吳華明，李文森

（大唐巖灘水力發(fā)電有限責(zé)任公司，廣西 大化 530811）

巖灘1×250t垂直升船機(jī)運行情況分析探討

吳華明，李文森

（大唐巖灘水力發(fā)電有限責(zé)任公司，廣西 大化 530811）

簡要介紹巖灘1×250t級垂直升船機(jī)總體情況和運行特點，以及近幾年通航過程中影響運行的經(jīng)常性問題，重點對升船機(jī)運行中發(fā)現(xiàn)的不足之處進(jìn)行探討分析，并提出解決建議。

升船機(jī);運行;探討

1 巖灘升船機(jī)總體概況

巖灘升船機(jī)布置在電站樞紐左岸，由上下游引航道及編隊碼頭、擋水壩段、通航明渠、上閘首、下閘首、塔柱、主機(jī)房及中控室等主要建筑物組成。升船機(jī)土建工程于1999年3月竣工，機(jī)電設(shè)備于1995年10月完成招標(biāo)，1997年10月完成制造和廠內(nèi)聯(lián)調(diào)，1997年底開始現(xiàn)場設(shè)備安裝，1999年12月完成設(shè)備安裝和現(xiàn)場調(diào)試并投入試運行，2000年5月通航。

巖灘升船機(jī)設(shè)計最大通航船舶250t鐵駁船，型長37m，型寬9m，滿載吃水深1.27m。設(shè)計年貨運量180萬t，其中下航140萬t，上航40萬t。上游通航水位為▽212m～▽223m，下游通航水位為▽154.5m～▽162.6m。通航凈空8.3m，最大提升高度68.5m，空中升降速度11.4m/min,升降加速度±0.01m/min。雙向運行時間45min。

主機(jī)設(shè)在▽240.6m高程的主機(jī)房內(nèi)，由4套卷揚機(jī)構(gòu)與4套滑輪組組成。卷揚機(jī)構(gòu)通過剛性同步軸聯(lián)成環(huán)形封閉同步系統(tǒng)，卷筒直徑3200mm。承船廂吊點數(shù)64個，采用德國CASAR外層緊湊膠，直徑￠52mm鍍鋅鋼絲繩。工作制動器和安全制動器采用法國SIME公司的1TX型和XH18型盤式制動器。

承船廂系梁格體系薄壁凹槽型鋼結(jié)構(gòu)，兩端各設(shè)有臥倒式鋼閘門。承船廂尺寸48.5m×16.2m×4.4m，有效水域 38.5m×10.8m,額定水深 1.7m～1.85m,承船廂載水后總重1430t。

2 巖灘升船機(jī)主要設(shè)計運行方式

2.1 升船機(jī)通航設(shè)計運行方式

巖灘升船機(jī)通航初始設(shè)計有自動運行和手動運行方式，以自動運行方式為主。其中自動運行又分為以下四個部分：1、雙向運行（A）:船舶下行在先，船舶上行在后。2、雙向運行（B）:船舶上行在先，船舶下行在后。3、單向下行:船舶下行，無船上行。4、單向上行:船舶上行，無船下行。

升船機(jī)運行方式選擇原則是根據(jù)上游與下游來船數(shù)量確定，如同一時段上游來船量多于下游來船量，則可選擇雙向運行方式（A），反之，可選擇雙向運行方式（B）；如同一時段上游有來船，下游沒有，則可選擇單向下行方式，反之，可選擇單向上行方式。

下面以運行步驟較全面的雙向運行（A）方式對升船機(jī)自動運行方式加以說明 。

（1）升船機(jī)中控室發(fā)出各子站準(zhǔn)備命令。命令發(fā)出后，上閘首、主提升、承船廂、下閘首各個PLC子站開始檢測一系列信號及動作條件，條件滿足后，各PLC子站發(fā)出子站準(zhǔn)備好命令。

（2）中控室收到各PLC子站發(fā)出的準(zhǔn)備好命令后，工作人員根據(jù)上下游來船數(shù)量選擇雙向運行（A）方式運行。

（3）承船廂從223.00m高程向下運行至上游對接位置 （即承船廂額定水深線與上游引航道水位齊平，下同）。

（4）承船廂與上閘首對接，執(zhí)行對接程序。

（5）船舶沿上游引航道、中間渠道進(jìn)廂，船舶系好纜繩后，工作人員發(fā)出系纜信號。

（6）解除承船廂與上閘首對接，執(zhí)行對接解除程序。

（7）承船廂下降運行至下游對接位置 （即承船廂額定水深線與下游引航道水位齊平，下同）。

（8）承船廂下游端臥倒門開啟。

（9）船舶解纜出廂,工作人員發(fā)出解纜信號。

（10）當(dāng)下行船舶駛過錯船段，上行船舶沿下游引航道進(jìn)廂，船舶系好纜繩后，工作人員發(fā)出系纜信號。

（11）承船廂下游端臥倒門關(guān)閉。

（12）承船廂上升運行至上游對接位置。

（13）承船廂與上閘首對接，執(zhí)行對接程序；

（14）船舶解纜、出廂，沿上游中間渠道、引航道駛向上游航道或編隊碼頭。

這就是雙向運行（A）方式的全部流程。以上運行步驟除了需要承船廂工作人員發(fā)出系纜、解纜信號外，全部由電腦監(jiān)控程序自動完成。其他三種自動方式只是此方式部分內(nèi)容，步驟更少。

手動運行方式下，上閘首與承船廂對接，臥倒門開關(guān)，承船廂上行、下行，全部由人工控制運行。

2.2 升船機(jī)工作大門設(shè)計運行方式

升船機(jī)工作大門布置在上游航道，大門上設(shè)置有通航臥倒門，大門內(nèi)設(shè)置有對接密封框，是通航的關(guān)鍵設(shè)備。工作大門為下沉式平面定輪鋼閘門，雙吊點，吊距為17.42m,吊桿為兩根直徑325mm的主拉桿，每根主拉桿總長26.9m，有效升降高度24.8m。工作大門的啟閉機(jī)型式為液壓步進(jìn)式，啟閉機(jī)容量為2×2×1500kN（即二臺啟閉機(jī)，每臺啟閉機(jī)有二只油缸，每一只油缸的啟閉力為1500kN），兩臺液壓啟閉機(jī)分別布置在上閘首航道兩側(cè)224m高程上。主拉桿上均勻分布有許多凸臺，凸臺之間的距離為400mm，啟閉機(jī)每一動作流程大門升降的高度就是400mm。此設(shè)計方式的特點是大門升降完畢后，啟閉機(jī)鎖定油缸就把主拉桿凸臺鎖定，大門重量就由鎖定油缸和機(jī)架承受，利于大門的安全穩(wěn)定。

巖灘升船機(jī)工作大門初始設(shè)計有自動運行和手動運行方式，以自動運行方式為主。啟閉機(jī)提升一節(jié)大門（大門上升400mm）的動作過程如下：

（1）啟動鎖定回路油泵，操作上鎖定油缸卡住主拉桿（抱閘）。

（2）啟動起升回路油泵，操作起升油缸帶動升降梁上升80mm，起升油缸自動停止。

（3）操作下鎖定油缸退出主拉桿臺階（松閘）。（4）操作起升油缸帶動升降梁、主拉桿及工作閘門上升400mm起升油缸自動停止。

（5）操作下鎖定油缸卡住主拉桿（抱閘）。

（6）操作起升油缸，使升降梁下降80mm，起升油缸自動停止。

（7）操作上鎖定油缸退出主拉桿臺階（松閘）

（8）操作起升油缸，使升降梁下降400mm，此時又進(jìn)入下一閘門起升工作循環(huán)。

工作大門下降400mm與此類似，也必須要經(jīng)過這些步驟，只不過步驟動作的先后順序不同。

3 升船機(jī)運行方式的不足之處及解決方法

3.1 升船機(jī)通航自動運行方式

3.1.1 升船機(jī)自動運行的設(shè)計構(gòu)想

按照升船機(jī)自動運行的設(shè)計，操作人員只需要根據(jù)上下游船舶情況選擇不同的運行程序，過船過程基本不用人工干涉，屬于自動化程度很高的設(shè)計流程，可以大大減少操作人員的操作步驟，減少人為判斷及誤操作的風(fēng)險。

3.1.2 實際通航過程中遇到的問題

在實際通航過程中，升船機(jī)自動運行方式碰到了很多問題，直接導(dǎo)致自動運行方式很難實施。原因如下：

（1）自動運行方式下監(jiān)控程序要檢測大量信號及動作條件。其中任何一個設(shè)備動作不正常或檢測信號異常，均會造成升船機(jī)自動運行停止。中控室電腦發(fā)出各子站準(zhǔn)備命令時，上閘首子站自動啟動上游水位計，把防撞梁提到離水面800mm，把工作大門提升到離水面600mm到1100mm；主提升子站自動啟動潤滑站，啟動四臺傳動冷卻風(fēng)機(jī)，啟動安全制動器泵站；承船廂子站自動投入電纜卷筒電源，啟動四臺液壓泵站并關(guān)閉溢流閥上壓；下閘首子站自動啟動下游水位計，并開始交通燈的控制。

（2）自動運行程序很不完善。當(dāng)承船廂從初始位置223m高程運行一段距離后，如某個設(shè)備出現(xiàn)故障導(dǎo)致升船機(jī)停止運行，當(dāng)工作人員處理設(shè)備正常后，自動運行程序就不能接著剛才停止的地方繼續(xù)運行，而必須回到初始位置223m高程重新開始程序。

（3）設(shè)備可靠性不高，設(shè)備故障過多導(dǎo)致自動運行經(jīng)常中斷運行流程。自動運行時需要很多設(shè)備配合運行，這些設(shè)備運行時間長后，這些設(shè)備的各種信號如：電壓、電流、壓力、溫度、水深、水位、位移、位置等，經(jīng)常會出現(xiàn)異常,導(dǎo)致升船機(jī)故障而停止運行。

3.1.3 解決上述問題辦法探討

為了避免自動運行時出現(xiàn)的各種缺點，同時又簡單易行，避免對現(xiàn)有設(shè)備的大幅更新改造，做以下運行功能設(shè)想：

放棄一個運行方式包括全部過船流程的做法，可以大大減少需要檢測的信號及動作的設(shè)備。不必按船舶情況設(shè)立過多運行方式，不管上下游船舶情況如何，其實每次運行都是由幾個關(guān)鍵步驟組成：上閘首與承船廂對接；解除對接；下行到下游對接位；上行到上游對接位。因此可以把運行功能分解為三大塊：對接和解除對接；下行到下游對接位；上行到上游對接位。

此種運行方式優(yōu)點：

（1）無論上下游船舶情況如何，均可滿足要求。

如雙向運行方式（A）可以分解為：先選擇“對接”，等待船舶開進(jìn)承船廂后“解除對接”，再選擇“下行到下游對接位”，然后承船廂工作人員打開下游臥倒門，等待船舶完成進(jìn)出承船廂后，關(guān)閉下游臥倒門，再選擇“上行到上游對接位”，又開始“對接”循環(huán)。其他情況大致相同。

（2）此種運行方式下，監(jiān)控程序只檢測與其運行功能相關(guān)的信號條件。如：對接時只需要檢測承船廂在對接位置、密封框推出到位、充水到位等信號。其他主提升、承船廂、下閘首信號異常不會停止對接程序運行。

（3）下行到下游對接位和上行到上游對接位程序功能就是手動運行功能，目前已經(jīng)具備，只需要開發(fā)對接和解除對接功能即可。

3.2 上閘首工作大門自動運行

3.2.1 工作大門自動運行的設(shè)計構(gòu)想

按照工作大門自動運行的設(shè)計，上閘首PLC子站將實時檢測比較大門頂部高程和上游水位高程之間的距離，當(dāng)上游水位上漲過多時，啟動啟閉機(jī)，把大門往上提升；當(dāng)上游水位下降過多時，啟動啟閉機(jī)，把大門往下降落，始終保持大門頂部比上游水位高出600mm到1100mm之間，這是通航需要的合適高度。

3.2.2 實際運行操作中遇到的問題

在實際運行操作中，工作大門自動運行方式碰到了很多問題，直接導(dǎo)致工作大門自動運行方式很難實施。原因如下：

（1）工作大門啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制流程復(fù)雜，極易出現(xiàn)故障。

（2）工作大門啟閉機(jī)運行時需要檢測的數(shù)字量、模擬量信號眾多，當(dāng)某個信號異常時，啟閉機(jī)就不能正常運行。如：鎖定油缸鎖定到位和開鎖到位的檢測（16個檢測開關(guān)），升降梁位置開關(guān)信號（上下限位和四個工作位置共12個檢測開關(guān)），還有接觸器吸合、電機(jī)過載、油路堵塞等信號。

（3）上閘首自動運行程序很不完善，硬件設(shè)備的可靠性也有待提高。程序中一些閉鎖及保護(hù)功能不強(qiáng)，曾經(jīng)引起設(shè)備的誤動作，造成啟閉機(jī)故障損壞。大門鎖定運行時經(jīng)常出現(xiàn)卡阻，使工作大門處于自動運行方式時很不安全。

3.2.3 解決上述問題辦法探討

上閘首工作大門步進(jìn)式啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制流程復(fù)雜，檢測設(shè)備眾多，啟閉機(jī)動作大門升降緩慢，每個動作距離必須是400mm，缺乏靈活性，而且可靠性不高。傳統(tǒng)的鋼絲繩卷揚式啟閉機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，控制可靠易行，應(yīng)該可以采用。

鋼絲繩卷揚式啟閉機(jī)與液壓步進(jìn)式啟閉機(jī)的對比分析：

（1）同步控制對比：鋼絲繩卷揚式啟閉機(jī)控制簡單可靠，同步控制只需要通過設(shè)置同型號電機(jī)、變速箱和同步軸就可使大門兩邊吊點達(dá)到同步升降。液壓步進(jìn)式啟閉機(jī)同步控制由位移傳感器將兩岸升降梁的位移量信號傳送至上閘首PLC進(jìn)行比較，根據(jù)誤差極性，輸出信號電壓到相應(yīng)的VT5004放大器，再輸出信號到比例流量控制閥進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，使相應(yīng)的油缸速度改變，才能實現(xiàn)兩岸起升油缸的同步控制。

（2）設(shè)備投資對比：鋼絲繩卷揚式啟閉機(jī)的構(gòu)成只需要兩套電機(jī)、減速箱、鋼絲繩卷筒等。液壓步進(jìn)式啟閉機(jī)的構(gòu)成需要8套油泵電機(jī)組（其中啟升油泵4套，鎖定油泵4套），集成閥組4套，液壓油缸12個（其中啟升油缸4個，鎖定油缸8個），各類檢測開關(guān)28個，以及復(fù)雜的PLC運算控制。

（3）運行速度對比：鋼絲繩卷揚式啟閉機(jī)啟門速度一般可達(dá)到1.2m/min以上，由于速度較快，就可放棄原來的大門隨水位升降而升降的設(shè)計，平時一律保持大門在最高位置，有船舶通航時再下降到合適位置通航，這樣做避免了晚上無人值守時大門被洪水淹沒的危險。液壓步進(jìn)式啟閉機(jī)啟門速度現(xiàn)場實測只有0.2m/min，以上游平均水位221m計算，大門從最高位置223.6m下降2m需要10min以上。因此，大門根據(jù)上游水位變化自動運行不夠安全，每次運行后都提升到最高位置又浪費較多時間。

4 升船機(jī)設(shè)計中其它不利于運行維護(hù)的問題

4.1 主提升機(jī)房設(shè)計地面高程▽240.6m問題探討

4.1.1 主提升機(jī)房地面高程▽240.6m的設(shè)計考慮

主提升機(jī)房地面高程是按照升船機(jī)最大通航凈空確定的。升船機(jī)的最大通航凈空為8.3m，以壩頂高程▽233.0m為例，當(dāng)上游處于最高通航水位223m時，水面至壩頂門機(jī)鋼梁底▽231.3m，高程是：231.3-223=8.3m,正好等于升船機(jī)最大通航凈空高度。

升船機(jī)中控室設(shè)計位于主提升機(jī)房正下方，航道正上方，中控室地面高程是▽234.9m，其中底部梁高3m，板厚0.5m，因此中控室底部最低高程是：234.9-3-0.5=231.4m，則最大通航凈空是231.4-223=8.4m，也是剛好滿足最大通航凈空要求。所以主提升機(jī)房樓面高程▽240.6m是由于中控室布置的位置占據(jù)了通航凈空造成的。

4.1.2 主提升機(jī)房地面高程▽240.6m設(shè)計的不利之處

（1）同樣是為了保證最大通航凈空8.3m，主提升機(jī)房地面高程比壩頂高程高了240.6-233=7.6m，這必然導(dǎo)致建筑工程量的增加，還增加了主提升鋼絲繩的無效長度，對鋼絲繩卷筒的尺寸也有影響。

（2）降低了升船機(jī)主體段建筑的穩(wěn)定性。升船機(jī)主體段包括船廂室、塔柱、機(jī)房。主體段建基高程145m，機(jī)房地面高程240.65m，屋面高程257.1m，主體段總高112.1m。每當(dāng)電站溢流壩泄洪時，升船機(jī)塔柱就會感覺到明顯的晃動，這對升船機(jī)安全運行有很不利的影響。

4.2 升船機(jī)中控室布置地點探討

升船機(jī)中控室應(yīng)考慮與主提升機(jī)房布置于同一高程，這樣就可降低機(jī)房地面高程，增加升船機(jī)主體段建筑的穩(wěn)定性。具體位置可以布置在上閘首上方，延長主提升機(jī)房的長度，和機(jī)房連為一體。還可以和上閘首啟閉機(jī)房一同布置。

4.3 主提升機(jī)房空間設(shè)計問題探討

4.3.1 設(shè)計的不利之處

主機(jī)房凈空尺寸偏小，沒有設(shè)備安裝間，造成設(shè)備的安裝和維修困難；一些設(shè)備的孔洞也偏小，如主機(jī)力矩繩與樓板孔洞凈距不到50mm；主提升機(jī)的兩側(cè)出繩，一側(cè)與承船廂連接，另一側(cè)與平衡重連接而構(gòu)成一（部分）平衡系統(tǒng)，存在不平衡力矩，致使主機(jī)傳動系統(tǒng)存在內(nèi)應(yīng)力，因此造成主提升機(jī)維修時拆卸與安裝困難。

較大的設(shè)備物資運到主提升機(jī)房門口時，主提升橋機(jī)主鉤及電動葫蘆均不能到達(dá)門口位置，只好斜拉起吊，起吊過程極易碰撞現(xiàn)場設(shè)備，物資裝卸極不方便。主提升設(shè)備大修時，將沒有足夠的維修場地，而設(shè)備旁邊的走道，又因為橋機(jī)吊鉤無法到達(dá)而不方便使用，對設(shè)備大修的開展極為不利。

4.3.2 主提升機(jī)房吊物空間及維修場地探討

把主提升機(jī)房的長度往上游延長5m左右，就可獲得足夠的吊物空間。設(shè)備維修時，又可以作為維修場地使用。

4.4 主提升低速減速器潤滑系統(tǒng)加熱和冷卻問題探討

主提升共設(shè)置8個低速減速器，潤滑方式為集中強(qiáng)制循環(huán)潤滑，每個低速減速器都配備一臺潤滑油泵站，在升船機(jī)工作前3min啟動向各設(shè)備進(jìn)行噴油潤滑。潤滑油采用N320中極壓齒輪油，潤滑油泵站設(shè)有列管式冷卻器利用冷卻水進(jìn)行換熱冷卻，冷卻水工作流量:200L/min，回油溫度超溫報警（≥50℃）。還設(shè)有電加熱器，電加熱器功率:3kW×6，用于氣溫太低時對潤滑油進(jìn)行加熱。

冷卻系統(tǒng)運行方式：在上閘首的217.00m高程布置2臺冷卻水泵，利用預(yù)埋的吸水管吸水，吸水口高程為211.50m，水泵一用一備。水泵的出水管設(shè)支管，接水工原理設(shè)計的沖淤管，作冷卻系統(tǒng)排水用，也用于沖淤用。為實現(xiàn)水路切換，支管上設(shè)電動蝶閥，并與水泵聯(lián)鎖:水泵開，蝶閥關(guān)；水泵關(guān)，蝶閥開。從而保證啟動不同的水泵時，水流能逆向流動，防止冷卻水系統(tǒng)管路堵塞。在240.73m高程布置了一組冷卻水管路，用于向8臺潤滑站供水，并將熱的回水排回沖淤管。

4.4.1 潤滑系統(tǒng)加熱和冷卻功能探討

（1）加熱功能：紅水河流域?qū)儆趤啛釒夂?，巖灘地區(qū)多年平均氣溫20.4℃，冬天最冷天氣一般也在5℃以上，不會造成潤滑油凝結(jié)現(xiàn)象。事實上，自升船機(jī)投運以來，潤滑站加熱功能也從來沒有使用過。

（2）冷卻功能：升船機(jī)雙向運行時間約為45min，其中與上閘首對接時間約為20min，在空中運行約為15min，在下游水中等待時間約為10min。這說明在一個運行周期的45min內(nèi)，低速減速器真正運轉(zhuǎn)的時間只有15min。而且低速減速器外形尺寸較大，長×寬×高 =5500×2120×2750（mm），也非常有利于潤滑油的空氣自然冷卻，因此運行過程中潤滑油溫度升高并不大，溫升達(dá)到10℃左右，就達(dá)到平衡不再升高，運行中從沒達(dá)到50℃的超溫報警溫度。事實上，自升船機(jī)投運以來，冷卻水泵從未啟動，潤滑站冷卻功能也從來沒有使用過。

4.4.2 解決辦法探討

（1）潤滑站加熱功能沒有必要，完全可以拆除。

（2）潤滑站冷卻功能目前沒有投入的必要，等待紅水河全線通航，升船機(jī)年貨運量達(dá)到設(shè)計的180萬t額定值后，再逐步檢驗潤滑油空氣自然冷卻的效果，屆時再決定是否保留潤滑站冷卻功能。

4.5 升船機(jī)電梯不能到達(dá)主提升層

4.5.1 設(shè)計的不利之處

升船機(jī)電梯豎井設(shè)計處于主提升橋機(jī)運行軌道內(nèi)，因此電梯機(jī)房的安裝高度受到了橋機(jī)的限制，導(dǎo)致電梯的最高層只能到達(dá)中控室層。升船機(jī)的所有大件物資設(shè)備，都是運到主提升機(jī)房后，再用橋機(jī)卸車。然而，如果是屬于中控室或承船廂的設(shè)備，就只能用人力扛到第二層后，才能用電梯運送，樓層高5m，用人力運送大件物資非常的不便。

4.5.2 解決辦法探討

電梯豎井位置設(shè)計應(yīng)該處于橋機(jī)運行軌道外面，這樣電梯機(jī)房的安裝高度就不會受到橋機(jī)的限制，電梯的最高層就可以設(shè)在主提升層，升船機(jī)大件物資設(shè)備的運送就會方便得多。

巖灘升船機(jī)正式投運10年來，盡管貨運通航量由于流域沒有全線通航的原因不多，但升船機(jī)整體運行良好。

U642.7

B

1672-5387（2010）05-0034-04

2010-08-20

吳華明（1971-），男，工程師，主要從事水電廠升船機(jī)運行管理工作。