巖灘水電站垂直升船機的研制

巖灘電視船機的垂直升船機于25日獲得了施工和批準，并正式開始運營。巖灘電站是國內首次采用鋼絲繩卷揚提升、部分平衡、船廂下水式垂直升船機。它的成功投運,填補了我國同類型升船機的空白,標志著我國河流高壩通航建筑設施技術水平達到了一個新的發展階段。由于升船機工程在我國尚處于初始階段,許多技術問題還有待進一步探索和研究。1平衡重系統含船舶載體的裝置巖灘電站升船機建筑物由上游引航道、擋水壩段、中間明渠、本體段和下游引航道等部分組成。主要設備均布置在本體段內。升船機設備可分成四大部分:主提升設備、中控室、承船廂和上下閘首。主機安裝在塔柱頂部的機房內,由4組卷揚機構和4組靜力平衡滑輪組組成,對稱布置。每組卷揚機構由1臺直流電機驅動,通過高速減速器、齒輪聯軸器將動力傳給對稱布置的2臺低速減速器,每臺低速減速器的末級齒輪兩端輸出軸,通過鼓形滾柱聯軸器,各聯一套卷筒裝置。16套卷筒與同步軸、傳動軸、換向錐齒輪箱連成一封閉的環形機械傳動及同步系統。在每臺電機與高速減速器之間設一對盤式工作制動器,在每個卷筒外側端面設有制動盤,安裝3對盤式安全制動器。卷筒和滑輪組內側鋼絲繩下連承船廂,外側鋼絲繩下連平衡重,形成一平衡系統。(見圖1)。作為船舶載體的承船廂,長48.5m,寬16.3m,承船廂連同水體(含船舶)質量總計為1430t,由卷筒上48根鋼絲繩提升,為減輕提升載荷,配置了1100t平衡重。其中力矩平衡重840t,分為8組,靜力平衡重260t,分為4組。為了保證承船廂的位置水平,在升船機總體設計時規定:當承船廂四角相對偏差大于2cm時,利用液壓調平裝置進行動態調平;當承船廂四角相對偏差達到8cm時,承船廂應停下來進行靜態調平。因此,48條鋼絲繩不直接和承船廂連接,而是通過螺桿調整器和調平油缸與承船廂相連。安裝時因鋼絲繩長度誤差等原因,造成的承船廂水平偏差,則利用螺桿調整器進行調整;承船廂充水受載后,因鋼絲繩彈模性能不一致及承船廂結構變形等原因造成的承船廂水平偏差,則利用調平油缸進行調平。主提升系統采用機械同步裝置,保證了各吊點之間的速度一致。但設置了機械同步裝置以后,對中心誤差的要求則更為嚴格。同步軸的封閉軸線尺寸十分龐大,長42.53m,寬10.4m。由于同步軸系統中誤差補償技術的成功應用,使實際檢測同步軸中心偏差最大值能控制在2mm以內,從而保證了如此龐大的傳動機械能平穩運行。保持出力均衡,是多電機同軸傳動系統中又一個技術難題。升船機主提升傳動系統的復雜性就在于多電機驅動。經研究和比較,決定采用ABB電氣傳動DCS500系列,4套傳動共用1個速度外環,4個獨立的電流內環,一主三從的方案。即1套傳動為主,采用速度控制方式,另3套為從,采用扭矩控制方式。通過傳動程序設置,可以任意變更4套傳動的主從關系。4套傳動裝置共用主傳動的速度外環,對整個系統進行速度控制,完成指定的速度曲線運行。而計算機控制系統通過主傳動速度調節器的輸出值,經過處理、修正,動態分配給3套從傳動,從而實現4套傳動的力矩均衡,保證各電機的出力基本一致,電流均衡性誤差可以控制在3%以內(要求不大于10%)。2主提升系統吊點相對位置所謂運行平穩,包含兩方面內容:一是在68.5m全行程范圍內,主提升系統48個吊點相對位置盡可能保持一致;二是承船廂在升降過程中,其速度和加速度、減速度,啟動和制動狀態,船廂出入水過程等不同工況,均能做到平穩運行。2.1動態調平的必要性巖灘升船機投運后實測結果,承船廂四角偏差只有0.5cm,大大優于規定的偏差值,動態調平已無必要(已關閉),從而為鋼絲繩卷揚提升垂直升船機的應用鋪平了道路。取得如此顯著的技術進步,主要是由于抓了以下兩方面的工作。2.1.1卷筒的熱處理和測量精度卷筒用整塊80mm鋼板冷卷制成,卷制圓度偏差控制在±2mm以內。卷筒組焊成形后,對焊縫進行無損探傷檢驗并進行整體退火熱處理,以消除焊接應力。卷筒繩槽底徑?3148mm是筒體加工的關鍵,要求直徑誤差小于0.5mm,采用常規的加工方法和間接測量方法是無法達到此精度要求的。為此,夾江水工機械廠購置了大型數控卷筒車床和大直徑、高精度測量儀,其直接測量精度可達0.02mm。為了進一步控制誤差,將加工好的16個卷筒進行選配組對安裝,使低速減速器兩側的卷筒裝置的繩槽底徑相對誤差最小。2.1.2拉伸、捻法的檢測升船機提升鋼絲繩要求耐腐蝕性好,采用鍍鋅鋼絲繩,結構穩定,抗旋轉性能較好,繩徑誤差小,彈性模量盡量一致,僵硬系數小,柔軟性好,使用壽命30年以上。經反復論證比較,德國卡塞公司生產的鋼絲繩符合這一要求,并由荷蘭斯德培爾公司根據巖灘升船機的具體要求,組織試驗和加工成定尺長度,按規定要求發貨。鋼絲繩結構和主要技術參數:①直徑?52mm,誤差+1mm(規定值為+1～+2mm)。②鋼絲繩外層為8股,每股26絲,外層股全部緊湊,表面光滑,磨損小;內層采用獨立鋼絲繩繩芯,其斷面為7×17。繩芯和股層之間采用塑料充填,改善了鋼絲繩內部抗磨性能,增加了鋼絲繩結構穩定和柔軟性。③鋼絲繩出廠前全部進行預拉伸試驗和抽樣進行破斷拉力試驗。④鋼絲繩捻法分為左交互捻和右交互捻,安裝時對稱纏繞。⑤鋼絲繩端部采用樹脂澆灌索套。⑥鋼絲繩彈性模數實際偏差約2%(要求<8%)。升船機投運后,鋼絲繩運行情況良好,承船廂入水過程中,當965t箱體入水時箱內水體重量瞬間消失,提升負載減小,鋼絲繩縮短130～150mm,承船廂出水后,鋼絲繩回復到原位。2.2為不同條件下船舶和客車提供穩定的措施2.2.1升降控制與程序優化根據升船機通航能力和承船廂總體質量,并通過模型試驗驗證,確定升船機升降運行速度圖(見圖2)。承船廂在空氣中運行速度V2為0.19m/s;在水中運行速度V1為0.03m/s;加速度和減速度a均取0.01m/s2。上升按7段速度圖控制,下降按5段速度圖控制。調試過程中,對運行速度圖進行了優化改進。船廂入水過程中,由于各種阻力的影響,很難做到勻速,故將V1修改為V′1,V′1在水中從2.2m/min降為1.4m/min,盡可能平滑減速。為了減少承船廂入水瞬間的拍擊力,Δt′3這一點離開水面并保持一定距離,實踐驗證效果良好。升降過程中通過傳動系統程序整定和調整,滿足在不同速度下的平穩運行,避免出現系統振蕩和大的超調。在滿足系統正常運行的情況下,不宜追求過高的響應速度,以免造成對主機的沖擊和影響系統的平穩性。2.2.2預加扭矩對主提升機構啟動的影響由于升船機主提升系統各個減速器的齒輪嚙合位置不可能一致,一旦打開制動器,提升系統啟動時,各個減速器將產生不同程度的沖擊和抖動,影響啟動時的平穩性。為此,在主提升機構啟動前,預設一個轉矩命令,實際轉矩跟隨預設給定轉矩,達到預加的轉矩。然后在延時啟動時間內,保持速度給定為零。預加力矩設定的大小和機構啟動的平穩程序有關,此數值通過試驗來確定。為了提高升船機自動控制的性能,根據升船機負載變化情況,預加力矩的數值也應相應變化,把這一變化關系作一函數輸入計算機系統,不論何種工況下,總有一個恰當的預加力矩,能保持提升機構啟動時的平穩。2.2.3安全制動盤及系統升船機承船廂總體質量1000多t,不論是正常制動還是事故制動,其制動力矩均很大,制動必須可靠而且要求平穩。升船機制動分為兩級制動。一級制動為工作制動,采用法國西姆公司ITX型盤式制動器,每臺直流電機輸出軸上各裝1臺,可在高速運行狀態下正常制動。二級制動為安全制動,亦用西姆公司SH18-2-2型產品,布置在卷筒外側,每個制動盤設置3對安全制動器,16個卷筒共有48對制動器。制動器運行分3種工況:①正常合閘制動。電機減速運行工作制動器投入,延時3～5s后,安全制動器投入,此時卷筒即將靜止,故制動摩擦力產生的沖擊力很小。②正常起動松閘。安全制動器先行松開,液壓泵站可使48對安全制動器在6s內全部松閘。當電機開始啟動達到預加力矩時,工作制動器松開,主提升機即可升降。③事故工況下緊急制動。電機斷電,工作制動器立即合閘,延時3～5s后,安全制動器投入完成緊急制動,此時卷筒運行速度不一定為零,故安全制動器處于動摩擦狀態。工作制動器采用西姆公司的專利技術——“液壓彈簧”進行上閘動作,比較平穩,且具有磨擦片磨損自動補償的功能。安全制動器具有角向補償能力及漸進制動功能,可滿足升船機制動平穩的要求。制動器管路對稱布置以均衡各制動器之間的動作時間,保證制動的同時性和可靠性。液壓泵站采用18MPa的中高壓液壓驅動設計和較小的工作流量,以減小液壓系統的沿程壓力損失和局部壓力損失,減少管路內部油壓撞擊,避免了高壓系統的管道振動和噪聲。制動器對稱使用,對制動盤和卷筒不會產生附加的側向載荷。2.2.4主梁和梁的布置巖灘升船機為下水式,故承船廂體形設計時,要充分考慮這一因素。承船廂采用單腹板主縱梁,在滿足強度要求下,盡量減少主縱梁下翼緣板寬度。承船廂中部主橫梁采用微凹形布置,梁中高度2.0m,梁端高度2.2m,梁中至梁端呈直線變化,主橫梁兩側段的內側及中間段頂面設計呈U形,轉角處半徑500mm。在船廂兩側水深1.8m處,各開22個400mm×800mm的溢水孔,兼作船廂出入水時補(排)氣用;在主縱梁和主橫梁腹板處,亦分別設有若干個補(排)氣孔。采取以上措施并合理選取承船廂出入水時的速度和加速度后,保證了承船廂出入水時的平穩性。3提高船務機的可靠性和安全性3.1在設備和設備上3.1.1封閉的同步軸系統結構主提升機由8根同步軸、8根傳動軸和6根中間軸構成一個多軸傳動系統,再經過8臺低速減速器、38個齒式聯軸器(其中8個帶脹緊套)和4臺換向弧齒齒輪箱,組成一個封閉的同步軸系統。這樣,既保證了16個卷筒旋轉速度同步,又提高了可靠性。上述22根軸均用?245×25mm的20號熱軋無縫鋼管制成,任何一臺電機、軸或聯軸器發生損壞,主提升系統均能正常運行。3.1.2破斷拉力試驗鋼絲繩設計安全裕度按8倍設計,鋼絲繩出廠前進行了破斷拉力試驗,以確保質量。與鋼絲繩連接的調平油缸和螺桿調整器,亦按鋼絲繩安全裕度做等強度設計,使起吊系統各個環節的安全系數都能滿足安全性和可靠性要求。3.1.3安全制動可靠性計算卷筒鋼絞線下承船廂下水型升船機的特征之一是主提升系統提升載荷較大。當承船廂入水時,廂內水體重量瞬間消失,起升機構的最大載荷瞬時達到7708kN,若此時因故必須制動時,安全制動器必須能夠可靠制動。由計算看出,卷筒鋼絲繩纏繞半徑為1.6m,需要制動扭矩為7708kN×1.6m=12332kN·m;卷筒制動盤安裝3對安全制動器,制動半徑1.78m,制動摩擦力為160kN,總制動力矩為160kN×1.78m×3(對)×16(個)=13670kN·m,兩者比較,在最大載荷下,制動安全系數還有1.1倍。3.1.4局限性油缸巖灘升船機液壓調平系統分成4個控制單元,每個控制單元有12個油缸,每個單元液壓回路中配置了1個限速切斷閥,一旦發生油管爆破和鋼絲繩斷裂(相當這個油缸失壓),限速切斷閥將自動關閉該油缸,其余11個油缸自行承擔原來的載荷,維持升船機的正常運行。3.1.5巖灘升船機配合全平衡升船機最擔心的問題是承船廂漏水,由此破壞了平衡系統,主提升系統將嚴重超載而引發事故。巖灘升船機采用部分平衡,即使發生承船廂廂內水體全部漏光,對主提升系統來說,其提升載荷比短時尖鋒載荷7708kN還要小。因此,承船廂漏水對巖灘升船機來說是不會購成安全問題的。3.2上位主站系統電氣控制方式以計算機監控為主,現場手動控制為輔;主控級與現地控制級的通信采用雙綱冗余結構。上位主站系統由1個操作員工作站、1個工程師工作站和1個多媒體工作站組成。其中工程師工作站在系統正常投運后,可兼作操作員工作站的熱備用,當操作員工作站發生故障時,可無擾動地代替其工作,直到故障排除,仍回復到熱備狀態。主提升子站PLC冗余,電源CPU采用熱備用。3.2.1提高系統的抗壓能力增強系統抗干擾能力的主要措施是:電源多級凈化處理;軟硬件濾波;采用良好的接地技術;1/10信號雙重隔離;強干擾時自動報警。3.2.2提高系統環境的適應性選擇對溫度、濕度有較寬工作范圍的設備及元器件,同時對于振動、灰塵等采用較好的防護手段。3.2.3操作控制板設計防止人為誤動作的主要措施有:在人機接口的關鍵部件,設置操作控制權口令;手動操作時,有操作順序的語言或字符提示;對關鍵部位的操作設置校驗,當操作有誤時,系統自動予以禁止并報警。3.2.4上位機應急操作每個子站都具有“自動”、“軟手動”和“硬手動”的功能,當上位機發生故障時,可以就地應急操作;系統具有故障自檢功能和報警功能;軟件、硬件均采用模塊化、標準化設計,可以快速更換,當PLC死機時,更換模塊即可恢復工作。3.2.5補充水行程調節承船廂入水后,臥倒門打開,此時電廠進行大的負荷調節,將引起下游水位急劇變化,為確保承船廂設備不被水淹,電氣傳動系統補充了水中微行程調節功能,保證船廂內水深控制在給予的范圍內。當承船廂入水完畢,臥倒門已開啟,下游水位上漲,為防止此時主提升傳動裝置發生故障,增設了手動點動浮升措