青草沙水库检修闸门自动化改造应用设计

李国俊+许盛+奚培荣

摘 要：近年来随着科技水平的不断提高，水务行业中越来越多的生产设备具备了自动化控制以及远程监控的功能，这不仅大大提高了设备运行效率，同时也达到节能减排、减少人力成本、降低发生人身安全事故的概率。该文主要阐述将检修闸门启闭方式改造为暗杆螺杆机以及PLC远程控制系统，从而设计出一套既能就地进行控制闸门启闭、开度、报警检测，同时在上位机亦具备远程检测、控制、急停的方案，从而确保即使在恶劣天气、少人值守的情况下，仍然能保持较高的设备运行效率、保证供水安全。

关键词：检修闸门 螺杆机 自动化

1 检修闸门概况

青草沙水庫作为我国最大的河口江心型水库，是上海重要的水源地之一，有效库容达4.35亿m3，设计最大日供水能力为719万t/d。取水泵闸泵段共有12扇检修闸门，每两扇闸门对应一台取水泵，分别处于各自机泵进水流道处（表1）。

2 问题的提出

目前，在咸潮期间采用双吊点葫芦对检修闸门进行启闭。但在运行实践中发现以下问题：（1）起吊难度大：目前采用两台双吊点电动葫芦对12扇检修闸门进行起吊，由于双吊点与闸门采用卡扣连接，在对接过程中难度较高，时常出现由于葫芦卡扣的晃动导致连接失败，从而大大影响工作效率。（2）时间长度大：在起吊检修闸门前，需双吊点葫芦先对24块盖板进行起吊，由于盖板重量大且数量较多，因此平均起吊一扇检修闸门所需时间一般就长达35 min，若遇到应急抢修等突发情况，不利于快速处置。（3）作业环境要求高：双吊点葫芦钢丝绳高度达10 m，在启闭过程中遇降雨或风力气候环境时，将增加操作风险，同时由于中控室没有检修闸门远程监控系统，在恶劣气候时，值班人员无法进行现场操作，值班人员在上位机中无法实时掌握检修闸门信息并进行紧急操作。（4）检修难度大且不利于应急响应：两台双吊点葫芦使用时共用一根行程轨道，分别对应两段各12台检修闸门，一旦其中1台双吊点设备损坏（双吊点葫芦设备安装位置在长江口，咸度极高易腐蚀设备），将导致对应的检修闸门全部无法启闭，可能存在较大的供水隐患。

因此，基于以上4点，需要为取水泵闸检修闸门设计出一种既能够高效率、安全的启闭方式，又能够使数扇检修闸门同时进行启闭、在现场和上位机都能够远程对闸门开关状态、启闭开度、报警警示等参数进行监控，从而确保水库的供水安全。

3 改造设备方案分析

目前主流闸门启闭的方式主要包括：固定卷扬机启闭、螺杆机启闭、液压启闭3种方式，其拥有各自的优缺点（表2）。

对比以上3种改造方案，根据使用习惯与设备可靠性，决定采用暗杆螺杆机的改造方案。虽然螺杆机启闭机技术较早，但其结构简单、价格低廉、对加工精度要求相对较低、维护容易、工作稳定等重要特点，较为适合检修闸门的工况。另外，螺杆机也能兼顾远程控制，从而实现自动化的同时也能现地手动操作，从而实现双保险。由于启闭机使用频率并不高，对倡导的节能减排来说，影响甚微。

4 工艺设计

由于检修闸门安装于上游取水主泵前，亦属于重要生产设备，需确保其正常、高效启闭。在改造设计中，尤其需注意由于检修闸门流道内一般处于无水状态，而检修闸门外部的水位随潮位持续变化，此时检修闸门所需启闭力与其闸门内外水位差成正比，因此需对具体启闭机驱动力进行核算。

4.1 启闭力计算

闸门重量为G=9 t，闸门宽度b=4 m、闸门高度h1=6.35 m，最大潮位h2=8.5 m，为考虑启闭力及电机功率在启闭闸门计算上的误差，故选取超重系数为β=1.1。总静水压强点取闸门的几何中心。

检修闸门重量：

W=β×G=1.1×9T=9.9T=99000N

闸门上端压强：

P1=ρg（h2-h1）=1000×10×（8.5-6.35）=21500pa

闸门下端压强：

P2=ρgh2=1000×10×8.5=85000pa

作用于闸门的总静水压强：

P总=（P1+P2）=（21500+85000）=53250pa

作用于闸门的总静水压力：

F=P总×S=P总×b×h1=53250×4×6.35=1352550N

启门时克服水压的摩擦阻力：

T=fx×P总=0.14×1352550=189357N

启闭力：

FQ=G+T=99000+189357=288357N，即：单根螺杆受力FQ′=144178.5N。

采用Tr60×12梯形螺纹；中径d2=54 mm，内径d1=47 mm，导程S=12 mm，螺旋传动的摩擦系数f=0.2，得：j=11°19。

螺旋升角：

α=tan-1S/（π×d2）=4°03 tan（j+α）=tan15°22

启闭闸门时的扭矩：

M2=FQ′=1069776N·mm，即1.07×103 N·m。

取总传动效率η=0.66，转速n=12 r/min。

电动机功率：

N===2.03kW，故选用4 kW电机。

4.2 结构设计

整个流道口底部至地面平台地面距离为17 m，考虑到运行时间及效率，闸门无需完全提升至满量程，根据运行工况只需将闸门提升出流道口即满足工况。这样也极大节省了时间成本。同时为确保螺杆机在恶劣天气下的设备状态，选用不锈钢罩进行保护并在钢制平台下加开观察孔（螺杆机与钢制平台一体化），从而能对封闭在钢制平台下的检修闸门进行观察。另外，为避免丝杆在检修闸门开启过程中长时间受力造成损伤，计划在钢制平台处加设一插销，缓解丝杆所受拉力（图1）。

4.3 控制设计

为确保检修闸门启闭正常，运行控制方式采用手动本地、上位机远程控制相结合的模式。由于在一般情况下，起吊检修闸门均要求两名值班人员在场进行操作及监护。因此，在本地模式中就地设立一个手动操作控制柜，对检修闸门进行控制。在闸门机械连锁启动时，控制柜中的报警灯亮起并紧急停止闸门运作（表3）。

由于检修闸门地处长江边，考虑到时常有恶劣天气出现，因此为螺杆机配备相关自控设备，为紧急情况下的应急处理做好保障。为确保检修闸门自控系统能够顺利与水库其他设备相连接、互相兼容，同时考虑此次检修闸门的控制信号以及相关数字量、模拟量信号数量、使用环境等情况。可采用AB系列小型PLC，通过罗克韦尔三层网络（信息层、控制层、设备层）高效、安全、稳定地对各类信号、设备进行传输、控制（表4）。

远程控制除了体现全部就地控制的信号外，还接入开度超差监控、软件报警等功能，最大程度预防恶劣天气下，螺杆启闭机检修闸门运行不平衡从而造成丝杆断裂等重大安全隐患。另外，设备相关信号均通过设备层分别接入至PLC模拟量、离散量模块，然后通过工业交换机传至上位机，从而达到能够在上位机进行远程监控的功能。

5 改造后效果

检修闸门通过此次改造，将原有双吊点葫芦启闭改成暗杆螺杆机启闭之后，预计将会得到如下改进：（1）开启时间由改造前的6 h（包含12台闸门以及其盖板的启闭）缩减至30 min（改造后可以多扇闸门同时启闭且免去了盖板起吊的过程），从而使运行效率大大增加。（2）增加远程监控功能，使得值班人员在中控室能够对检修闸门运行状态进行监测及控制，不仅减少了人力成本，同时增加了应急情况下的处置反应速度与能力。（3）保证了全天候的闸门运行工况，改造后加装不锈钢外罩及钢制平台后，大大提升了检修闸门运行的稳定性，能够应对恶劣天气下的运行，确保供水正常运行（图2）。

参考文献

[1]DL/T 5013-95，水利水电工程钢闸门设计规范[S].

[2]SD 297-88，QL型螺杆式启闭机系列参数[S].

[3]吴卫峰，李靖谊.液控翻板闸门的设计与应用[J].中国水利，2009，9（10）：81-82.