长江感潮段沿江引水闸过闸流量的自动控制

钱福军，钱 江

（江苏省泰州引江河管理处，225321,泰州）

传统的水闸控制方式为强电就地控制和强电集中控制，随着计算机及自动控制技术的应用，水闸的控制方式升级为计算机远方控制，管理人员可在控制中心实现对闸门的远方操作。在大部分的水闸工程上，闸门开启高度及启闭顺序主要靠人工来进行测算和控制：根据水闸的水位组合情况和上级调度指令要求，先查“始流时闸下安全水位—流量关系曲线”，确定初始可泄放的最大流量，然后根据调度指令要求的流量，从 “闸门开高—水位—流量关系曲线”中查得闸门开启高度，当要求达到的流量大于始流值时，则必须分步开启，过闸流量必须与上下游水位相适应，使水跃发生在消力池内。开闸时由中间向两边依次对称开启，关闸时次序相反。

一、感潮河段沿江引水闸控制运用的特殊性

在水闸上下游河（渠）系水位变化度幅不大、不频繁时，上述控制方式基本满足了水闸的使用要求。但长江下游感潮河段的沿江引水闸，侧水位受长江中上游暴雨洪水和长江口海洋潮汐等综合因素的影响，变化幅度大、频繁，传统控制方式无法动态跟随水位变化及时调节闸门开高，出现引水不足或超设计流量运行等情况。

一是水位变化的不规则性，往往使闸引水流量无法准确控制。过闸流量受上下游水位组合及闸门开高双重因素影响，闸门不能及时跟踪调整，流量易失去控制。

二是保证工程安全应用，运值人员须按水位变化情况，查表测算开高，及时调整闸门高度，以满足流量调度要求。运值人员劳动强度大，也难以及时调节。

三是流量调节不及时，对水闸效益发挥及工程安全带来不利影响。当长江水位下降时，闸门开高不及时增加，造成引水不足，影响工程效益发挥；当长江水位上涨时，闸门开高不及时降低，会造成超设计工况运行，给水闸工程本身及输水河道的安全运行造成威胁。

二、感潮河段沿江引水闸过闸流量自动控制的实现

沿江引水闸运行调度多采用定流量控制方式，对日均流量和最大流量提出要求，利用水闸自动监控实现水闸过闸流量的自动调节，既能保障调度指令的严格执行，又能促进水闸的安全运用，减轻运行人员劳动强度，实现水闸控制运用自动化。

1.引流自动控制的基本方法和策略分析

实现定流量自动控制，即上下游水位变化后，可以自动调节闸门高度，保证实际流量符合调度要求，同时可保证水闸的自身稳定和河道安全。当然，水闸的控制运用首先须符合控制运用的相关规范，因此提出了感潮河段沿江引水闸引流自动控制策略如下：

①按勘测设计部门提供的水闸控制应用条件，当下游水位低于消能设计计算时的安全水位时，应控制始流，待下游水位升至安全水位以上后，方可正常控制运用。

②通过水文测流，率定流量经验公式，即流量大小与上游水位、下游水位、闸门开高的关系。闸门开启的高度e可根据调度设定的流量Q设、上游水位H、下游水位h计算得出。

③按照 《水闸技术管理规程》要求，闸门开启由中间向两边分批依次对称开启，关闭顺序相反，分批启闭时间间隔须根据闸门启闭速度和水流状态确定。

④由于水位不断变化，避免闸门启闭机频繁调节，要允许有一个合适的流量浮动范围ε（ε根据运行情况总结得出）。当实际流量Q实在区间[Q设-ε,Q设+ε]内，闸门不调节；当Q实<（Q设-ε）时，闸门上升；当 Q实>（Q设+ε）时，闸门下降。

⑤为确保在任何水位组合下水流平稳、水闸稳定、水跃均发生在消力池内，要求分级启闭闸门，相邻闸门开启高差不得超过0.5 m,逐级循环启闭至计算高度e。一个操作循环结束，要留有合理的时间间隔，待水流平缓后，再进行下一个循环操作。

⑥为保证流量计算准确，上下游水位采集不宜紧靠闸室，而应将水位计设置在两岸水面无横比降，无漩涡、回流、死水等现象发生的水流平顺的断面。

⑦为保证自动控制的安全可靠，除在启闭机上使用主令控制器设定上下限位外，可在控制程序中设置上限位。

⑧遵循闸门启闭现场手动控制比自动控制优先。

⑨由于风浪影响或水位测量误差可能造成水闸上下游水位偏差，为防引排倒流，设定上游水位比下游水位高0.01 m以内时，闸门一次性关到底（不分级关闸）。

2.高港节制闸过闸流量自动控制的实现

江苏省泰州引江河管理处高港枢纽位于长江下游北岸泰州市高港区口岸镇西北约3km处，枢纽节制闸和泵站采用闸站结合布置形式。高港枢纽节制闸共5孔，每孔净宽10 m，设计流量为440 m3/s，采用弧形钢闸门；泵站采用堤身式双向箱形流道结构,立轴双层进出水流道，配开敞式轴流泵9台，每台机组设置4扇平面钢闸门，可通过下层流道实现160 m3/s的自流引江。高港枢纽1999年建成时，节制闸和泵站的监控系统采用SUPCON JX-300型DCS集散控制系统，如图1监控系统部分所示，在中央控制室可实现对闸门的操作控制，并可采集闸门开高及上下游水位，实时显示。

结合感潮河段沿江引水闸过闸流量自动控制的策略分析及自身工程情况，高港节制闸基于监控系统，运用系统组态，编写自动控制程序，实现了过闸流量的自动控制。

高港闸站工程自流引江控制采用上下游水文站采集的水位数据，其中下游水位计距离闸口650 m，上游距离闸口600 m，以485信号传输至监控系统数字通信卡。闸门的高度采用绝对型编码器测量，由于编码器与启闭机之间通过齿轮连接，能精确测量闸门高度，即使失电也能在电源再次接通后读出闸门高度变化当前读数，编码器输出的SII信号，经现场仪表解码后转换成4～20mA信号送至监控系统的采集控制站。组态程序中设置的主要参数有：内河侧的安全水位按照工程设计要求取值为1.0m，流量允许范围ε取值为10%Q设，循环内分级启闭时间间隔为60s，循环间启闭时间间隔为200 s，越限高度根据潮位动态设置。流量经验公式每年根据水文实测情况进行修订，当水差△h=H-h<0.6 m，Q=3.633Be（△h）0.4346； 当水差△h=H-h≥0.6 m，Q=3.526Be（△h）0.3761。 其中：e为闸门开高，B为水闸净宽（5 孔×10m=50m），h 为内河（引江河）水位（m），H为长江侧水位。节制闸过闸流量自动调节的控制算法如图2所示。

在监控界面上，运行人员可进行流量自动调节，还可对闸门进行提、落、停控制，或对闸门进行定高度控制，界面显示数据信息包括上下游水位、闸门高度等。除流程界面外，系统对闸门开高、水位、流量等重要参数的趋势变化进行跟踪，以趋势图记录，方便分析。

图1 高港枢纽闸站工程自动化系统结构图

图2 高港节制闸过闸流量自动调节控制算法流程图

在实现本地监控的同时，监控系统将包括节制闸在内的运行数据和统计数据，通过单向网闸传输至信息管理系统显示、存储和分析管理，如图1所示，信息管理系统以Web方式提供节制闸实时运行状况的浏览服务，用数据库存储并统计今日引水时数、今日引水量、今日最高水位、今日最大流量等运行数据和特征数据，授权用户使用计算机或手机通过互联网浏览和监视节制闸的运行状况，多组合查询各种数据信息。另外，信息管理系统以功能模块的形式实现节制闸的日常管理信息化，将节制闸的组织管理、值班管理等工作规范化、流程化。

高港节制闸过闸流量自动调节控制功能的开发，使高港枢纽自动化水平得到进一步的提高。一是大大减轻运行人员的劳动强度，提高了工作效率。二是过闸流量能及时根据水位变化进行自动调节，引水流量不超标，确保了水闸稳定和河道安全。三是确保了防汛调度指令有效执行，引足水量。

高港节制闸过闸流量自动控制成功运用后，对高港泵站下层流道自流引江的自动控制进行了研发。高港泵站自流引江时，将内河侧下道闸门全开，通过调节长江侧下道闸门开高实现流量控制。控制策略和实现方式与节制闸类似，但在实际运用中发现，因下层流道的闸门启闭速度太快，达2.64m/min，闸门经常不能在设定的高度自动停止，出现自动控制失灵，且启闭机刹车磨损较快。为此，通过对启闭机电机加装变频器，使闸门升降速度降至1.32m/min，实现了自动控制的可靠运行。

三、感潮河段沿江引水闸过闸流量自动控制的意义及经验

感潮河段沿江引水闸过闸流量自动控制的实现，适应了水利现代化建设的要求，把水利工程管理的普遍原则，本地水利工作的主要特点，以及现代科学办法和科技手段有机结合。通过水闸自动控制功能，大大减轻了运值人员的劳动强度，提高了工作效率，也使人员能及时发现异常情况并采取措施，确保工程效益的充分发挥和安全应用。

由于长江来水夹江、河口回流影响以及引河河口下游凸嘴促淤作用而造成的严重淤积，引进江水中的夹江沿内河河道逐渐沉淤，河床受水流的冲刷等，都对水流有影响。因此，要定期测流校验流量公式，确保引流量的准确无误。闸门开高频繁调节易造成启闭机刹车加速磨损，运值人员应加强巡查，确保启闭机安全运行。水位计能否准确测量水位关系自动控制系统能否安全可靠的运用，应定期检校水位计工作情况、数据传输情况，保证测量准确、传输可靠。

[1]水闸技术管理规程（SL 75—1994）[S].1994.

[2]江苏省水闸技术管理办法（SL 214—1998）[S].1998.

[3]林伟.水文勘测工[M].北京：电子科技大学出版社，2004.

[4]高杏根.自动监控系统在河道水闸防洪排涝中的应用［J］.水利水文自动化，2009（1）.

[5]程洪波.山美水库溢洪道闸门自动化改造设计[J].水利科技，2003（4）.