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，重點對升船機運行中發(fā)現(xiàn)的不足之處進行探討分析，并提出解決建議。

升船機;運行;探討

1 巖灘升船機總體概況

巖灘升船機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、主機房及中控室等主要建筑物組成。升船機土建工程于1999年3月竣工，機電設(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。

主機設(shè)在▽240.6m高程的主機房內(nèi)，由4套卷揚機構(gòu)與4套滑輪組組成。卷揚機構(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 巖灘升船機主要設(shè)計運行方式

2.1 升船機通航設(shè)計運行方式

巖灘升船機通航初始設(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）方式對升船機自動運行方式加以說明 。

（1）升船機中控室發(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 升船機工作大門設(shè)計運行方式

升船機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。工作大門的啟閉機型式為液壓步進式，啟閉機容量為2×2×1500kN（即二臺啟閉機，每臺啟閉機有二只油缸，每一只油缸的啟閉力為1500kN），兩臺液壓啟閉機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架承受，利于大門的安全穩(wěn)定。

巖灘升船機工作大門初始設(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 升船機運行方式的不足之處及解決方法

3.1 升船機通航自動運行方式

3.1.1 升船機自動運行的設(shè)計構(gòu)想

按照升船機自動運行的設(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?；驒z測信號異常，均會造成升船機自動運行停止。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，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，把大門往上提升；當(dāng)上游水位下降過多時，啟動啟閉機，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功能不強，曾經(jīng)引起設(shè)備的誤動作，造成啟閉機故障損壞。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式啟閉機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制流程復(fù)雜，檢測設(shè)備眾多，啟閉機動作大門升降緩慢，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與液壓步進式啟閉機的對比分析：

（1）同步控制對比：鋼絲繩卷揚式啟閉機控制簡單可靠，同步控制只需要通過設(shè)置同型號電機、變速箱和同步軸就可使大門兩邊吊點達到同步升降。液壓步進式啟閉機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的構(gòu)成只需要兩套電機、減速箱、鋼絲繩卷筒等。液壓步進式啟閉機的構(gòu)成需要8套油泵電機組（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啟門速度一般可達到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。液壓步進式啟閉機啟門速度現(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 升船機設(shè)計中其它不利于運行維護的問題

4.1 主提升機房設(shè)計地面高程▽240.6m問題探討

4.1.1 主提升機房地面高程▽240.6m的設(shè)計考慮

主提升機房地面高程是按照升船機最大通航凈空確定的。升船機的最大通航凈空為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，水面至壩頂門機鋼梁底▽231.3m，高程是：231.3-223=8.3m,正好等于升船機最大通航凈空高度。

升船機中控室設(shè)計位于主提升機房正下方，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）降低了升船機主體段建筑的穩(wěn)定性。升船機主體段包括船廂室、塔柱、機房。主體段建基高程145m，機房地面高程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，升船機塔柱就會感覺到明顯的晃動，這對升船機安全運行有很不利的影響。

4.2 升船機中控室布置地點探討

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

4.3 主提升機房空間設(shè)計問題探討

4.3.1 設(shè)計的不利之處

主機房凈空尺寸偏小，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，如主機力矩繩與樓板孔洞凈距不到50mm；主提升機的兩側(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，致使主機傳動系統(tǒng)存在內(nèi)應(yīng)力，因此造成主提升機維修時拆卸與安裝困難。

較大的設(shè)備物資運到主提升機房門口時，主提升橋機主鉤及電動葫蘆均不能到達門口位置，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，又因為橋機吊鉤無法到達而不方便使用，對設(shè)備大修的開展極為不利。

4.3.2 主提升機房吊物空間及維修場地探討

把主提升機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，在升船機工作前3min啟動向各設(shè)備進行噴油潤滑。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，溫升達到10℃左右，就達到平衡不再升高，運行中從沒達到50℃的超溫報警溫度。事實上，自升船機投運以來，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，升船機年貨運量達到設(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 升船機電梯不能到達主提升層

4.5.1 設(shè)計的不利之處

升船機電梯豎井設(shè)計處于主提升橋機運行軌道內(nèi)，因此電梯機房的安裝高度受到了橋機的限制，導(dǎo)致電梯的最高層只能到達中控室層。升船機的所有大件物資設(shè)備，都是運到主提升機房后，再用橋機卸車。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)該處于橋機運行軌道外面，這樣電梯機房的安裝高度就不會受到橋機的限制，電梯的最高層就可以設(shè)在主提升層，升船機大件物資設(shè)備的運送就會方便得多。

巖灘升船機正式投運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運行管理工作。