冗余设计理念在水电站起重机中的应用

张 磊，龚 平，楼晓阳，黎东辉，张 钰

（水利部产品质量标准研究所，浙江杭州 310012）

1 立项背景

水电站起重机的用途很多，通常担负着水轮发电机组的转子、定子、转轮等关键设备安装、运行维护和检修吊装任务，检修闸门、泄洪闸门、工作闸门等各种闸门的启闭，水体清污及一些其他重要机电设备的安装检修等任务。一旦水电站起重机发生故障，极有可能会造成重大安全事故。如2016年6月10日，贵州省黔东南州黎平县双江水电站闸门工作电源及备用电源因灾中断，导致起重机因失电而无法操作，造成洪水漫坝事故，导致电站厂房及进厂公路被淹，水轮发电机组和监控系统进水，沿河两岸的双江镇双江村低洼处进水并不同程度受灾；2003年3月9日10时38分，左江美亚水电厂厂房桥式起重机在吊装时，工作制动器突然失效，起重机吊装空中停车时无法制动，造成重物坠落事故，造成1人死亡、1人重伤、1人轻伤，直接经济损失217.7万余元，间接经济损失1 600万元。

2 冗余设计在水电站起重机中的应用

2.1 起升机构冗余设计

起升和下降是起重机最基本的功能，起升机构也是起重机最重要的部件，特别是水电站起重机，一旦起升机构失效，将会造成不可估量的事故。为保证水电站起重机的安全，相关水利标准和招标文件通常对起升机构零部件的安全系数和使用系数要求很高，使所选零部件有足够的安全富余量，实现保守设计。提高安全系数固然可增加水电站起重机安全性，但水电站起重机的工作级别和机构的使用等级非常低，平时维保人员维保不到位，设备长时间不使用，还是会出现各种故障。只有提升起升机构整体可靠性，采用系统冗余设计，才能保证起升系统的稳定与安全。系统冗余设计是指重复配置某些关键部件，当系统任何一个位置发生故障时，系统冗余设备或部件就可介入工作，承担已损失设备或部件的部分功能，为系统提供服务，保证设备系统运行的连续性，以避免发生事故。下面简单介绍两项起升机构系统冗余设计方案。

（1）驱动装置安全冗余。为保证驱动系统的整体可靠性，驱动系统采用双倍配置，当一套驱动系统发生故障，另一套完全相同的驱动系统即可投入工作，以保证设备完成起吊工作。设计分为两个部分：①减速箱采用双高速轴输入形式，驱动采用两套电机，减速箱高速轴端安装两个相同功率的电机。起升电机功率按照单电机作业起升载荷所需的功率进行计算。正常作业时两个电机同时工作，如果一个电机发生故障，另一个完全相同功率的电机同样满足起吊载荷的要求。②每组驱动配两个高速制动器，如果一个制动器发生故障，另外一个制动器同样能够起到安全制动作用。

（2）钢丝绳缠绕安全冗余。水电站起重机基于其用途特殊性，一般采用的都是双联绕绳。目前行业内还是常用1个吊点1根钢丝绳的绕绳方式。一旦钢丝绳断裂或钢丝绳固定端脱落，将会造成吊装事故。为增加起升机构绕绳系统的可靠性，钢丝绳缠绕需进行安全冗余设计。取消常见平衡滑轮，采用平衡梁设计，由1个吊点1根绳绕绳方式变为1个吊点两根绳绕绳方式。这样，就算其中1根绳子出现问题，也不会发生吊物坠落的情况。设计方案如图1所示。

图1 安全冗余滑轮组

2.2 电气系统冗余设计

为保证水电站起重机的安全性与可靠性，电气设计要考虑到冗余，电气冗余需从3个方面考虑，即电源冗余、可编程序控制器（PLC）冗余、控制方式的冗余。

（1）电源冗余。当需提起闸门或放下闸门时，突然停电会造成设备无法操作，从而酿成重大事故，因此电气设计时需考虑双回路电源。当正常电源突然断电时，设备会自动切换到备用电源，一些电站虽然设置了备用电源，但备用电源和主电源为同一路电源，起不到备用的目的，为此，在福建莆田蓝色海湾项目中采用柴油发电机为备用电源。

现在很多工程都引入了中央集控室，在中央集控室可控制和监视每一台启闭机的运行，当启闭机输入电源出现故障断开时，需中央集控室及时感知并报警，需启闭机的控制和通讯部分不能断电，以便保持启闭机与中央控制室通讯的畅通，作为启闭机控制电源的冗余，启闭机的PLC 需UPS 不间断电源来支撑。

（2）可编程序控制器（PLC）冗余。可编程序控制器（PLC）作为电子元器件的产品，存在着死机的风险，当水电站遇到情况需操作启闭机时，如果遇到PLC 死机的情况，会造成重大安全事故和电站运行事故。为避免这种事故风险，电气设计上采用PLC 冗余设计，用两台PLC 组成一个通讯环网，在环网内，一台PLC 出现死机，另一台PLC 自动接管，完成启闭机的控制和上位机的通讯。

（3）控制方式的冗余。常规继电器控制电路作为PLC 冗余的替代方案，具有价格低廉、控制可靠的优点。在PLC 控制电路的同时，备用1套常规继电器控制电路，当PLC 发生死机时，切换到常规继电器控制电路，使启闭机仍然能正常运行，避免发生危险和事故。

常规继电器控制电路的优点是可靠性大于PLC控制电路，缺点是更改线路、更改控制方案较困难、不能与中央控制室进行通讯。

2.3 冗余应急系统设计

水电站起重机经常会吊运一些检修闸门、泄洪闸门、工作闸门等。通常起吊物件较重，起吊高度较高。一旦吊装时失效，将会非常危险。因此进行冗余应急系统设计是必要的。水利部产品质量标准研究所已在多个水电站项目中设计并运用了冗余应急系统。如“波波里水电站2×1 250 kN 固定卷扬式启闭机项目液压应急阻尼系统”“尼泊尔塔纳湖水电站项目门机项目和尼泊尔三金固定卷扬式启闭机应急手摇装置”“水利工程闸门启闭机应急装置”等。

（1）液压应急阻尼系统。水利部产品质量标准研究所在波波里水电站尾水事故闸门2×1 250 kN 固定卷扬式启闭机项目中，采用的液压应急阻尼系统完美解决了吊装时吊物坠落问题，该套装置如图2所示。

图2 冗余应急系统

整套液压阻尼系统由液压站系统、电控柜、液压马达、联轴器、输油管及支架等部件组成，阻尼制动终端与起升机构的减速机高速轴相连。正常起降状态下，该套系统不参与工作。一旦起升机构制动失效，起吊闸门高速下降，减速器高速轴的高转速将会触发液压应急阻尼系统工作。随着下落速度越来越快，产生的液压阻尼力将会越来越大，最终起吊闸门会在阻尼力的作用下以一个较为安全的速度，匀速降至门槽地坎。

（2）应急手摇装置。当突然停电或驱动电机损坏，又急需提起闸门时，设备有1套应急手摇装置是必要的。水利部产品质量标准研究所在尼泊尔塔纳湖水电站项目多套起重设备中应用了应急手摇装置。该套装置主要由爪型离合器、限位传感器、手摇减速器、棘轮防回转装置、摩擦型驱动摇把等零部件组成，如图3所示。其工作原理为：一般情况下，该套机构不参与工作，爪型离合器与减速器高速轴分离，限位传感器处于常闭状态。当驱动电机无法工作时，该套机构投入工作。首先，就位爪型离合器、限位传感器打开，电机失电。然后，操作人员便可通过摩擦型驱动摇把驱动减速器提起闸门。这里通过棘轮防回转装置配合摩擦型驱动摇把工作，实现机构单向驱动功能，以防止在操作人员操作过程中突然失力，闸门坠落带动摇把反向高速回转而打伤操作人员。该套装置在实现功用的同时，完成了本质安全设计，是一套成熟可靠的冗余应急装置。

图3 应急手摇装置

（3）水利工程闸门启闭机应急装置。闸门启闭机应急装置是采用最近端、独立可互换、“电源+动力”备用设计，在超标准洪水、事故断电等应急情况下，确保闸门安全启闭，消除事故隐患，同时实现闸门开度精准测量、手机智能化管控。该装置利用蓄电池低压拖动技术、物联信息技术、SAAS 平台技术，实现动力与电源一体化备用，远程信息电源、电动机、操控系统等出现故障的应急状况下，通过投入这套装置，可迅速带动启闭机，完成闸门的开启和关闭，从而大幅提高水库、水电站、水利枢纽、航运河道、引水工程、泵站等水利设施防洪防灾的安全可靠性。其特点在于同高程安装，独立保障电源与动力，机械、电气互锁设计，机械离合切换，较为安全；刹车联动，操作与正常启闭闸门一致，断电后在启闭机旁离合投入，无需倒闸切换即可启闭闸门，操作便捷，反应迅速；同步实现信息化，在线监控闸门与装置状态，检测蓄电池充放电过程，判断蓄电池健康状况，运维智能。水利工程闸门启闭机应急装置已在浙江钦寸水库、泰顺双涧溪水库、宁海县下洋涂小壳屿闸站等多处水利枢纽工程中得到运用。

冗余应急系统的使用响应标准SL/T 381—2021《水利水电工程启闭机制造安装及验收规范》第5.5条“启闭机的无电应急操作装置应满足与本机快速连接的要求，安全可靠，操作维护方便。”内容要求和NB/T 10341—2019《水电工程启闭机设计规范》中“泄洪工作闸门启闭机应设置应急电源，同时宜增设无电应急启闭操作装置。导流洞封堵闸门启闭机宜增设无电应急闭门操作装置。”“操作泄洪系统工作闸门的移动式启闭机，在其起升、运行机构中宜设有无电应急操作装置”等内容要求。

3 结束语

水电站起重机在水利枢纽工程中起着至关重要的用途。其安全性与可靠性通常直接决定着水利枢纽工程安全。为防止由于水电站起重机失效而造成重大安全事故甚至是灾难，水电站起重机冗余设计是必要的。文章结合国内外具体项目案例，系统全面地介绍了冗余设计理念在水电站起重机中的应用。相信随着科技的进步，水电站起重机的设计会越来越完善，冗余设计会更加全面地应用到水电站起重机设备上，使水电站起重机更加安全、可靠。