一種卷揚(yáng)啟閉機(jī)遠(yuǎn)程應(yīng)急操作方式及應(yīng)用

林巧鋒，簡偉奇，林一拓，吳榮文，高 冬，于德海，唐 英

（1.福建棉花灘水電開發(fā)有限公司，福建 龍巖 364031；2.北京世紀(jì)合興起重科技有限公司,北京 102627）

0 引言

水電站溢洪道閘門的及時(shí)、準(zhǔn)確啟閉控制,是保障水電站運(yùn)行安全的重要措施。卷揚(yáng)式啟閉機(jī)多以電動機(jī)為動力源，驅(qū)動傳動及卷筒機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)閘門的啟閉操作[1]。為保障啟閉機(jī)運(yùn)行安全，應(yīng)對電源供應(yīng)故障、電動機(jī)故障及電控系統(tǒng)故障等情況，需要配備一定的應(yīng)急保護(hù)措施。常規(guī)應(yīng)急措施有柴油發(fā)電機(jī)備用電源、雙回路備用電機(jī)等方案，都是基于高電壓高功率驅(qū)動形式，因此在雷電、涉水、閘門卡阻等特殊工況下存在一定的使用局限性。為卷揚(yáng)啟閉機(jī)增設(shè)其他非電力驅(qū)動方式是十分必要的。

本文根據(jù)棉花灘水電開發(fā)有限公司溢洪道弧形閘門2×2 000 kN卷揚(yáng)啟閉機(jī)的技術(shù)參數(shù)及布局圖，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際使用情況，進(jìn)行以柴油發(fā)動機(jī)為動力，由液壓驅(qū)動的遠(yuǎn)程應(yīng)急操作器系統(tǒng)的開發(fā)。在應(yīng)急操作過程中，不需要高壓動力電源的輸入，在控制中心通過光纖通信可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程應(yīng)急操作。經(jīng)安裝、測試、運(yùn)行等工作，驗(yàn)證了產(chǎn)品應(yīng)用的可行性。該類型應(yīng)急操作系統(tǒng)的增設(shè)，提高了閘門啟閉機(jī)運(yùn)行安全保障，有效解決現(xiàn)場失電、電機(jī)、電控系統(tǒng)故障無法工作的問題，是現(xiàn)有應(yīng)急機(jī)制的有效補(bǔ)充。

1 現(xiàn)有卷揚(yáng)啟閉機(jī)系統(tǒng)簡介

棉花灘水電廠位于福建省龍巖市境內(nèi)汀江干流的河段上，主要作為福建電網(wǎng)系統(tǒng)調(diào)頻、調(diào)峰運(yùn)行。棉花灘水電站工程為引水式電站，總庫容20.35億m3，總裝機(jī)容量600 MW，年平均發(fā)電量15.2億kW·h。棉花灘水電廠設(shè)開敞式溢洪道3孔，配有3扇弧形閘門，3臺雙吊點(diǎn)雙電機(jī)卷揚(yáng)啟閉機(jī)可動水啟閉，局部開啟。

卷揚(yáng)啟閉機(jī)參數(shù)如下：

每臺啟閉機(jī)電機(jī)數(shù)量：2 臺

額定啟門力：2×2 000 kN

電機(jī)型號：YZR280M-10

電機(jī)功率：45 kW

電機(jī)轉(zhuǎn)速：573 r/min

啟閉速度：1.1 m/min

起門高度：17.5 m

吊點(diǎn)中心距：14.12 m

完整啟閉機(jī)系統(tǒng)為圖1以低速同步軸為中心的左右對稱部分。

圖1 卷揚(yáng)啟閉機(jī)布局圖

2 遠(yuǎn)程應(yīng)急操作方案及實(shí)施

（1）應(yīng)急方案的配置

增設(shè)的遠(yuǎn)程無電應(yīng)急操作系統(tǒng)包含應(yīng)急操作器本體、電磁離合器、動力單元、應(yīng)急控制柜、制動器液壓驅(qū)動器等部件[2]。基本布局見圖2，3孔閘門布局方式一致。

圖2 遠(yuǎn)程應(yīng)急操作系統(tǒng)布局圖

圖3 應(yīng)急操作系統(tǒng)運(yùn)行流程

在應(yīng)急操作器本體內(nèi)包含液壓油路、液位液溫傳感器、電磁閥組、液壓油、液壓馬達(dá)等。液壓馬達(dá)輸出軸經(jīng)電磁離合器連接到雙出軸電機(jī)的備用輸入軸。動力單元包含柴油發(fā)動機(jī)、啟動電池、液壓管路及液壓泵等，并配以相關(guān)電氣控制元件。動力單元啟動后輸出高壓液流，驅(qū)動應(yīng)急操作器內(nèi)液壓馬達(dá)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩；在液控系統(tǒng)驅(qū)動制動器釋放后，經(jīng)電磁離合器帶動電動機(jī)、減速機(jī)、卷筒等機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)閘門起升及下降的操作。應(yīng)急控制柜包含邏輯控制模塊、通信模塊、采集器等電氣元件，可在現(xiàn)地控制面板操作，也可經(jīng)光纖通信到控制中心進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。閘門的開度值通過多圈絕對值編碼器進(jìn)行實(shí)時(shí)通信采集，并與應(yīng)急狀態(tài)信號、閘門限位保護(hù)、運(yùn)行時(shí)間、系統(tǒng)壓力等進(jìn)行連鎖保護(hù)。

（2）遠(yuǎn)程應(yīng)急操作系統(tǒng)的選型計(jì)算

根據(jù)棉花灘水電站卷揚(yáng)啟閉機(jī)已知參數(shù)計(jì)算如下：

計(jì)算所需應(yīng)急操作器功率：

P應(yīng)急=電機(jī)功率×安全系數(shù)

=55×1.15

=63.25 kW

根據(jù)功率計(jì)算，選擇MQHGTD-60-YK（FDDI）型無電應(yīng)急操作器。

表1 應(yīng)急操作器性能參數(shù)

應(yīng)急操作器額定功率83.4 kW，600 r/min，大于所需的應(yīng)急計(jì)算功率63.25 kW，滿足使用需求。

計(jì)算電機(jī)扭矩：

M電機(jī)=9550×電機(jī)功率/電機(jī)轉(zhuǎn)速

=9550×55/569

=923 N·m

所選應(yīng)急額定扭矩1 328 N·m，大于計(jì)算電機(jī)扭矩923 N·m，滿足使用需求。

根據(jù)以上選型對比：應(yīng)急操作器的輸出扭矩、功率等性能滿足使用要求。

3 遠(yuǎn)程應(yīng)急操作系統(tǒng)運(yùn)行方式

（1）遠(yuǎn)程應(yīng)急操作系統(tǒng)的特點(diǎn)

為卷揚(yáng)啟閉機(jī)增設(shè)的遠(yuǎn)程應(yīng)急操作系統(tǒng)，依靠柴油發(fā)動機(jī)作為動力，應(yīng)急操作時(shí)無需外部輸入高壓動力電源，無人員觸電傷害風(fēng)險(xiǎn)[3，4]。在現(xiàn)場失電后進(jìn)入應(yīng)急狀態(tài)時(shí)，電磁離合器自動接入啟閉機(jī)系統(tǒng)，響應(yīng)速度快；恢復(fù)供電時(shí)，電磁離合器自動斷開，不干擾啟閉機(jī)正常運(yùn)行[5]。遠(yuǎn)程應(yīng)急操作系統(tǒng)“一鍵運(yùn)行”功能操作簡單，運(yùn)行可靠，減少人員在緊急狀況時(shí)的誤操作。在應(yīng)急時(shí)，人員可不到現(xiàn)場操作，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)及降低人員風(fēng)險(xiǎn)。遠(yuǎn)程應(yīng)急操作系統(tǒng)配有實(shí)時(shí)視頻采集攝像頭，可在控制中心觀察現(xiàn)地應(yīng)急運(yùn)行狀況，做到實(shí)時(shí)監(jiān)測，針對異常狀況及時(shí)采取措施。遠(yuǎn)程應(yīng)急操作系統(tǒng)可滿足全行程的應(yīng)急起門、閉門操作。

（2）遠(yuǎn)程應(yīng)急操作系統(tǒng)運(yùn)行流程

遠(yuǎn)程應(yīng)急操作系統(tǒng)具有現(xiàn)地手動操作、現(xiàn)地電控操作、遠(yuǎn)程自動操作等不同運(yùn)行模式。應(yīng)急控制柜采集應(yīng)急操作器內(nèi)的液位、溫度、壓力、開度等傳感器的信號；結(jié)合在動力單元內(nèi)的發(fā)動機(jī)控制、調(diào)速，調(diào)整制動器、液壓動力執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出，實(shí)現(xiàn)閘門的啟閉控制。在應(yīng)急操作過程中，實(shí)時(shí)判斷閘門開度、離合器連接狀態(tài)、現(xiàn)場視頻監(jiān)測狀態(tài)，以保證應(yīng)急操作的有效性及可靠性[6]。

為方便現(xiàn)場應(yīng)急操作，減少應(yīng)急響應(yīng)時(shí)間和操作錯誤，根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置“一鍵起門”功能鍵。以保證在緊急特殊情況下，通過遠(yuǎn)程一鍵按鈕，自動實(shí)現(xiàn)閘門起升1 m開度，達(dá)到快速泄洪的目的。“一鍵起門”功能運(yùn)行邏輯框圖如圖4所示。

圖4 一鍵起門邏輯框圖

遠(yuǎn)程應(yīng)急操作系統(tǒng)同時(shí)具有“一鍵落門”功能，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程單次點(diǎn)動按鈕完成閘門應(yīng)急全行程閉門。

4 總結(jié)

經(jīng)過項(xiàng)目實(shí)際安裝、測試驗(yàn)證，增設(shè)的遠(yuǎn)程應(yīng)急操作系統(tǒng)在現(xiàn)地手動、現(xiàn)地電控、遠(yuǎn)程自動等多種運(yùn)行方式下都實(shí)現(xiàn)了溢洪道閘門全行程的起升和下降操作，功能及指標(biāo)滿足現(xiàn)場失電狀態(tài)下的遠(yuǎn)程應(yīng)急使用要求。無電應(yīng)急操作系統(tǒng)運(yùn)行精度高、可靠性好；日常維護(hù)簡單，易于操作。項(xiàng)目的實(shí)施為溢洪道卷揚(yáng)啟閉機(jī)在現(xiàn)場失電的情況下安全運(yùn)行提供了進(jìn)一步的保障措施，也為其它類似工程應(yīng)用提供了驗(yàn)證數(shù)據(jù)及借鑒經(jīng)驗(yàn)。

無電應(yīng)急操作系統(tǒng)在運(yùn)行過程中無需高電壓大電流電源輸入，避免操作者觸電風(fēng)險(xiǎn)，保證了人員的安全性。提供低轉(zhuǎn)速大扭矩輸出，提升力擴(kuò)容的特點(diǎn)可應(yīng)對多種特殊工況。增設(shè)遠(yuǎn)程無電應(yīng)急操作器消除了現(xiàn)有啟閉機(jī)的潛在風(fēng)險(xiǎn)，是水電工程應(yīng)急起門操作的一種創(chuàng)新方式，是閘門應(yīng)急預(yù)案中必不可少的應(yīng)急設(shè)備。增設(shè)無電應(yīng)急操作系統(tǒng)，進(jìn)一步提高現(xiàn)有溢洪道閘門啟閉機(jī)的可靠性，可以保障水電站、大壩的安全，社會效益及經(jīng)濟(jì)效益突出，應(yīng)用前景十分廣泛。