（京杭運(yùn)河江蘇省交通運(yùn)輸廳蘇北航務(wù)管理處，江蘇 淮安 223002）

京杭運(yùn)河蘇北段北起徐州藺家壩，南至揚(yáng)州六圩口，全長404公里，全程水位落差31米，沿線11個航運(yùn)梯級，建有28座現(xiàn)代化大型船閘，是我國內(nèi)河航道中僅次于長江的等級最高、渠化程度最好、船閘設(shè)施最為完善的人工航道，常年擔(dān)負(fù)著沿線地區(qū)大宗物資中轉(zhuǎn)集散及能源運(yùn)輸?shù)膽?zhàn)略任務(wù)，被譽(yù)為“黃金水道”。

1 蘇北運(yùn)河現(xiàn)行閥門運(yùn)行控制工藝分析

船閘作為蘇北運(yùn)河重要的通航建筑物，有著嚴(yán)格的運(yùn)行規(guī)程，稍有差錯，將會產(chǎn)生嚴(yán)重后果。為確保船閘安全、可靠的運(yùn)行，船閘自動控制系統(tǒng)根據(jù)閘閥門運(yùn)行控制要求設(shè)計了八步控制流程：（從上行船舶出閘開始）①開上游閘門②關(guān)上游閘門③落上游閥門④開下游閥門⑤開下游閘門⑥關(guān)下游閘門⑦落下游閥門⑧開上游閥門。這八個步驟是相互聯(lián)系的，每個步驟必須滿足一定的條件才能運(yùn)行。但在實(shí)際運(yùn)行過程中，蘇北運(yùn)河全線十一個梯級船閘相對統(tǒng)一的工藝控制流程往往會在某種特殊情況下帶來諸多問題，如近年來蘇北運(yùn)河受季節(jié)性潮汐、農(nóng)業(yè)用水增加以及南水北調(diào)等多重因素影響，宿遷船閘每年有近一半時間處于平水位狀態(tài)，施橋船閘2017年度在不同時期的水位差頻繁變動范圍達(dá)4米左右，導(dǎo)致閥門在有些情況下尚未提閥到位，閘室內(nèi)外早已實(shí)際水平，如果繼續(xù)按閥門工作行程（通常為4米）運(yùn)行的話，將導(dǎo)致船閘運(yùn)行效率大為降低（按現(xiàn)行控制系統(tǒng)設(shè)計要求：在閘室內(nèi)外水平的情況下，必須至少有一扇閥門開到位才能開啟同端閘門）。此前的解決辦法是將閥門行程擋塊根據(jù)水位變化不定期地進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，不但費(fèi)時費(fèi)力，調(diào)節(jié)高度和時間節(jié)點(diǎn)也難以做到精準(zhǔn)無誤。與此同時，在水位差較大的解臺、泗陽船閘（常年保持5米左右的水位差），如果閥門按原設(shè)計速度（勻速1m/min）提升到位時，將因漲泄水過快導(dǎo)致閘室內(nèi)水流流速和比降過大，閘首水流紊亂，引起局部水面慣性超高（或超降）(《船閘輸水系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》JTJ-306要求不大于0.25m)，回流明顯（蘇北運(yùn)河船閘除泗陽三線外全部采用集中短廊道輸水），對過閘船舶和機(jī)械設(shè)備的安全造成重大影響，曾發(fā)生船舶系纜折斷、閘門活塞桿頂彎等重大安全隱患。特別是采用固定系船設(shè)施的船閘，閘室灌泄水時，水面最大升降速度應(yīng)不大于5～6cm/s。此前我們更多的是考慮閘閥門設(shè)備本身運(yùn)行安全，設(shè)計思路是通過設(shè)置變速行程開關(guān)或通過位移傳感器的行程變量來實(shí)現(xiàn)閘門慢-快-慢的運(yùn)行控制流程，閥門則更多的采用勻速運(yùn)行。但實(shí)際上在保證閘閥門等機(jī)械設(shè)備本身運(yùn)行安全的前提下，蘇北運(yùn)河水位差相對懸殊的船閘，閥門運(yùn)行速度采用差異化的控制工藝流程對船舶的運(yùn)行安全與船閘的運(yùn)行效率非常重要。以三峽船閘為例，他們通過與南京水利科學(xué)研究院合作，通過幾年的時間，建立起閥門啟閉時的水力學(xué)模型，并在實(shí)踐中不斷優(yōu)化調(diào)整，為閥門在不同的水位工況條件下提供最佳的運(yùn)行方案，既提升了船閘運(yùn)行效率，又保障了船舶及設(shè)備本身的運(yùn)行安全。

2 蘇北運(yùn)河閥門運(yùn)行控制工藝優(yōu)化方案

隨著變頻技術(shù)與傳感技術(shù)在船閘的廣泛應(yīng)用，使我們在解決此類問題時有了更多的方法和手段。本文擬結(jié)合PLC電氣控制系統(tǒng)，根據(jù)不同船閘的水位、閥門啟閉力變化趨勢曲線、輸水形式等，設(shè)計不同的閥門運(yùn)行控制工藝。

2.1 工藝方案一

效率優(yōu)先，保障安全的原則：水位差較小且水位變化較為頻繁的船閘（如宿遷、施橋、邵伯、淮安船閘等），在閥門開啟前，水位計檢測當(dāng)前閘室內(nèi)外實(shí)際水位差△H，△H≤3米時，閥門按原設(shè)計速度1m/min勻速開啟,（因水位差較小，閘室內(nèi)外漲泄水的水流相對平穩(wěn)，對閘室及引航道停泊的船舶安全影響不大）。閥門在提閥過程中，水位計實(shí)時檢測閘室內(nèi)外水位變化，如果閥門尚未提到頂閘室內(nèi)外水位實(shí)際已經(jīng)持平且門頭開關(guān)已開，水位計即作為到位虛擬行程開關(guān)參與控制并提供給PLC閥門到位信號，閘門開啟；如果水位計因故障不能參與控制,則原有的提閥行程開關(guān)繼續(xù)作為閥門到位檢測裝置參與控制。如果在閥門開啟前閘室內(nèi)外實(shí)際水位差△H≥3米，PLC系統(tǒng)則屏蔽掉水位計參與控制功能，閥門按工藝方案二運(yùn)行。此方案優(yōu)點(diǎn)是勻速啟閉對電機(jī)、油泵及閥門本身運(yùn)行安全有利，閥門可根據(jù)水位在任意位置實(shí)現(xiàn)懸停，減少人為調(diào)整閥門行程擋塊的頻率，在運(yùn)行安全等級沒有降低的情況下，最大限度地提高船閘的運(yùn)行效率。

2.2 工藝方案二

安全優(yōu)先，兼顧效率原則：水位差較大的船閘（如解臺、泗陽船閘）可通過變頻器實(shí)現(xiàn)閥門分極調(diào)速運(yùn)行，改善水流條件，保障船舶運(yùn)行安全。方法是將PLC的輸出端子接變頻器的多功能端子，并根據(jù)運(yùn)行現(xiàn)場實(shí)際需要設(shè)置相應(yīng)的電機(jī)運(yùn)行頻率和變速極數(shù)（頻率一般設(shè)定在30Hz-50Hz)，通過PLC輸出端子的閉合和斷開組合，使變頻器在不同頻率下運(yùn)行。鑒于目前蘇北運(yùn)河普遍采用施耐德ATV71系列變頻器，該變頻器既可以通過PLC與變頻器上的RS485通訊接口相連，采用PLC編程通訊進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)電機(jī)無級變速運(yùn)行，也可以通過邏輯量輸入端口設(shè)定并物理連接，進(jìn)行多段速調(diào)速。考慮到三相異步電機(jī)對連續(xù)變頻適應(yīng)性較差，閥門提閥初步擬定為三段速運(yùn)行，每段行程及運(yùn)行速度按閥門啟閉力大小變化趨勢及現(xiàn)場運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)定，確保不超過1m/min的規(guī)范設(shè)計要求。其優(yōu)點(diǎn)是能延緩閥門啟閉速度，改善水流條件，保障船舶運(yùn)行安全。三段行程及對應(yīng)的運(yùn)行速度根據(jù)采集的六個船閘閥門的運(yùn)行工況分析如下：

由表1和圖1可知，樣本船閘初始提閥壓力區(qū)間為（8.40～11.15）MPa，平均值為9.16MPa，對應(yīng)初始提閥行程平均值為1.45m；中段提閥壓力區(qū)間為（6.30～9.50）MPa，平均值為7.93MPa，對應(yīng)中段提閥行程平均值為1.48m；后程提閥壓力區(qū)間為（5.28～9.50）MPa，平均值為7.24MPa，對應(yīng)后程提閥行程平均值為1.06m。受船閘水位差、閥門運(yùn)轉(zhuǎn)副磨損、泵站工作參數(shù)調(diào)整不一致等諸多因數(shù)影響，不同船閘甚至同一船閘不同閥門在初始提閥運(yùn)行、中段運(yùn)行、后程運(yùn)行三個不同階段，閥門行程與壓力之間無法形成一致的關(guān)系曲線，但樣本閥門在三個不同階段的行程與壓力關(guān)系曲線趨勢是一致的，即從初始提閥開始，隨著閥門行程的變化，系統(tǒng)工作壓力總體上呈階段性階梯型下降變化。由此擬定初始提閥運(yùn)行階段為0～1.5米、中段運(yùn)行階段為1.5～3.0米、后程運(yùn)行為3.0～4.0米，對應(yīng)的電機(jī)工作頻率分別按50HZ、40HZ、30HZ運(yùn)行，總運(yùn)行時間控制在4-5分鐘左右，不斷優(yōu)化調(diào)整。

表1 閥門運(yùn)行工況統(tǒng)計表

圖1 提閥壓力與閥門行程關(guān)系曲線

3 結(jié)語

借助變頻技術(shù)及水位計在蘇北運(yùn)河船閘的廣泛應(yīng)用，通過優(yōu)化閥門運(yùn)行控制工藝，為十一個梯級船閘提供差異化的運(yùn)行控制方案，在保證設(shè)備設(shè)施安全運(yùn)行的情況下，最大限度地提高船閘運(yùn)行效率。