景洪升船機(jī)上游對(duì)接流程優(yōu)化*

薛 淑，肖海斌，王 新

(1.南京水利科學(xué)研究院，通航建筑物建設(shè)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210029；2.華能瀾滄江水電股份有限公司，云南 昆明 650214)

景洪升船機(jī)是世界首座水力式升船機(jī)，自2016年試通航以來(lái)，經(jīng)過(guò)調(diào)試和不斷的消缺，設(shè)備設(shè)施基本處于正常穩(wěn)定的工作狀態(tài)，船廂升降運(yùn)行時(shí)間均已達(dá)到設(shè)計(jì)要求，升船機(jī)總體運(yùn)行情況較好。為進(jìn)一步提高景洪升船機(jī)的通航效率，為未來(lái)貨運(yùn)量增長(zhǎng)預(yù)留一定儲(chǔ)備，開(kāi)展升船機(jī)運(yùn)行流程優(yōu)化研究十分必要[1-2]。

在升船機(jī)運(yùn)行速度達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)的前提下，提高升船機(jī)運(yùn)行效率重點(diǎn)從對(duì)接流程優(yōu)化著手，景洪水力式升船機(jī)下游采用船廂入水對(duì)接，船廂下行入水至船池中，船池與引航道連通，船廂內(nèi)外水位齊平后即可開(kāi)啟廂門(mén)，船舶直接駛?cè)胍降溃∪チ讼麻l首對(duì)接機(jī)構(gòu)和系列對(duì)接流程。上游對(duì)接過(guò)程操作步驟較多、相對(duì)復(fù)雜，因此本文主要針對(duì)景洪升船機(jī)上游對(duì)接流程優(yōu)化進(jìn)行研究。

升船機(jī)的對(duì)接是指承船廂到達(dá)上、下游對(duì)接位后，利用對(duì)接裝置連通承船廂與上、下游引航道水域，使船舶能夠順利駛?cè)?駛出)承船廂，進(jìn)入上、下游引航道。一般對(duì)接流程為：1)承船廂運(yùn)行到對(duì)接位，廂內(nèi)水位與引航道水位齊平；2)密封框推出，連接承船廂與上閘首；3)上閘首工作門(mén)與承船廂廂門(mén)之間的間隙充水，直至間隙水位與引航道水位齊平；4)打開(kāi)上閘首工作門(mén)與承船廂廂門(mén)，使承船廂與引航道形成連通水域，待承船廂內(nèi)的防撞梁降落后，船舶準(zhǔn)備進(jìn)、出船廂。承船廂解除對(duì)接的流程為上述步驟的倒序。

1 景洪升船機(jī)上閘首對(duì)接機(jī)構(gòu)特點(diǎn)

不同升船機(jī)工程的對(duì)接機(jī)構(gòu)、間隙充(泄)水方式各不相同，間隙充水時(shí)，一般通過(guò)自流、水泵抽水的方式從引航道取水，也可從專(zhuān)門(mén)的儲(chǔ)水容器取水，間隙泄水時(shí)再排入引航道或者儲(chǔ)水容器。

景洪升船機(jī)在上游對(duì)接時(shí)，工作小門(mén)在開(kāi)啟過(guò)程中以門(mén)頂過(guò)流的方式兼顧間隙水充水，具有快速、便捷的特點(diǎn)，省去了專(zhuān)門(mén)的間隙充水時(shí)間；解除對(duì)接時(shí)，利用下水式升船機(jī)船廂下面船池與引航道直接連通的特點(diǎn)，在工作大門(mén)底部的胸墻預(yù)埋排水管道，開(kāi)啟泄水閥即可將間隙水直接泄入下游船池。上閘首對(duì)接機(jī)構(gòu)、主要對(duì)接狀態(tài)見(jiàn)圖1。

圖1 景洪升船機(jī)上游主要對(duì)接機(jī)構(gòu)及對(duì)接狀態(tài)

景洪升船機(jī)上游對(duì)接機(jī)構(gòu)及具體工作方式如下：

1)U形密封框：位于承船廂端部，為承船廂廂門(mén)與上閘首工作門(mén)之間的連通水域提供密封功能。對(duì)接時(shí)，密封框裝置伸出并投入使用，對(duì)接密封裝置與工作大門(mén)貼緊形成完整的止水線，連接船廂與引航道；當(dāng)承船廂與上游擋水工作閘門(mén)解除對(duì)接時(shí)，止水元件回退，脫離與工作閘門(mén)的接觸，實(shí)現(xiàn)解除對(duì)接功能[3]。

2)上閘首工作大門(mén)：用于阻擋上游引航道水位，上閘首工作大門(mén)啟閉機(jī)的控制系統(tǒng)能根據(jù)上游水引航道水位變化自動(dòng)調(diào)整大門(mén)位置，當(dāng)引航道水位上升或下降使工作小門(mén)門(mén)檻以上水位小于2.5 m(承船廂設(shè)計(jì)水深)或大于3 m時(shí)，程序自動(dòng)控制工作大門(mén)下降或提升0.5 m，使套內(nèi)的工作小門(mén)門(mén)檻以上始終保持2.5～3 m的正常通航水深[4-5]。

3)上閘首工作小門(mén)：嵌套在工作大門(mén)內(nèi)，可自動(dòng)升降，工作行程為3.5 m，工作小門(mén)下降(開(kāi)啟)時(shí)，引航道水體從門(mén)頂流入小門(mén)與承船廂上游臥倒門(mén)的間隙內(nèi)，解除對(duì)接后工作小門(mén)上升(關(guān)閉)，與工作大門(mén)共同擋水。因此景洪升船機(jī)工作小門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中兼顧了間隙充水的作用。

4)承船廂廂門(mén)：景洪升船機(jī)承船廂采用平板臥倒門(mén)形式，間隙水與上游引航道水位齊平是開(kāi)啟、關(guān)閉承船廂廂門(mén)的前提條件。

2 優(yōu)化前上游對(duì)接流程

景洪水力式升船機(jī)船廂上行對(duì)接、解除對(duì)接下行的操作流程按順序串行，一步結(jié)束后再進(jìn)行下一步操作。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，船廂上行對(duì)接耗時(shí)419 s，解除對(duì)接耗時(shí)585 s，見(jiàn)表1。可以看出，工作小門(mén)啟閉耗時(shí)相對(duì)較長(zhǎng)。

表1 優(yōu)化前船廂上游對(duì)接和解除對(duì)接操作時(shí)間

續(xù)表1

3 上游對(duì)接流程優(yōu)化方案

根據(jù)景洪升船機(jī)上游對(duì)接操作的特點(diǎn)，對(duì)上游對(duì)接和解除對(duì)接流程進(jìn)行優(yōu)化。其中，值得關(guān)注的是工作小門(mén)開(kāi)啟兼顧充間隙水，臥倒門(mén)應(yīng)在間隙水充滿后開(kāi)啟。

圖2 景洪升船機(jī)上游對(duì)接優(yōu)化流程

由于引航道水位隨時(shí)發(fā)生改變，上閘首工作小門(mén)與船廂對(duì)接時(shí)的相對(duì)位置也隨時(shí)發(fā)生變化(根據(jù)操作規(guī)程，小門(mén)門(mén)頂和引航道水位的高差控制在0.5～1.0 m)，造成間隙充水體積、時(shí)間的差異，見(jiàn)圖3。原型觀測(cè)間隙水充滿的時(shí)間統(tǒng)計(jì)僅僅是針對(duì)某幾個(gè)具體的工況，無(wú)法確保所有工況下，上游對(duì)接時(shí)工作小門(mén)開(kāi)啟都是控制性線路，下面計(jì)算工作小門(mén)在各工作狀態(tài)下，從開(kāi)始降落到間隙水充滿所需要的時(shí)間，從理論角度驗(yàn)證上述優(yōu)化方案的可行性。

圖3 工作小門(mén)對(duì)接位置(單位：m)

工作小門(mén)門(mén)頂過(guò)流補(bǔ)充間隙水的過(guò)程如下：工作小門(mén)啟動(dòng)后，門(mén)頂露出水面勻速運(yùn)行，在工作小門(mén)下降至門(mén)頂與上游引航道水位齊平時(shí)，門(mén)頂開(kāi)始溢流，形成薄壁堰過(guò)流向間隙充水，間隙水位逐漸抬高，直至到達(dá)上游引航道水位。在工作小門(mén)下降過(guò)程中，門(mén)頂過(guò)流為非恒定流過(guò)程，需要對(duì)流量進(jìn)行積分，獲得間隙水充滿時(shí)工作小門(mén)的運(yùn)行時(shí)間。

工作小門(mén)門(mén)頂過(guò)流量Q可利用無(wú)側(cè)收縮系數(shù)的矩形薄壁堰過(guò)流公式進(jìn)行計(jì)算：

(1)

式中：B為堰寬(m)；H為堰頂水頭(m)；m0為考慮行進(jìn)流速水頭影響的流量系數(shù)，可根據(jù)雷伯克公式計(jì)算：

(2)

式中：P為上游堰高(m)。

(3)

(4)

式中：σ為淹沒(méi)系數(shù)；hs為下游堰上水頭(m)；z為上、下游水位差(m)。

景洪升船機(jī)工作小門(mén)總行程3.5 m，勻速下降速度約為0.018 ms，下面分別計(jì)算工作小門(mén)門(mén)頂露出水面0.5、1.0 m兩種典型工況下，門(mén)頂過(guò)水至間隙水充滿的時(shí)間。

1)工作小門(mén)門(mén)頂露出水面0.5 m時(shí)，間隙總體積V=55.8 m3。工作小門(mén)開(kāi)始下降至門(mén)頂入水的時(shí)間t1=27.8 s；對(duì)式(3)在時(shí)間上進(jìn)行積分，計(jì)算可得工作小門(mén)門(mén)頂入水后，在水中下降時(shí)間t2=23.5 s(圖4)，工作小門(mén)于臥倒門(mén)間隙水位即可達(dá)到與上游引航道水位齊平；則工作小門(mén)開(kāi)始下降至間隙水充滿的時(shí)間t(=t1+t2)=51.3 s，間隙水充滿時(shí)工作小門(mén)門(mén)頂?shù)剿娴木嚯x為0.42 m。

2)工作小門(mén)門(mén)頂露出水面1.0 m時(shí)，根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖計(jì)算間隙總體積V=46.5 m3。工作小門(mén)開(kāi)始下降至工作小門(mén)門(mén)頂入水的時(shí)間t1=55.6 s；對(duì)式(3)在時(shí)間上進(jìn)行積分，計(jì)算可得工作小門(mén)門(mén)頂入水后，在水中下降時(shí)間t2=21.4 s(圖4)，工作小門(mén)于臥倒門(mén)間隙水位即可達(dá)到與上游引航道水位齊平；則工作小門(mén)開(kāi)始下降至間隙水充滿的時(shí)間t(=t1+t2)=77.0 s，間隙水充滿時(shí)工作小門(mén)門(mén)頂?shù)剿娴木嚯x0.39 m。

圖4 工作小門(mén)門(mén)頂過(guò)流體積隨時(shí)間變化過(guò)程線

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，景洪升船機(jī)在上游對(duì)接時(shí)，工作小門(mén)下降時(shí)間為51～77 s，間隙水位即可與上游引航道水位齊平，工作小門(mén)下降總時(shí)間為196 s，兩者相減可得工作小門(mén)繼續(xù)下降所需時(shí)間為119～145 s。另一方面，“開(kāi)啟承船廂臥倒門(mén)+降落防撞梁”兩項(xiàng)操作共計(jì)耗時(shí)107 s，因此，在工作小門(mén)繼續(xù)降落的同時(shí)，可完成“開(kāi)啟承船廂臥倒門(mén)+降落防撞梁”兩項(xiàng)操作。以上從理論計(jì)算的角度驗(yàn)證了工作小門(mén)啟閉是控制線路，優(yōu)化方案可行。在實(shí)際操作時(shí)，可安裝水位傳感器作為判斷間隙水位與上游引航道水位齊平的依據(jù)，作為觸發(fā)船廂臥倒門(mén)開(kāi)啟的命令。

上游解除對(duì)接優(yōu)化流程中，需要明確的問(wèn)題是：在臥倒門(mén)完全關(guān)閉時(shí)工作小門(mén)門(mén)頂是否已升出水面，若工作小門(mén)在臥倒門(mén)完全關(guān)閉前出水，則會(huì)導(dǎo)致間隙水升高溢出，影響周?chē)O(shè)備。現(xiàn)場(chǎng)原型觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示防撞梁提升時(shí)間為32 s，臥倒門(mén)關(guān)閉時(shí)間為80 s，工作小門(mén)關(guān)閉用時(shí)為172 s，“防撞梁提升+臥倒門(mén)關(guān)閉”共耗時(shí)112 s，若工作小門(mén)關(guān)閉與“防撞梁提升+臥倒門(mén)關(guān)閉”同時(shí)啟動(dòng)，臥倒門(mén)可以在工作小門(mén)出水前關(guān)閉到位，因此優(yōu)化方案可行。

4 上游對(duì)接流程優(yōu)化效果

升船機(jī)運(yùn)行控制系統(tǒng)按優(yōu)化運(yùn)行流程修改后，進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，重點(diǎn)檢驗(yàn)優(yōu)化流程的可行性和優(yōu)化后的運(yùn)行時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化流程運(yùn)行良好，到達(dá)了預(yù)期效果。

上游對(duì)接過(guò)程共耗時(shí)312 s，相比優(yōu)化前耗時(shí)縮短了近107 s，節(jié)省對(duì)接時(shí)間約25%；上游解除對(duì)接過(guò)程共耗時(shí)473 s，工作小門(mén)和防撞梁同時(shí)開(kāi)始操作，臥倒門(mén)能夠在工作小門(mén)出水面前完全關(guān)閉，相比優(yōu)化前耗時(shí)縮短了112 s，節(jié)省解除對(duì)接時(shí)間近20%。

5 結(jié)語(yǔ)

1)景洪升船機(jī)在上游對(duì)接時(shí)，工作小門(mén)在開(kāi)啟過(guò)程中以門(mén)頂過(guò)流的方式兼顧間隙水充水，以積分計(jì)算工作小門(mén)開(kāi)啟過(guò)程中間隙水充滿所需要的時(shí)間作為依據(jù)，確定工作小門(mén)開(kāi)啟為控制線路。

2)上游對(duì)接(解除對(duì)接)優(yōu)化流程為：將工作小門(mén)開(kāi)啟(關(guān)閉)、臥倒門(mén)開(kāi)啟(關(guān)閉)和防撞梁降落(提升)3個(gè)操作由串聯(lián)工序，改為并聯(lián)工序，在工作開(kāi)啟(關(guān)閉)過(guò)程中，同步完成“臥倒門(mén)開(kāi)啟(關(guān)閉)+防撞梁降落(提升)”兩項(xiàng)操作，優(yōu)化方案中，臥倒門(mén)開(kāi)啟的判斷條件是間隙水位與上游引航道水位齊平。

3)原型觀測(cè)表明，采取優(yōu)化的對(duì)接流程可在確保升船機(jī)對(duì)接安全的前提下，節(jié)省上游對(duì)接時(shí)間約25%，節(jié)省解除對(duì)接時(shí)間近20%，提高水力式升船機(jī)的運(yùn)行效率。