望亭水利枢纽降低上下游闸门联动操作耗时研究

戴晓烨 史益鲜

(太湖流域管理局苏州管理局，江苏 苏州 215000)

1 基本情况

望亭水利枢纽是太湖流域防洪和供水的主要控制工程之一，采用“上槽下洞”立交布置形式，上部为钢筋混凝土矩形槽，下部为矩形涵洞，设计流量400m3/s。望亭发电厂位于望亭水利枢纽下游，装机容量274万kW。望亭水利枢纽工程主要功能：行洪期控制望虞河泄洪水位和泄量；非行洪期与望虞河常熟枢纽配合引长江水入太湖；上游主体工程8号、9号孔闸门与下游三孔节制闸协同操作，保证望亭电厂供水安全。

2 启闭操作优化背景

望亭电厂利用望亭上游主体工程8号、9号孔(常年开启)引太湖水作为电厂机组冷却用水，同时为避免电厂冷却水排出后回流，在下游7号、8号孔间增设隔墙，在立交下游涵首右岸约134m处设三孔节制闸(常年关闭)。

《望亭电厂取水口节制闸运行管理办法》中要求：当导流隔水墙内外水位差较大且有继续加大的趋势时，则开启下游节制闸，关闭望亭水利枢纽上游8号、9号闸门，平衡隔水墙内外水位差。《望亭水利枢纽运行安全复核报告》明确规定：隔墙采用悬臂式钢筋混凝土挡墙，内外水位差不应超过80cm。同时，在取水口日常维护服务委托管理合同中要求：闸门启闭操作不宜超过30min。

近年来，受极端天气影响，频繁出现工程下游水位迅速上涨，且显著高于上游的情况。若启闭上游主体工程8号、9号孔及下游三孔节制闸的时间超出30min，则可能导致隔墙内外水位差超过80cm，进而影响隔墙结构安全和电厂稳定运行，甚至引发隔墙坍塌和电厂机组宕机等安全生产事故，威胁华东地区的社会经济发展。因此，对上游主体工程8号、9号孔及下游三孔节制闸的闭启操作进行优化、改进很有必要。

3 原因分析

3.1 下游节制闸行程装置老旧

下游节制闸开启时，闸内外水位差往往较大，两侧压差时常导致升卧式闸门无法正常卧倒，闸门冲顶或滚轮撞击轨道的现象时有发生，威胁工程运行安全。当前操作中采用“一控制+一观察”的双人分段操作形式，一人在闸室操作，另一人在室外观察，开启闸门至一定高度后，等待水位差减小，再行开启闸门。现有行程装置仅有双触点，对上述分段操作的适应性不强，只能手动停止后再行开启，操作耗时长。

3.2 工字钢自重大

为保障电厂冷却水供应，上游主体工程8号、9号孔闸门常年呈锁定状态(见图1)。闸门启闭涉及两侧工字钢的抽取和复位。闸孔四周设有围栏，工字钢抽放操作空间小，工字钢较大的自重决定了抽放时间因人而异。

3.3 未实现远控及与工字钢联动功能

上游8号、9号孔虽具备远控硬件条件，但软件层面未予开放，启闭仍通过现地控制实现。当前工字钢抽放与闸门操作由同一组人员进行，操作人员对运行状况的认识更直接、更清晰，但需要在现地控制柜和工字钢现场多次折返，操作时间无法保证，闸控过程中出现的问题也无法得到及时处置。

3.4 上下游闸门联动自动化控制未实现

为保障电厂冷却水的供应，上游主体工程8号、9号孔的关闭、开启与下游三孔节制闸的开启、关闭是顺次开展的。在闸门联动操作过程中，因上下游闸门未实现“一键式”联动远控的功能，操作人员在上下游之间折返操作，耗时长，且闸门联动操作多发生在紧急情况和恶劣天气条件下，操作效率更是大打折扣。

3.5 操作规程未及时修订

《望亭电厂取水口节制闸运行管理办法》规定：当导流隔水墙内外水位差达0.80m且有继续加大的趋势时，则开启下游节制闸，平衡隔水墙内外水位差。《望亭水利枢纽运行安全复核报告》则指出：两侧水位差不应大于0.8m。近年极端天气频发，受此影响，水雨情在短时间内变化速度快，需在操作规程中对隔水墙所能承受的最大水位差作进一步明确。

4 对策制定与实施

4.1 修订管理办法

4.1.1 分析水位差演变规律

采用2016—2019年的数据进行统计，其间，上游主体工程8号、9号孔和下游节制闸累计启闭307次，分别统计每次水位差由30cm、40cm、50cm、60cm、70cm上涨至80cm的时间(见2016—2019年水位差增长时间统计表、图2)。

2016—2019年水位差增长时间统计表

图2 水位差增长历时折线图

由图2可知，2016—2019年307次启闭期间，水位差自30cm、40cm开始增长至80cm的历时均超过现有闸门联动操作耗时(31.95min)。水位差自50cm增长至80cm的历时，平均值超过闸门联动操作耗时，但历次统计中的最短时间(32.9min)接近闸门联动操作耗时(31.95min)。

4.1.2 修订管理办法

考虑最不利情况，将50cm水位差作为闸门联动操作的临界点，即当导流隔水墙内外水位差达0.50m且有继续加大的趋势时，开启下游节制闸，以平衡隔水墙内外水位差，修订《望亭电厂取水口节制闸运行管理办法》并以文件发布。

4.2 更换行程装置

4.2.1 更换绝对值光电编码器

下游节制闸行程装置为“链条传动+机械码表”，受限于使用寿命和结构型式，行程装置出现了不同程度的误差，影响闸门启闭。后选用DY-Ⅱ型起升高度限制器替代原有行程装置，该装置采用绝对值光电编码器，抗干扰能力强、无须掉电记忆，使用寿命长且稳定可靠。

4.2.2 设置多触点机械限位

下游节制闸开启时，闸内外水位差往往较大，闸下水流湍急，两侧压差时常导致升卧式闸门无法正常卧倒。通过分析研究，起升闸门时应先将三孔闸门依次提升至最大竖直高度(1.7m开度)，待闸下水流趋于稳定后，再依次将三孔节制闸提升至最大开度。更换后的DY-Ⅱ型起升高度限制器，具备4个可调限位位置的限位开关，除全开、全闭2道限位以外，在闸门提至1.7m开度时另设置一道限位。如此一来，下游三孔节制闸提升至最大竖直状态时将自动停止，操作人员确认无误后继续提升，直至最大开度。

4.2.3 更换PLC现地控制柜

更换PLC控制柜，控制柜具备“上升、下降、停止、急停”的现地控制功能，同时提供现地、自动、远程三挡控制方式，兼容闸门远控。控制柜集成ZWY-4Ⅲ型开度测控仪，能同步数显开度数据和闸门左右荷载。

针对升卧式闸门的提升特点，在PLC控制柜端对起升高度限制器传递的位移信息进行处理，分段设置不同比例，保证行程数显的准确性。同时，开度测控仪的使用，为电子限位的设置提供了条件。机械+电子的“双限位”设置，为闸门启闭操作提供了更为安全的“双保险”。

4.3 设置工字钢自动锁定装置

4.3.1 安装液压推杆

安装液压推杆，电机纵向布置，工字钢与液压推杆刚性连接，工字钢在液压推杆作用下，沿固定轨道做平移运动。

4.3.2 设置限位装置

为保证工字钢自动抽放装置运行安全，每部装置分别配备推进限位和回程限位，限位与状态指示灯关联。现场控制器设置“推进、回程、停、急停”按钮(见图3)。

图3 上游8号、9号孔闸门锁定、解锁流程

4.4 工字钢自动抽放接入上游孔闸门远控

4.4.1 开发上游孔远控操作功能

参照1～7号孔控制程序，完善并开放上游8号、9号孔远控功能。

4.4.2 安装工字钢远控硬件设施

为实现工字钢远控操作，安装现场监控设备2台，安装与闸门自动锁定装置驱动连接的闸门控制模块和闸门锁定模块。闸门控制模块包括与闸门驱动连接的控制电机主回路一，与控制电机主回路一互联的闸门开启回路和闸门关闭回路，以及与控制电机主回路一互联的控制电源监视回路一；闸门锁定模块包括与限位杆驱动连接的控制电机主回路二，以及与控制电机主回路二互联的推杆推顶回路和推杆回收回路以及控制电源监视回路二。现场控制器增设“远程 现地”切换按钮。

4.4.3 编写闸门联动自动控制程序

编制工字钢与上游8号、9号孔闸门联动自动化控制流程，在上游8号、9号孔远控程序基础上，编写工字钢与上游8号、9号孔闸门联动自动控制程序。

4.5 搭建上下游联动自动化控制平台

4.5.1 下游增设水位遥测及视频监控设备

下游节制闸内外水位差是闸门操作的重要参考，在下游增设水位遥测设备，数据实时传输至计算机控制界面。增设视频监控设备，视频信号实时传输至控制计算机。

4.5.2 制定上下游节制闸联动操作规程

当工程经历台风、暴雨、高水头等多种因素影响时，上下游水位变化迅速，为保证下游隔水墙安全，工程现场需要提前预判、及时处置。

当隔水墙内外水位差迅速增长至0.5m且有继续加大的趋势时，则及时开启下游节制闸，关闭上游主体工程8号、9号孔，以平衡隔水墙内外水位差。操作流程如下(恢复操作参照执行)：开启下游节制闸闸门至1.7m开度，闸门由竖直位转为倒卧位；完全关闭上游8号、9号孔闸门；待下游节制闸闸下水流趋于稳定，将其由1.7m开度全开至躺卧位。

4.5.3 编写上下游节制闸联动操作程序

将上游主体工程8号、9号孔，工字钢及下游节制闸远控操作进行整合，彻底打通“联动+自动”控制的最后一公里。控制软件能实时显示上游主体工程8号、9号孔及下游节制闸的开度、控制状态、取水口上下游水位等数据。主要功能包括8号孔解锁和锁定，9号孔解锁和锁定，8号、9号孔与下游节制闸一键联动开启，8号、9号孔与下游节制闸一键联动关闭等。

5 结 语

通过采取修订操作规程、更换行程装置、设置工字钢自动锁定装置等措施，降低了望亭水利枢纽上下游闸门联动操作耗时，节约了经济成本，切实提升了闸门操作系统的可靠性，为守护隔水墙运行安全、保障望亭发电厂机组冷却水供应和发电效率提供了有力支持。