景洪水电站水力式升船机事故工况分析及应对策略研究

石晓俊，易春辉，刘 锦

（西安航天自动化股份有限公司，陕西 西安 710065）

景洪水电站采用水力浮动转矩平衡重式垂直升船机 （简称 “水力式升船机”）。该升船机按V级航道、300 t级船型的标准进行设计，远期考虑500 t船只通航过坝。水力式升船机的工作原理[1]是将平衡重做成质量和体积合适的浮筒，其总质量大于承船厢总质量，浮筒在可充、泄水的竖井内升降，通过调节平衡重浮筒在水中的淹没深度，改变其所受浮力，利用浮力变化在承船厢与平衡重浮筒之间产生的重力差值来驱动承船厢升降运行。

景洪水力式升船机主要由充泄水系统、承船厢系统、上闸首系统、同步轴系统、制动系统及钢丝绳连接系统等组成[2]。

由于景洪水力式升船机驱动方式完全不同于国内已经建成的水口、岩滩、高坝洲、隔河岩和彭水升船机所采用的垂直卷扬式，也不同于三峡升船机采用的齿条爬升式；因此，其可能发生的事故工况、造成的严重后果以及可以采取的有效应对措施都没有成功的经验可以借鉴。

本文依据景洪水力式升船机工程实际，借鉴在垂直卷扬式升船机事故工况分析及应对策略研究的成功经验，结合水力学分析和模型试验成果，对景洪水力式升船机可能发生的主辅泄水阀门故障、主辅充水阀门故障、浮筒及竖井故障、上游快速事故门误动、下游快速事故门误动、承船厢故障、同步轴及制动器故障、钢丝绳故障、通航水位超出范围、下游水位变幅过快、电源故障、监控网络故障和检测故障等故障工况进行了分析和研究，最后总结出供水力式升船机电气控制系统设计及运行时可采取的应对策略。

1 充泄水系统

1.1 主辅泄水阀门故障分析

主、辅泄水阀门布置如图1所示。当升船机上行时，先开启泄水辅阀，升船机系统慢速启动并加速上升。船厢出水后，开启泄水主阀，船厢加速上升。加速完毕后，水力驱动系统自动转为稳速上升，提升过程中，连续读取上游水位、船厢水深及船厢行程等数据。当运算的剩余行程与减速行程给定值相等时，关闭泄水主阀，驱动系统正常减速上升。当承船厢内水位高程与上游航道水面高程差值达到预定值时，完全关闭泄水辅阀，驱动系统正常停机。

图1 泄水阀门布置示意

主辅泄水阀门作为景洪升船机上行的关键控制对象，其有可能发生主辅泄水阀门均不能开启、均不能关闭、阀门漏水及阀门开度无法正常检测等故障情况。当主、辅泄水阀门中有个别不能开启时，升船机不能按照设计工况运行，只能通过手动开启正常泄水阀门缓慢泄水，影响运行效率，但不会造成安全事故；当主辅泄水阀都不能打开时，承船厢不能提升，如果承船厢位于下游对接位，且恰遇下游水位快速上涨，可能会发生水淹船厢的重大事故，此时必须快速关闭承船厢下游卧倒门，并通过输水系统主管检修排水泵泄水以提升承船厢。

在承船厢运行到上游时，如主辅泄水阀门故障而不能关闭，承船厢快速提升，可能冲过上极限位，同时浮筒落到消能工上，此时必须通过关闭下游快速事故门切断泄水水流，制止承船厢上升。

当泄水阀门漏水时，升船机在上游对接锁定前无法精确停位，对接锁定后会造成制动器受力平衡破坏，可以通过关闭下游快速事故门应对该故障。当控制系统不能检测到泄水阀门开度时，应快速关闭泄水阀，同时监测竖井水位情况，如水位仍在变化可以紧急关闭下游快速事故门以停止升船机运行。

1.2 主辅充水阀门故障

主辅充水阀门布置与泄水阀门相同，中间主充水管道上布置充水主阀，两侧布置充水辅阀。其同样也有可能发生主辅充水阀均不能开启、主辅充水阀均不能关闭、阀门漏水及阀门状态检测故障等故障情况。

当主、辅充水阀门有个别不能开启时，升船机不能按照设计工况运行，只能通过手动开启正常充水阀门缓慢充水，影响运行效率，但不会造成安全事故；当主、辅充水阀都不能打开时，承船厢不能下降，不会造成安全事故。

当升船机运行至下游水面附近主、辅充水阀门故障不能关闭时，承船厢快速下降，可能淹没水中，此时必须通过关闭上游快速事故门切断充水水流，制止承船厢下降。

当充水阀门漏水时，升船机在下游对接锁定前无法精确停位，可以通过关闭上游快速事故门应对该故障。当控制系统不能检测到充水阀门的开度时，应快速关闭充水阀，同时监测竖井水位情况，如水位仍在变化必须紧急关闭上游快速事故门以停止升船机运行。

1.3 浮筒及竖井故障

16个竖井水位在运行过程中可能会出现偏差，16个浮筒中可能会有个别浮筒漏水，导致对浮筒产生不同的浮力，同步轴和个别钢丝绳受力将会增大，严重情况下可能发生同步轴断裂等事故。所以电气控制系统应实时监测16个竖井水位及偏差、16个浮筒位置及偏差、16个浮筒内水深及偏差、64根均衡油缸压力及偏差、64根调平油缸压力及偏差、同步轴扭矩等参数。其超出设定范围时，应报警并停止运行，查明原因并处理后方可继续运行。

1.4 快速事故门误动

当升船机处于下降过程中，如果上游引水管进口快速事故门异常落下，承船厢由下降转为快速停止，船厢可能会产生振动。当升船机处于上升过程中时，由于是泄水阀门打开，所以上游引水管进口快速事故门异常落下不会影响升船机的运行。如果升船机在对接位对接时引水管进口快速门落下，由于对接时充、泄水系统所有阀门均关闭，所以不会造成严重后果。

下游快速事故门异常落下同上游事故门，也不会造成严重后果。

2 承船厢事故

承船厢可能发生船厢漏水、船厢内水深超范围、船厢倾斜等事故工况。

如果制动器未在制动位置时承船厢漏水，承船厢变轻，浮筒沉入水中部分增多，仍保持平衡，但是厢内船舶触底，升船机无法精确停位。此时应该驱动承船厢下行到下游并对接，同时检查漏水原因，整个过程要严禁制动器制动。如果制动器在制动位置时船厢漏水，船厢侧质量减轻，两侧受力不平衡，可以判断竖井水位与船厢质量 （水深）是否在安全范围内，如果在安全范围内则立即松开制动器；如果不在安全范围内，调节竖井水位以适应船厢质量，然后松开制动器。

当承船厢内水深低于2.3 m时，承船厢质量超出允许范围，此时应到下游对接位对接补水，然后再进行正常运行。

承船厢倾斜会造成船厢质量分布不均，钢丝绳受力不等，如果承船厢倾斜严重可能造成船厢与船厢池壁摩擦。此时应该驱动船厢到调平位置进行调平，且升船机在运行过程中应注意当承船厢水平度不满足要求时及时调平！

3 同步轴及制动器系统事故

连接卷筒的同步轴有可能发生断裂事故，造成承船厢倾斜。所以应限制竖井水位差值范围，超出范围时停止升船机运行。

制动器可能会出现意外制动、动作不同步和不动作等故障工况。如果在承船厢下降时制动器意外制动，竖井内水位不断上升，承船厢向下滑移。如果在承船厢上升时制动器意外制动，竖井内水位不断下降，承船厢向上滑移。此时应关闭对应充、泄水阀门，并判断竖井水位与船厢质量 （水深）是否在安全范围内，如果在安全范围内则立即松开制动器。所以在制动器松闸前应判断并预调整竖井水位以适应承船厢质量。

如果个别制动器动作不同步或没有动作，将会造成相应卷筒及同步轴受力增大。如果制动器动作不同步，应立即松开所有制动器，然后尝试重新制动。如果所有制动器不动作，由于制动条件是浮筒与承船厢受力平衡，所以不会造成安全事故。此时可以停止升船机运行，然后检查维修制动器。

4 钢丝绳连接系统事故

连接浮筒和承船厢的钢丝绳有可能发生受力不均匀和伸长不均等故障情况。当钢丝绳受力不均匀时，卷筒及同步轴受力增大。所以，应实时监测承船厢水平状态、均衡油缸和调平油缸压力以判断钢丝绳受力情况，发现问题及时处理。

5 其他事故

5.1 通航水位超出范围

如果升船机在运船上行时上游水位突然超出通航范围，造成升船机不能在上游对接，厢内船只不能出厢。如果升船机在运船去下游时上游水位突然超出通航范围，则不影响升船机本次的运行。应对该情况的方法是升船机下行到下游对接位对接后放出厢内船只，然后停止运行。

如果升船机在运船下行时下游水位突然超出通航范围，造成升船机不能在下游对接，厢内船只不能出厢。如果升船机在运船去上游时下游水位突然超出通航范围，则不影响升船机本次的运行。应对该情况的方法是升船机上行到上游对接位对接后放出厢内船只，然后停止运行。

5.2 下游水位变幅过快

景洪水力式升船机在下游采用的是入水对接方式，如果承船厢在下游对接期间遇到下游水位快速上涨，可能发生水淹船厢事故。应采用入水式升船机下游对接微调安全应急处理程序，根据下游水位实时调整船厢位置。同时，为了更加安全，在下游对接流程中不应该考虑制动器、顶紧装置、夹紧装置的投入。

5.3 电源故障

如果驱动LCU（现地控制单元）电源故障，则控制流程无法进行，当船厢在运行中，无法判断是否运行到位，此时只能紧急关闭充、泄水阀门和进、出水口事故门，保持船厢位置不变，依靠受力平衡停稳船厢。

如果充水阀门在开启状态突然断电，竖井水位不断上升，船厢会不断下降，可能发生水淹船厢事故，所以必须紧急关闭上游快速事故门，切断充水水流，保持船厢平稳停机。如果泄水阀门在开启时突然断电，竖井水位继续下降，船厢会不断上升，此时必须紧急关闭下游快速事故门，切断泄水水流，停止升船机继续运行。

制动器如果失去了驱动力，会自动制动，如果充、泄水阀在开启状态，将会造成严重事故，此时必须紧急关闭充、泄水阀门，同时根据船厢高程和水深调节竖井水深，保持浮筒和船厢两端受力平衡。

承船厢在上游对接状态突然断电，不能解除上游对接，如上游水位变化较快，应关闭上闸首工作小门以切断与上游水库的连通。承船厢在下游对接状态突然断电，不能解除下游对接，如下游水位变化较快，驱动系统应启动微调程序调整承船厢位置。

当承船厢在上游对接时上闸首子站突然断电，升船机系统不能解除上游对接，如果上游水位变化较快，可能发生事故，必须关闭承船厢上游卧倒门以切断与上游水库的连通。

集控系统断电不影响升船机正常运行，各现地控制子站转入现地控制方式可以继续运行升船机到安全状态。

5.4 控制系统网络故障

景洪水电站升船机监控网络由光纤双环以太干网和各现地子站内部网组成。网络故障可能会发生在每个现地子站内部，也可能在双环以太网。

如果驱动现地子站内部网络故障，将无法向制动泵站控制单元、充水阀门控制单元、泄水阀门控制单元、下游阀室出水口快速事故门控制单元下发动作命令和停止动作命令。此时只能通过驱动的远程IO系统快速关闭充、泄水阀门，同时也可以关闭进、出水口快速事故门，以确保升船机安全。

如果是承船厢现地子站内部网络故障，则承船厢顶夹紧装置、防撞绳装置、上游船厢门、下游船厢门等无法实现左右同步。如果在对接位置则无法解除对接，如果遇到紧急情况需要立即解除对接，可不考虑同步，通过手动方式收回船厢相关设备。

如果上闸首现地子站内部网络故障，则上闸首工作大门、工作小门、引水管进口快速事故门无法与上闸首现地子站通讯，如果船厢在上游对接位，无法自动解除对接。只能将控制方式转为手动后解除上游对接。

当监控双环以太网网络故障，无法实现站间正常通信，则升船机的运行安全将无法保证，升船机必须快速停止。所以在控制系统各现地子站间必须设有重要信号的硬接线闭锁。

5.5 检测系统故障

景洪升船机的检测装置数量繁多，检测设备的类型也比较多，所以检测设备故障在所难免。如果不能检测船厢水深，则无法判断船厢质量是否在允许范围之内，存在安全隐患。应停止升船机运行，检修维护。如在下游对接位，可根据船厢入水深度判断船厢水深。但应避免制动器制动。如果用于检测承船厢水平度的水平连通管故障，船厢水平状态不能直接检测，会影响升船机安全，但可通过船厢4角位置测量装置粗略判断船厢水平度。

当船厢入水深度检测故障时，承船厢如在下游对接位，则可以通过船厢水深判断入水深度；如在非对接位，则可通过船厢位置和下游水位间接计算出船厢入水深度。所以，此故障不会造成严重后果。

因为浮筒水位、位置检测不作为直接控制使用，所以其检测设备故障不会影响升船机正常运行。

6 结论

景洪水电站水力式升船机系统可能出现的最不利工况的分析表明，充、泄水阀门故障和制动器故障是影响景洪水电站水力式升船机安全运行最严重事故，而其他事故工况只会造成运行过程中断，基本上不会影响升船机运行安全。

在此基础上，我们制定了景洪水电站水力式升船机电气控制系统保护原则，即①把需要紧急快速关闭上、下游事故门的事故工况定义为升船机一类故障。一类故障必须在尽可能短的时间内停止升船机运行，此过程不考虑运行平稳及对设备造成的影响。②将需要快速关闭充、泄水阀门的事故工况定义为升船机二类故障。二类故障要求在不对升船机设备造成影响的情况下平稳停止升船机运行。③其他事故工况定义为三类故障，三类故障只作为报警提示，不停止升船机运行，当完成一个运行流程后在查明原因，并排除故障。

目前，景洪水电站水力式升船机已顺利完成单机和分系统调试，正在进行承船厢无水联合调试。各阶段的调试工作证明，对水力式升船机事故工况分析和应对策略是正确的。

［1］ 张蕊，章晋雄，吴一红，等.水力浮动式升船机输水系统仿真分析［J］.水利学报， 2007， 38（5）:624-629， 636.

［2］ 刘金堂，曹以南，凌云，等.景洪水力式升船机设计研究［J］.水力发电， 2008， 34（4）:43-45.