水位波動對沙沱升船機閘門調整的影響分析和優化應用

劉珂

（貴州省沙沱通航管理處，貴州 銅仁 565300）

烏江沙沱升船機為全平衡鋼絲繩卷揚式垂直升船機，設計規模500t 級，最大提升高度75.38m。設計上游最高通航水位365.00m，最低通航水位353.50m；設計下游最高通航水位300.38m，最低通航水位289.62m。

1 閘門的結構特點

正常通航時，閘首工作門是升船機的擋水門，上（下）閘首工作門布置于過壩渠道最末端（下閘首最前端），均為帶臥倒小門的下沉式平面鋼閘門，呈U型結構。

上閘門擋水底高程348.50m，最大工作水頭16.50m，可適應上游水位的變幅。臥倒小門可適應1.65m通航水位變化。下閘門擋水底高程285.12m，最大工作水頭15.26m，可適應下游航道水位的變幅。臥倒小門可適應1.95m 通航水位變化。水位變幅超過臥倒小門適應數值時，由閘門帶壓操作，適應水位變化。工作時，閘門兩側的鎖定機構鎖定在門槽內。

2 閘門的工作原理

沙沱升船機上閘首工作門設置有7 個停位和7 個鎖定位，下閘首工作門設置有6 個停位和6 個鎖定位。停運時，閘門均處在最高停位（也稱“停運位”），且閘門鎖定裝置處在鎖定狀態。

閘首調整子程序設計為3 種模式。分別是初始化閘門調整（見圖1）、水位變化的閘門調整（見圖2）和下班停運閘門調整。調整規則：運行系統自動采集水位值和閘首工作門高程值，PLC 程序根據采集的數據值，按預設區間自動判定閘門目標停位。閘門的升降動作：從當前停位，提升到對應鎖定位，執行解鎖，然后從鎖定位升降至目標停位對應的鎖定位，執行鎖定后，下降到目標停位。

圖1 “初始化”閘門調整界面圖

圖2 水位變化閘門調整界面圖

3 臨界值水位波動對閘門調整的影響

沙沱水電站總裝機容量1120MW。4 臺機組運行時，發電負荷變化較為頻繁，下泄流量變化較大，下游水位變幅也較大，影響升船機的安全運行。通航時，申請機組穩定發電負荷，保障通航水位的相對穩定，但水位波動不可避免。

3.1 水位波動特性

當機組發電負荷穩定時，分別采集了2 個小時在臨界值（上游361.70m 和下游291.52m）波動的水位值數據，以分鐘為單位，分別繪制了上游水位波動曲線圖（見圖3）和下游水位波動曲線圖（見圖4）。

圖3 上游水位波動曲線圖

圖4 下游水位波動曲線圖

據圖3和圖4可知：上游水位波動頻率低于下游水位波動頻率，上游水位波動起伏緩于下游水位波動起伏。在選取的時間段內，上游水位最高值和最低值相差0.06m；下游水位最高值和最低值相差0.11m，通航水位相對穩定。

將水位連續超過臨界值的時長記為正值，將連續低于臨界值的時長記為負值，統計后，得到上游水位區間時長圖（見圖5）和下游水位區間時長圖（見圖6）。在采集的時間段內，上游共有16 次時長，下游共有52次時長。據圖可知，在不考慮上游水位呈現下降趨勢外，上游和下游水位區間時長多在5 分鐘以內。

圖5 上游水位區間時長圖

圖6 下游水位區間時長圖

3.2 水位波動帶來的影響

以上閘首工作門為例，上游水位在臨界值（361.70m）波動時，水位高于臨界值時，閘首工作門應停在6＃停位；水位低于臨界值，上閘首工作門應停在5＃停位。上游水位臨界值波動，船廂和閘首工作門處于解除對接狀態時，PLC 程序將中斷主提升機的運行，提示“水位上漲，需提升閘門”或“水位下降，需下降閘門”，需反復手動執行閘門調整子程序，影響升船機的正常穩定運行。現行工作機制，不能快速有效地實現機組運行負荷的臨時增減，確保通航水位波動不受臨界值影響。因此，需采用技術方式，消除臨界值水位波動的影響。

4 確立優化思路

4.1 設計思路

通航水位值按區間劃分，閘門適應水位區間停位，閘門高程呈“階梯狀”調整。思路一：變更設計，對閘首工作門高程采用手動賦值，預留安全高度，使閘門高程可隨水位值呈“線性”調整，不受臨界值影響。思路二：維持當前設計，考慮在閘門調整程序段中增加延時功能。水位波動，閘門高度安全可控。水位變幅，亦可執行閘門調整程序。

4.2 便捷性和安全性分析

采用思路一，需變更設計，PLC 程序編寫和HMI人機界面編程，難度較大，調試周期長，不易操作；閘門高程“線性”變化后，閘門的鎖定裝置將會棄用，閘門啟閉機帶壓運行，不適應長時間運行，若液壓管路爆裂，設備安全性無法保障；閘門預設安全高度，運行安全可以保障。

采用思路二，需對PLC 程序段進行優化，增加延時功能，操作較為容易。增加延時功能后，延時閘門提升時，閘門高程高于臨界值超0.7m，延時閘門下降時，閘門門檻水深2.7m（高于承船廂有效水深2.5m），參考沙沱水位波動情況，運行安全可控。經比選，思路二安全性更高，且容易操作。

5 優化方案應用

明確采用增加延時功能的優化方案后，需解決三個問題：一是功能流程的設計；二是延時數值的確定；三是程序段的優化。

5.1 功能流程的設計

圖7 功能流程圖

5.2 延時數值的確定

船舶過壩時，經多次運行統計，升船機主提升的運行時長均為7 分鐘，結合上游和下游水位區間時長大多在5 分鐘以內的特性，宜選擇延時數值為5 分鐘。

5.3 程序段優化

考慮到上游水位相對穩定，閘門調整PLC 程序段中僅需增加TON 指令即可，延時閘門下降和延時閘門提升。

考慮到下游水位變幅較大，將臨界值上下放寬30mm（見圖8），規定在重疊區間內，優先提升閘門；同時，在閘門調整PLC 程序段中增加TON 指令，延時閘門提升（見圖9）和延時閘門下降（見圖10），保障升船機穩定運行。

圖8 臨界值上下放寬30mm 程序段圖

圖9 閘門延時下降程序段圖

圖10 閘門延時上升程序段圖

6 結語

烏江沙沱升船機閘首工作門子站的PLC 程序段，已實施了優化，經多次運行驗證，尤其是機組負荷穩定時，通航水位在臨界值波動，延時滿足控制需求，解決了水位波動帶來的影響，保障了沙沱升船機穩定安全運行。