青草沙水庫檢修閘門自動化改造應用設計

李國俊+許盛+奚培榮

摘 要：近年來隨著科技水平的不斷提高，水務行業中越來越多的生產設備具備了自動化控制以及遠程監控的功能，這不僅大大提高了設備運行效率，同時也達到節能減排、減少人力成本、降低發生人身安全事故的概率。該文主要闡述將檢修閘門啟閉方式改造為暗桿螺桿機以及PLC遠程控制系統，從而設計出一套既能就地進行控制閘門啟閉、開度、報警檢測，同時在上位機亦具備遠程檢測、控制、急停的方案，從而確保即使在惡劣天氣、少人值守的情況下，仍然能保持較高的設備運行效率、保證供水安全。

關鍵詞：檢修閘門 螺桿機 自動化

1 檢修閘門概況

青草沙水庫作為我國最大的河口江心型水庫，是上海重要的水源地之一，有效庫容達4.35億m3，設計最大日供水能力為719萬t/d。取水泵閘泵段共有12扇檢修閘門，每兩扇閘門對應一臺取水泵，分別處于各自機泵進水流道處（表1）。

2 問題的提出

目前，在咸潮期間采用雙吊點葫蘆對檢修閘門進行啟閉。但在運行實踐中發現以下問題：（1）起吊難度大：目前采用兩臺雙吊點電動葫蘆對12扇檢修閘門進行起吊，由于雙吊點與閘門采用卡扣連接，在對接過程中難度較高，時常出現由于葫蘆卡扣的晃動導致連接失敗，從而大大影響工作效率。（2）時間長度大：在起吊檢修閘門前，需雙吊點葫蘆先對24塊蓋板進行起吊，由于蓋板重量大且數量較多，因此平均起吊一扇檢修閘門所需時間一般就長達35 min，若遇到應急搶修等突發情況，不利于快速處置。（3）作業環境要求高：雙吊點葫蘆鋼絲繩高度達10 m，在啟閉過程中遇降雨或風力氣候環境時，將增加操作風險，同時由于中控室沒有檢修閘門遠程監控系統，在惡劣氣候時，值班人員無法進行現場操作，值班人員在上位機中無法實時掌握檢修閘門信息并進行緊急操作。（4）檢修難度大且不利于應急響應：兩臺雙吊點葫蘆使用時共用一根行程軌道，分別對應兩段各12臺檢修閘門，一旦其中1臺雙吊點設備損壞（雙吊點葫蘆設備安裝位置在長江口，咸度極高易腐蝕設備），將導致對應的檢修閘門全部無法啟閉，可能存在較大的供水隱患。

因此，基于以上4點，需要為取水泵閘檢修閘門設計出一種既能夠高效率、安全的啟閉方式，又能夠使數扇檢修閘門同時進行啟閉、在現場和上位機都能夠遠程對閘門開關狀態、啟閉開度、報警警示等參數進行監控，從而確保水庫的供水安全。

3 改造設備方案分析

目前主流閘門啟閉的方式主要包括：固定卷揚機啟閉、螺桿機啟閉、液壓啟閉3種方式，其擁有各自的優缺點（表2）。

對比以上3種改造方案，根據使用習慣與設備可靠性，決定采用暗桿螺桿機的改造方案。雖然螺桿機啟閉機技術較早，但其結構簡單、價格低廉、對加工精度要求相對較低、維護容易、工作穩定等重要特點，較為適合檢修閘門的工況。另外，螺桿機也能兼顧遠程控制，從而實現自動化的同時也能現地手動操作，從而實現雙保險。由于啟閉機使用頻率并不高，對倡導的節能減排來說，影響甚微。

4 工藝設計

由于檢修閘門安裝于上游取水主泵前，亦屬于重要生產設備，需確保其正常、高效啟閉。在改造設計中，尤其需注意由于檢修閘門流道內一般處于無水狀態，而檢修閘門外部的水位隨潮位持續變化，此時檢修閘門所需啟閉力與其閘門內外水位差成正比，因此需對具體啟閉機驅動力進行核算。

4.1 啟閉力計算

閘門重量為G=9 t，閘門寬度b=4 m、閘門高度h1=6.35 m，最大潮位h2=8.5 m，為考慮啟閉力及電機功率在啟閉閘門計算上的誤差，故選取超重系數為β=1.1。總靜水壓強點取閘門的幾何中心。

檢修閘門重量：

W=β×G=1.1×9T=9.9T=99000N

閘門上端壓強：

P1=ρg（h2-h1）=1000×10×（8.5-6.35）=21500pa

閘門下端壓強：

P2=ρgh2=1000×10×8.5=85000pa

作用于閘門的總靜水壓強：

P總=（P1+P2）=（21500+85000）=53250pa

作用于閘門的總靜水壓力：

F=P總×S=P總×b×h1=53250×4×6.35=1352550N

啟門時克服水壓的摩擦阻力：

T=fx×P總=0.14×1352550=189357N

啟閉力：

FQ=G+T=99000+189357=288357N，即：單根螺桿受力FQ′=144178.5N。

采用Tr60×12梯形螺紋；中徑d2=54 mm，內徑d1=47 mm，導程S=12 mm，螺旋傳動的摩擦系數f=0.2，得：j=11°19。

螺旋升角：

α=tan-1S/（π×d2）=4°03 tan（j+α）=tan15°22

啟閉閘門時的扭矩：

M2=FQ′=1069776N·mm，即1.07×103 N·m。

取總傳動效率η=0.66，轉速n=12 r/min。

電動機功率：

N===2.03kW，故選用4 kW電機。

4.2 結構設計

整個流道口底部至地面平臺地面距離為17 m，考慮到運行時間及效率，閘門無需完全提升至滿量程，根據運行工況只需將閘門提升出流道口即滿足工況。這樣也極大節省了時間成本。同時為確保螺桿機在惡劣天氣下的設備狀態，選用不銹鋼罩進行保護并在鋼制平臺下加開觀察孔（螺桿機與鋼制平臺一體化），從而能對封閉在鋼制平臺下的檢修閘門進行觀察。另外，為避免絲桿在檢修閘門開啟過程中長時間受力造成損傷，計劃在鋼制平臺處加設一插銷，緩解絲桿所受拉力（圖1）。

4.3 控制設計

為確保檢修閘門啟閉正常，運行控制方式采用手動本地、上位機遠程控制相結合的模式。由于在一般情況下，起吊檢修閘門均要求兩名值班人員在場進行操作及監護。因此，在本地模式中就地設立一個手動操作控制柜，對檢修閘門進行控制。在閘門機械連鎖啟動時，控制柜中的報警燈亮起并緊急停止閘門運作（表3）。

由于檢修閘門地處長江邊，考慮到時常有惡劣天氣出現，因此為螺桿機配備相關自控設備，為緊急情況下的應急處理做好保障。為確保檢修閘門自控系統能夠順利與水庫其他設備相連接、互相兼容，同時考慮此次檢修閘門的控制信號以及相關數字量、模擬量信號數量、使用環境等情況。可采用AB系列小型PLC，通過羅克韋爾三層網絡（信息層、控制層、設備層）高效、安全、穩定地對各類信號、設備進行傳輸、控制（表4）。

遠程控制除了體現全部就地控制的信號外，還接入開度超差監控、軟件報警等功能，最大程度預防惡劣天氣下，螺桿啟閉機檢修閘門運行不平衡從而造成絲桿斷裂等重大安全隱患。另外，設備相關信號均通過設備層分別接入至PLC模擬量、離散量模塊，然后通過工業交換機傳至上位機，從而達到能夠在上位機進行遠程監控的功能。

5 改造后效果

檢修閘門通過此次改造，將原有雙吊點葫蘆啟閉改成暗桿螺桿機啟閉之后，預計將會得到如下改進：（1）開啟時間由改造前的6 h（包含12臺閘門以及其蓋板的啟閉）縮減至30 min（改造后可以多扇閘門同時啟閉且免去了蓋板起吊的過程），從而使運行效率大大增加。（2）增加遠程監控功能，使得值班人員在中控室能夠對檢修閘門運行狀態進行監測及控制，不僅減少了人力成本，同時增加了應急情況下的處置反應速度與能力。（3）保證了全天候的閘門運行工況，改造后加裝不銹鋼外罩及鋼制平臺后，大大提升了檢修閘門運行的穩定性，能夠應對惡劣天氣下的運行，確保供水正常運行（圖2）。

參考文獻

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[2]SD 297-88，QL型螺桿式啟閉機系列參數[S].

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