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        數(shù)字化技術(shù)在水電站檢修設(shè)施技改工程中的應(yīng)用研究

        2023-09-16 08:42:18顏紅亮王志軍姚志賞
        湖南水利水電 2023年3期
        關(guān)鍵詞:吊梁進(jìn)水口啟閉機(jī)

        曹 萍,顏紅亮,王志軍,姚志賞

        (1.五凌電力有限公司馬跡塘水電廠,湖南 益陽 413405; 2.湖南省水電智慧化工程技術(shù)研究中心,湖南 長沙 410004; 3.湖南省水利水電勘測設(shè)計(jì)規(guī)劃研究總院有限公司,湖南 長沙 410007)

        引 言

        隨著水利水電工程建設(shè)的發(fā)展,BIM、大數(shù)據(jù)、智能化技術(shù)在水利水電行業(yè)應(yīng)用前景非常廣闊。水利水電工程數(shù)字化建設(shè)發(fā)展至今,已積累了工程全生命周期設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行管理各個(gè)階段大量的成功應(yīng)用案例[1]。數(shù)字化仿真和設(shè)計(jì)技術(shù)完善了水工結(jié)構(gòu)、金屬結(jié)構(gòu)正向設(shè)計(jì)技術(shù)體系,大幅提高了設(shè)計(jì)成果質(zhì)量和工作效率[2~3]。智能技術(shù)是伴隨信息化技術(shù)而產(chǎn)生的一項(xiàng)全新技術(shù),具有高效率、科學(xué)化等特點(diǎn),可不斷提升技改工作的質(zhì)量和效率[4~5]。

        馬跡塘水電廠是一座以發(fā)電為主、兼顧航運(yùn)等綜合利用的水電工程。2004 年4 月,上游柘溪水電站擴(kuò)機(jī)增容,2010 年4 月,下游白竹洲水電站蓄水投產(chǎn),對馬跡塘水電站的尾水形成直接頂托,壅高尾水水位。經(jīng)復(fù)核,電站機(jī)組發(fā)電最大出力為4.2 萬kW,實(shí)際年平均發(fā)電量1.89 億kW·h,為設(shè)計(jì)年發(fā)電量的72.46%,水量利用率降至0.7,頂托損失電量3 044 萬kW·h。根據(jù)馬跡塘水電廠近年水位和流量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析,進(jìn)水檢修水位升為58.86 m。尾水檢修水位升為58.33 m[6]。

        新的水位情況下,馬跡塘水電站檢修工況的水工建筑物結(jié)構(gòu)安全條件和檢修閘門運(yùn)行條件等發(fā)生了重大的變化。因此,對原檢修設(shè)施進(jìn)行必要的技術(shù)升級變得更為緊迫。

        1 水工建筑物結(jié)構(gòu)安全數(shù)字仿真技術(shù)應(yīng)用

        1.1 原水工建筑物現(xiàn)場檢測與安全復(fù)核

        馬跡塘水電站現(xiàn)場檢測報(bào)告顯示:電站混凝土結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)小面積剝落、露筋等外觀病險(xiǎn),進(jìn)水口啟閉機(jī)排架柱直線度差及軌道梁、軌道接口過寬和偏差,尾水啟閉機(jī)排架局部出現(xiàn)較大破損和缺陷。電站廠房內(nèi)滲漏控制及混凝土外觀狀態(tài)良好;流道及進(jìn)尾水檢修閘墩和啟閉機(jī)臺混凝土強(qiáng)度滿足原設(shè)計(jì)要求;抽檢的混凝土構(gòu)件碳化深度在(1~3)mm 之間,總體處于較低水平,保護(hù)良好;構(gòu)件鋼筋保護(hù)層厚度總體符合原設(shè)計(jì)要求,鋼筋混凝土構(gòu)件中的主筋銹蝕被評價(jià)為“沒有發(fā)生銹蝕”。

        由于工期較長,難免會遇到汛期過高水位,需要復(fù)核驗(yàn)算在上游檢修水位58.86 m,下游檢修水位58.33 m 情況下,廠房混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。經(jīng)過復(fù)核,結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)局部出現(xiàn)明顯過載,進(jìn)口邊墻的變形增大至4.1 mm;最大拉應(yīng)力增大至1.61 MPa;尾水管的最大拉應(yīng)力增大至1.15 MPa;原有結(jié)構(gòu)配筋已不能滿足要求,須進(jìn)行加固處理。進(jìn)尾水水工結(jié)構(gòu)有限元復(fù)核結(jié)果見圖1。

        圖1 電站進(jìn)尾水水工建筑物有限元應(yīng)力復(fù)核結(jié)果

        1.2 加固方案水工建筑物結(jié)構(gòu)安全復(fù)核

        檢修工況下,由于流道內(nèi)部無水,結(jié)構(gòu)在縫面水壓力的作用下,向內(nèi)收縮,對空腔結(jié)構(gòu)不利。隨著檢修水位的升高,進(jìn)水口邊墻的應(yīng)力和位移均顯著增加。綜合配筋驗(yàn)算結(jié)果,原結(jié)構(gòu)在提高檢修水位工況下,須分別對流道進(jìn)水口和尾水管局部進(jìn)行加固處理,具體方案如下:

        流道進(jìn)水口加固設(shè)計(jì)擬采用鋼管撐方案,即在攔污柵前后分別添加3 根和6 根鋼管撐,鋼管撐的管外徑500 mm,壁厚20 mm,材質(zhì)為Q235。加撐后復(fù)核計(jì)算,該方案可使得馬跡塘水電站工程廠房流道進(jìn)水口空腔內(nèi)壁拉應(yīng)力顯著降低,大小為0.75 MPa<1.27 MPa,原有結(jié)構(gòu)的配筋情況滿足受力要求,保證進(jìn)水口在58.86m 水位檢修工況結(jié)構(gòu)安全。進(jìn)水口水工結(jié)構(gòu)加固后有限元計(jì)算結(jié)果見圖2。

        尾水管加固設(shè)計(jì)擬采用增厚鋼筋混凝土頂板方案。經(jīng)計(jì)算,頂板加厚1.5 m 的應(yīng)力大小為0.5 MPa<1.27 MPa,滿足尾水下游水位58.33 m 檢修工況受力要求。尾水水工結(jié)構(gòu)加固后有限元計(jì)算結(jié)果見圖3。

        2 檢修閘門結(jié)構(gòu)安全的數(shù)字仿真與設(shè)計(jì)應(yīng)用

        2.1 進(jìn)、尾水檢修門現(xiàn)場檢測與安全復(fù)核

        馬跡塘水電站現(xiàn)場檢測報(bào)告顯示:

        1)電站進(jìn)、尾水口檢修閘門部分疊梁面板變形,側(cè)導(dǎo)輪無法轉(zhuǎn)動,輪座變形較大,滑塊和門槽埋件磨損嚴(yán)重,檢修門工作時(shí)從各疊梁接合處漏水嚴(yán)重,呈噴射狀,疊梁局部銹蝕較明顯,腐蝕程度總體評價(jià)為B 級。

        2)由于進(jìn)、尾水閘門疊梁重心偏后,門體呈傾斜狀,出入門槽時(shí)對位困難,需人工輔助拖拽調(diào)整,存在安全隱患;閘門吊耳板出現(xiàn)焊縫裂紋。

        3)進(jìn)、尾水閘門已運(yùn)行使用達(dá)40 年,各構(gòu)件出現(xiàn)變形老化。根據(jù)《水利水電工程金屬結(jié)構(gòu)報(bào)廢標(biāo)準(zhǔn)》(SL 226-98),建議對馬跡塘電廠進(jìn)尾水疊梁式檢修閘門進(jìn)行報(bào)廢處理。

        2.2 進(jìn)水口檢修門的研究與設(shè)計(jì)

        進(jìn)水口檢修閘門孔口尺寸12.60 m×21.75 m(寬×高),底檻高程EL.37.243 m,設(shè)計(jì)水頭21.617 m,孔口數(shù)量為3 孔,閘門數(shù)量為1 扇5 節(jié),門頂高程EL.59.0 m,滿足EL.58.86 m 水位的擋洪和檢修要求。閘門形式為露頂式平面滑動疊梁門,下3 節(jié)疊梁門葉結(jié)構(gòu)相同可互換次序使用,按照設(shè)計(jì)水頭21.617 m 設(shè)計(jì),單節(jié)疊梁高度為4.35 m,布置4 根梁高1.8 m 的焊接工字形主梁,主梁材料采用Q460B,門葉其余結(jié)構(gòu)部分材料選用Q355B;上2 節(jié)疊梁門葉按照設(shè)計(jì)水頭8.35 m 設(shè)計(jì),也可以互換次序,單節(jié)疊梁高度為4.35 m,布置4根梁高1.3 m 的焊接工字形主梁,材料采用Q355B。

        進(jìn)水口檢修閘門單節(jié)結(jié)構(gòu)最大計(jì)算應(yīng)力:第1 組(t≤16 mm,材料為Q355B)正應(yīng)力σmax=222.5 MPa<[σ]=230 MPa,剪切應(yīng)力τmax=85.47 MPa<[τ]=135 MPa,強(qiáng)度滿足要求。第2 組(16 mm≤t≤40 mm,材料為Q460B)正應(yīng)力σmax=270 MPa<[σ]=280 MPa,剪切應(yīng)力τmax=105.2 MPa<[τ]=165 MPa,強(qiáng)度滿足要求。閘門結(jié)構(gòu)最大計(jì)算撓度:fmax=21.85 mm<[f]=12 600/500=25.2 mm,撓度滿足要求。單節(jié)總重約30 t。靜水啟閉,啟閉力約522.6 kN<(2×267=534)kN,啟閉力滿足要求。進(jìn)水口檢修閘門有限元計(jì)算結(jié)果見圖4。

        圖4 電站進(jìn)水口檢修閘門有限元計(jì)算成果

        2.3 尾水檢修門的研究與設(shè)計(jì)

        尾水檢修閘門孔口尺寸12.85 m×9.00 m(寬×高),底檻高程EL.37.60 m,按58.33 m 水位擋洪和檢修要求,設(shè)計(jì)水頭20.73 m,孔口數(shù)量為3 孔,閘門形式為潛孔式平面滑動疊梁門,數(shù)量為1 扇3 節(jié)。本次改造更新下2 節(jié)疊梁門葉,同時(shí)對頂節(jié)門葉做吊耳改造以適應(yīng)液壓自動吊梁抓取。檢修閘門下2 節(jié)疊梁門葉按照設(shè)計(jì)水頭20.73 m 設(shè)計(jì),門葉結(jié)構(gòu)相同且可以互換次序,單節(jié)疊梁高度為3.05 m,布置3 根梁高1.8 m 的焊接工字形主梁,主梁材料采用Q460B,門葉其余結(jié)構(gòu)部分材料選用Q355B。

        尾水閘門單節(jié)結(jié)構(gòu)最大計(jì)算應(yīng)力:第1 組(t≤16 mm,材料為Q355B)正應(yīng)力σmax=166.1 MPa<[σ]=230 MPa,剪切應(yīng)力τmax=58.03 MPa<[τ]=135 MPa,強(qiáng)度滿足要求。第2 組(16 mm≤t≤40 mm,材料為Q460B)正應(yīng)力σmax=276.7 MPa<[σ]=280 MPa,剪切應(yīng)力τmax=139.7 MPa<[τ]=165 MPa,強(qiáng)度滿足要求。門葉結(jié)構(gòu)最大計(jì)算撓度:fmax=20.86 mm<[f]=12 600/500=25.2 mm,撓度滿足要求。單節(jié)總重約25 t。充水平壓后,單節(jié)靜水啟閉,啟閉力約513.7 kN<(2×267=534)kN,啟閉力滿足要求。尾水檢修閘門有限元計(jì)算結(jié)果見圖5。

        圖5 電站尾水檢修閘門有限元計(jì)算成果

        3 啟閉臺車的智能化升級改造

        3.1 現(xiàn)有啟閉臺車的檢測與復(fù)核

        根據(jù)檢測報(bào)告結(jié)論,現(xiàn)有啟閉機(jī)運(yùn)行良好,整體上滿足安全要求,即能在現(xiàn)行工作條件下正常啟閉。因此對啟閉機(jī)進(jìn)行日常維護(hù)即可,無需進(jìn)行更換。但是現(xiàn)有啟閉機(jī)的行走機(jī)構(gòu)采用鏈?zhǔn)絺鲃友b置,閘門吊梁采用機(jī)械式自動吊梁,容易造成單邊掛鉤,且已運(yùn)行近40年,可借助本次技術(shù)改造將鏈?zhǔn)絺鲃有凶邫C(jī)構(gòu)升級為電機(jī)直驅(qū)行走結(jié)構(gòu),機(jī)械式自動吊梁升級為液壓穿軸式自動吊梁。啟閉臺車檢測情況見圖6。

        圖6 電站啟閉臺車檢測情況

        3.2 啟閉臺車的技術(shù)升級改造

        電機(jī)直驅(qū)行走機(jī)構(gòu)包含電機(jī)、減速器及滾輪。電機(jī)(帶制動器)和減速機(jī)“三合一”連接后,通過法蘭安裝在啟閉機(jī)機(jī)架行走梁上,由“三合一”機(jī)構(gòu)直驅(qū)啟閉機(jī)滾輪。

        液壓自動吊梁包含梁體、吊耳、支撐導(dǎo)向裝置、定位裝置、液壓穿軸裝置、耐水壓液壓泵站和耐水壓信號檢測系統(tǒng)等部分。根據(jù)本工程特點(diǎn),采用(2×300)kN 數(shù)字通信型液壓自動吊梁,其信號檢測系統(tǒng)為耐水壓型,吊梁下降到位和穿銷到位傳感器為全行程檢測同步位移傳感器,該傳感器通過R485 總線通信傳輸。液壓自動吊梁見圖7。

        圖7 電站啟閉臺車自動吊梁改造升級成果

        3.3 啟閉臺車的電氣控制

        2015 年,臺車的電氣控制改造成基于S7-200PLC的控制系統(tǒng),電機(jī)調(diào)速方式升級為變頻調(diào)速方式,采用啟閉機(jī)房內(nèi)操控。由于PLC 容量較小,已不能滿足升級后的臺車控制和監(jiān)測要求。

        現(xiàn)采用“遙控器+PLC+變頻器”模式,遙控器為臺車控制系統(tǒng)的操作器件,包含主令操作按鈕、搖桿操作手柄和圖像顯示器,主令操作按鈕用于操作主接觸器的通電和主斷路器緊急跳閘,搖桿操作手柄通過多擋位控制起升機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)變速運(yùn)行,圖像顯示器通過無線以太網(wǎng)連接液壓自動吊梁攝像頭,動態(tài)顯示吊梁液壓穿軸的位置圖像信息;PLC 為系統(tǒng)控制器,完成臺車控制系統(tǒng)的邏輯控制和數(shù)據(jù)處理,邏輯控制實(shí)現(xiàn)臺車起升機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)的變速運(yùn)行和互鎖,數(shù)據(jù)處理完成起升機(jī)構(gòu)高度和載荷、行走機(jī)構(gòu)行程、實(shí)時(shí)風(fēng)速、吊梁行程等數(shù)據(jù)的監(jiān)測、校準(zhǔn)和顯示,并設(shè)定保護(hù)接點(diǎn)對各機(jī)構(gòu)實(shí)施安全保護(hù);變頻器為系統(tǒng)驅(qū)動器,接受PLC 的邏輯控制指令驅(qū)動各機(jī)構(gòu)電機(jī)變速運(yùn)行。啟閉臺車電氣控制方案見圖8。

        圖8 電站啟閉臺車電氣控制方案

        3.4 在線監(jiān)測

        1)主要監(jiān)測內(nèi)容。

        起升機(jī)構(gòu)振動監(jiān)測:對啟閉機(jī)電機(jī)、減速箱、卷筒裝置軸承、齒輪等部件進(jìn)行振動監(jiān)測,并對其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行評估,提前判斷出啟閉機(jī)起升機(jī)構(gòu)各部件工頻等早期故障。每個(gè)驅(qū)動單元傳感器的布置如下:電機(jī)布置2 個(gè)振動測點(diǎn),減速箱配置4 個(gè)振動測點(diǎn)、外伸齒輪支承座布置1 個(gè)振動測點(diǎn)。

        轉(zhuǎn)速傳感器:對電機(jī)或者減速器高速軸端的轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測,輔助分析。連接螺紋規(guī)格為M18×1,安裝在電機(jī)或減速器高速軸端外側(cè),傳感器安裝在支架上,支架焊接在起升機(jī)構(gòu)的平臺上。

        2)在線監(jiān)測系統(tǒng)組成。

        感知層:由加速度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器組成。

        現(xiàn)地采集工作層:通過安裝在啟閉機(jī)機(jī)房數(shù)據(jù)采集工作站中的內(nèi)置分析軟件,對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)查看、診斷分析及設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí)的實(shí)時(shí)報(bào)警。

        遠(yuǎn)程服務(wù)層:數(shù)據(jù)通過4G 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器,監(jiān)測、分析、診斷,每月出具設(shè)備月度體檢報(bào)告,設(shè)備出現(xiàn)異常時(shí),出具設(shè)備異常故障診斷報(bào)告,并及時(shí)通知到現(xiàn)場運(yùn)維。閘門在線監(jiān)測方案及界面見圖9、圖10。

        圖9 閘門在線監(jiān)測方案

        圖10 啟閉臺車在線監(jiān)測界面

        4 結(jié) 語

        1)馬跡塘水電廠主動對接并積極服務(wù)于國家發(fā)展戰(zhàn)略,結(jié)合自身?xiàng)l件,不斷推進(jìn)轉(zhuǎn)型發(fā)展、協(xié)調(diào)發(fā)展。大膽積極地?fù)肀录夹g(shù)革命,深度運(yùn)用好新技術(shù),推進(jìn)水電站的自動化和智能化,打造智慧水電,將水文、電力、人力等信息流等有效整合,不斷增加自身競爭力,提高安全性。

        2)高度重視馬跡塘水電廠的安全建設(shè),進(jìn)一步加大對電廠的安全建設(shè)投入。馬跡塘水電廠已運(yùn)行了近40 年,各種設(shè)施也將逐步達(dá)到設(shè)計(jì)使用期限,因此須高度重視電站的設(shè)施安全,實(shí)時(shí)監(jiān)測,及時(shí)預(yù)警,加大安全建設(shè)投入,守住電站的安全生命線,為再創(chuàng)輝煌業(yè)績保駕護(hù)航。

        3)加大水電站安全工程的研究力度,積極展開在類似工程上的推廣應(yīng)用。數(shù)字化技術(shù)在低水頭貫流式機(jī)組的水電廠檢修設(shè)施安全工程建設(shè)中均能起到示范作用。本項(xiàng)目在研究設(shè)計(jì)上大量采用了數(shù)字化技術(shù),縮短了研發(fā)周期,提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量,所設(shè)計(jì)成果均滿足規(guī)范要求。本項(xiàng)目的實(shí)施,將為公司系統(tǒng)內(nèi)同類型電站機(jī)組檢修設(shè)施改造工作提供可靠的依據(jù),并可在國內(nèi)同類型工程改造中推廣應(yīng)用。

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