiān)測(cè)方案

圖10 啟閉臺(tái)車(chē)在線監(jiān)測(cè)界面

4 結(jié) 語(yǔ)

1）馬跡塘水電廠主動(dòng)對(duì)接并積極服務(wù)于國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略，結(jié)合自身?xiàng)l件，不斷推進(jìn)轉(zhuǎn)型發(fā)展、協(xié)調(diào)發(fā)展。大膽積極地?fù)肀录夹g(shù)革命，深度運(yùn)用好新技術(shù)，推進(jìn)水電站的自動(dòng)化和智能化，打造智慧水電，將水文、電力、人力等信息流等有效整合，不斷增加自身競(jìng)爭(zhēng)力，提高安全性。

2）高度重視馬跡塘水電廠的安全建設(shè)，進(jìn)一步加大對(duì)電廠的安全建設(shè)投入。馬跡塘水電廠已運(yùn)行了近40 年，各種設(shè)施也將逐步達(dá)到設(shè)計(jì)使用期限，因此須高度重視電站的設(shè)施安全，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)預(yù)警，加大安全建設(shè)投入，守住電站的安全生命線，為再創(chuàng)輝煌業(yè)績(jī)保駕護(hù)航。

3）加大水電站安全工程的研究力度，積極展開(kāi)在類(lèi)似工程上的推廣應(yīng)用。數(shù)字化技術(shù)在低水頭貫流式機(jī)組的水電廠檢修設(shè)施安全工程建設(shè)中均能起到示范作用。本項(xiàng)目在研究設(shè)計(jì)上大量采用了數(shù)字化技術(shù)，縮短了研發(fā)周期，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量，所設(shè)計(jì)成果均滿足規(guī)范要求。本項(xiàng)目的實(shí)施，將為公司系統(tǒng)內(nèi)同類(lèi)型電站機(jī)組檢修設(shè)施改造工作提供可靠的依據(jù)，并可在國(guó)內(nèi)同類(lèi)型工程改造中推廣應(yīng)用。