水口水电站泄洪闸门远方自动控制研究

方元芳

摘 要：水口水电站泄洪闸门的控制方式采用自动控制和远方集中控制系统。基于此，本文主要介绍水口水电站泄洪闸门运行过程中存在的问题，并提出对应措施，以期实现水电站泄洪闸门远方自动控制。

关键词：泄洪设备；远方控制；提升

中图分类号：TV663；TV736 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）19-0084-03

Study on Remote Automatic Control of Flood Discharge

Gate of Shuikou Hydropower Station

FANG Yuanfang

（Fujian Shuikou Power Generation Group Co.， Ltd.，Fuzhou Fujian 350004）

Abstract： Automatic control and remote centralized control system are adopted to control flood discharge gates at Shuikou Hydropower Station. This paper mainly introduced the existing problems in the running process of flood discharge gate of Shuikou Hydropower Station， and put forward corresponding measures in order to realize the remote automatic control of the flood discharge gate of the hydropower station.

Keywords： a flood discharge equipment；a remote control； a lift.

1 水口水电站泄洪闸门远方自动控制概况

水口水电站设有12孔溢洪道，是枢纽工程的主要泄洪设施。每孔设有一扇弧形工作闸门，采用液压启闭机操作。受限于20世纪80年代初的机械设备加工能力，为解决孔口尺寸超大的溢洪道弧形工作闸门的启闭问题，中国水电顾问集团华东勘测设计研究院成功开发研制了一种新的机型——接力式液压启闭机，其具有行程“以短代长”和容量“以小代大”的特点。每套接力式液压启闭机由4只主液压缸、4只副液压缸、1个液压泵站、液压控制阀组以及电控设备等组成。吊点布置在闸门面板上，最大限度地增加启门力臂后，启门力仅为2×1 400kN；每一液压缸最大行程仅为2.67m，闸门全开经7次转换接力完成，大大降低了液压缸的制造难度[1，2]。

2 水口水电站泄洪闸门远方自动控制现状与存在问题

从1993年投入运行至今二十余年，接力式液压启闭机经受了历年的启闭运行考验，表明该机型工作原理正确，总体布置方案可行，但运行中尚存在如下问题，导致远方自动控制无法正常运行：①受当时技术水平的限制，双吊点采用了开环同步纠偏系统，导致闸门启闭过程出现偏斜而损坏侧水封；②由于部分弧门面板上导轨表面平整度不够，存在换钩不可靠的隐患，启闭过程需要操作人员现场监视；③国产液压泵运行多年，容积效率低，闸门启闭速度比设计值降低较多；④油箱容积偏小，运行时油液温升偏高；⑤部分液压缸活塞杆存在镀铬层剥落现象。

因此，需应用现有的技术及设计理念对设备进行有针对性的改造，以达到远方自动控制及提升运行安全可靠性的目的。

3 解决水口水电站泄洪闸门远方自动控制问题的措施

3.1 液压系统改进方案及优化内容

3.1.1 液压系统改进方案。液压缸有无杆腔采用不同的供油方式。本文共提出以下2套液压系统原理方案。

方案一：每台启闭机共配置5套泵组，高压泵组共3套，向液压缸有杆腔供油，两用一备工作；低压泵组共2套，向液压缸无杆腔供油，一用一备工作。双吊点同步偏差控制采用闭环纠偏控制系统，每个吊点的2套液压缸有杆腔和无杆腔独立供油，采用拉杆代替原设备的副缸功能，避免了原液压系统无杆腔串联带来的互相干扰问题，提高了每个吊点2缸反向运动的同步控制能力。

方案二：每个吊点的2套液压缸无杆腔采用可控的串联方式，每台启闭机共配置2套泵组，向液压缸有杆腔供油，一用一备工作。其他设备除阀组外，与方案一相同，但通过每个吊点两缸无杆腔采用的可控串联手段，使其具有方案一的全部功能。其中，空载缸双缸同步控制仅需在行程末端进行纠偏，由于本方案油源系统电动机功率配置比方案一小，因此更节能。

3.1.2 优化内容。双吊点同步偏差控制改用闭环纠偏控制系统，双吊点的同步偏差信号直接取自闸门。调试过程中，根据门槽的实际情况，可直接调整闸门启闭时的运行姿态，避免侧水封因过度挤压而磨损。

方案一：提升缸与下降缸分别由高压泵组与低压泵组控制，提高系统对液压缸反向同步性能的控制，并为取消副缸创造条件。

方案二：每个吊点2套液压缸无杆腔采用可控串聯方式，空载缸双缸同步仅需在行程末端进行纠偏，启门时提升缸先动作，闭门时下行缸先动作，为取消副缸及泵组按一用一备配置创造条件。

3.2 增加闭环同步偏差控制功能及双吊点同步偏差检测装置

为有效控制闸门启闭运行的姿态，系统设置了双比例调速阀并联二通调速阀的闭环同步偏差控制回路，通过控制有杆腔的进、出油量实现启闭过程中的双缸同步纠偏目标。

原液压系统影响弧形闸门双吊点不同步的原因：液压缸和液压系统不可避免地存在内外泄漏和液压管道液阻差的问题，使得2套持门缸的进出油量差异引起行程偏差；对应4只主液压缸，弧门面板上设有4列导轨和吊耳板，共分7次交替接力完成闸门的启闭操作，各吊耳轴中心线之间的间距制造、安装误差引起2套持门缸的行程累计偏差。

为有效解决上述制造、安装误差引起的累积偏差对闸门启闭运行姿态的影响，采用2套外置式双吊点同步偏差检测装置，安装于孔口闸墩的两侧墙上，传动钢丝绳与布置在闸门边梁后翼缘上的固定点连接。2套空载缸同步偏差检测信号取自每套液压缸总成的内置式行程检测装置，该装置安装在拉杆上端，带有3付上、下行程极限开关，其开关量输出信号用于接力转换备用控制信号。2种检测装置的检测元件均为绝对型光电编码器。

3.3 增加防脱轨导轮装置

为解决空载液压缸升降运行全程的平稳性，需设置防脱轨导轮装置。原设计利用弧门面板上的两片吊耳板作为导轮轨道，由于吊耳板切割端面未进行机械加工，作为导轮的两轨顶面存在高差，使得空载缸吊钩在运行时出现摇摆现象，严重时还会出现脱轨倾向。

增加的导轮装置按照保证空载液压缸升降运行全程不脱轨和不影响带载工况运行的原则设计。在吊钩与活塞杆吊头连接轴两端跨弧门面板上两条吊耳板各安装一个导向轮，利用弧门面板作为导轮的滚动面，弧门面板的平整度可防止产生严重的摇摆现象，运行全程，导轮与吊耳板之间有足够的侧向限位高度，避免出现脱轨倾翻的情况。

3.4 液压缸行程检测装置改进

液压缸行程检测装置用于空载缸行程偏差值信號的检测，以及为电液控制系统提供接力转换信号。本次改造设计液压缸行程检测装置采用内置式行程检测装置，安装于拉杆结构端部，检测元件采用绝对型光电编码器，由不锈钢传动钢丝绳通过卷筒和恒力自卷复位弹簧驱动编码器旋转，能真实、精确地检测液压缸行程。

3.5 电气同步方面的改进

3.5.1 闸门同步控制。在闸门启闭过程中，安装于弧形闸门两侧的行程检测装置全程连续检测弧形闸门左右两边的行程偏差，当偏差值≥20mm（可调）时，系统自动调整持门缸的电液比例流量阀的开口大小，当偏差值≤10mm（可调）时，纠偏调节停止。当两只液压缸的行程偏差值≥30mm（可调）时，液压系统自动停机并发出报警信号。

3.5.2 空载缸同步控制。在闸门启闭过程中，液压缸行程检测装置全程连续检测空载缸的行程偏差，当偏差值≥8mm（可调）时，液压系统自动调整空载缸的电液比例和流量阀的开口大小，当双缸行程偏差值≤5mm（可调）时，纠偏调节停止。当行程偏差值≥20mm（可调）时，液压系统自动停机并发出报警信号。在行程末端的非串联状态，空载缸的同步偏差需根据液压缸行程检测装置提供的偏差信号进行纠偏控制，以满足双吊点翻钩动作基本一致的要求[3-10]。

3.6 电气控制设备的要求

3.6.1 远程监控。液压启闭机要具有远方控制能力，其电控柜内应留有与计算机监控系统坝顶LCU及其远程I/O连接的开关量和模拟量输入输出接口，同时应具有与监控系统的通信接口。

3.6.2 现地控制要求。控制柜内设有1套PLC，用于闸门的控制。具有顺控、调节、过程输入/输出、数据处理和外部通信功能。微处理器应具有高抗干扰性和低功耗性，字长至少为16位。CPU存储器应有内部电池支持，保证数据及软件程序不因工作电源消失而丢失，电池工作寿命不少于2年，一旦电池异常，应对外输出报警信号。PLC的主要执行程序和应用程序应以EEPROM的方式固化在CPU中。PLC模块应具有自检功能，对硬件和软件进行经常监视。I/O硬件应采用标准单元插件式，同类插件应有互换性。I/O模块应按交流和直流电源分开，以防止电气干扰和混淆。闸门开度（行程）检测装置可采用数据通讯方式与PLC进行数据交换，接口应满足现场总线的连接要求，如有必要，应提供通讯协议转换器。

3.6.3 闸门水封喷淋装置控制。液压启闭机电控柜设有闸门水封喷淋润滑装置操作程序，开启或关闭闸门前应先开启喷淋装置，闸门开启或关闭到位，液压系统停机后，关闭喷淋装置，并具备自动与手动切换的开关。

4 结语

水电站泄洪闸门远方集中控制是智能化电站建设的趋势。本文根据运行中存在问题，提出对应措施，以期设备通过升级改造能达到远方自动控制的运行方式。

参考文献：

[1]张剑.基于PLC的水电站泄洪闸门现地控制系统的研究[D].南昌：南昌工程学院，2017.

[2]姜明忠，潘军伟，杨乐.桃源水电站泄洪闸浮式检修闸门及门库门安装探讨[J].水电站机电技术，2016（S1）：51-52.

[3]田启文，靳孟贵，张敬，等.坪头水电站2#泄洪闸基础处理设计方案的优化与安全性论证[J].安全与环境工程，2014（3）：159-164.

[4]何源望，李伟，刘棉场，等.桃源水电站泄洪闸弧形门制造[J].水力发电，2014（6）：82-84.

[5]刘锦，张晓莉，严谨.中川水电站泄洪闸泄流能力模型试验[J].西北水电，2017（5）：74-77，81.

[6]靳帅，李建清.泄洪闸应急控制系统在枕头坝水电站的应用[J].水电与新能源，2018（3）：68-71.

[7]高远贵，高山，崔露丹.沙湾水电站泄洪冲砂闸闸基处理有限元数值计算研究[J].西昌学院学报（自然科学版），2018（2）：9-12.

[8]刘辉，周道明.安谷水电站泄洪冲沙闸弧形工作闸门安装质量控制[J].四川水力发电，2018（1）：83-85.

[9]石太军，杨德超.深溪沟水电站泄洪闸预应力闸墩设计[J].水电站设计，2013（2）：31-33.

[10]张竞予，陈俊杰.某水电站泄洪洞预应力闸墩三维有限元分析[J].东北水利水电，2017（11）：4-5，8.