竖井式进出水口闸门控制策略与运行管理

2018-03-31高从闯王实甫陈忠宾倪海梅

水电站机电技术 2018年3期

高从闯，王实甫，黄　艳，陈忠宾，吴　浩，倪海梅

（1.江苏国信溧阳抽水蓄能发电有限公司，江苏溧阳 213334；2.南京瑞迪建设科技有限公司，江苏南京 210029；3.江苏沙河抽水蓄能发电有限公司，江苏溧阳 213333）

0　引言

竖井式进出水口体型结构复杂、规模庞大、水力计算边界条件众多，再加上闸门数量较多，与常规的侧式进出水口相比，其设计及运行管理难度较大。为了保证结构和设备安全，必须对闸门控制策略进行研究，并精心做好日常运维工作，才能发挥其应有的社会和经济效益。

1　工程概况

江苏溧阳抽水蓄能电站地处江苏省溧阳市，电站主要任务是为电力系统提供调峰、填谷和紧急事故备用，同时承担系统的调频、调相等任务。电站共装设6台250 MW混流可逆式水泵水轮电动发电机组，总装机容量1 500 MW。布置两条引水流道，1～3号机组共用1号流道，4～6号机组共用2号流道。受工程地形地质条件的影响[1]，电站上水库进出水口无法采用常规的侧式进出水口，只能做成竖井式，上水库设2个竖井式进出水塔，每个进出水塔分隔成8个孔口，环形布置，共有16套事故检修闸门。两座塔体的中心间距为140.0 m，塔体顶部平台高程为295.0 m，进出水塔塔顶设置启闭机房，直径约40 m，塔体顶部平台通过交通桥与环库公路相连。

闸门孔口尺寸均为6.896 m×7.0 m(宽×高)，底板高程242.0 m，设计水位291.0 m，设计水头49.0 m，闸门门型为单吊点平面滑动闸门。每扇事故检修闸门各由1台固定卷扬式启闭机操作，启闭机布置在井式进水塔塔顶排架高程311.9 m平台的机房中，启闭机容量为4 500 kN，扬程55.0 m，启闭机速度为重载1.2 m/min、轻载2.4 m/min，工作级别Q2-轻，闭式传动，变频调速，设工作制动器及安全制动器两套安全防护系统。在门槽顶部高程295.0 m处设有电动推杆锁定装置，闸门平时通过电动推杆锁定装置锁定在孔口内，当闸门需要关闭时，先将闸门提升一定高度，电动推杆锁定装置退出锁定状态，再操作闸门下落。每个井式进水塔设一套电气控制设备，完成对启闭机的控制[2]。2个井式进出水塔外观设计简约美观，与周围景观融为一体。井式进出水口工程形象面貌见图1。

图1　井式进出水口工程形象面貌图

2　闸门运行工况及技术要求

2.1　运行工况

依据规程规范[3]，溧阳抽水蓄能电站上水库进出水口闸门为事故检修门，其主要运行工况包括：

（1）当上水库初期蓄水时，事先关闭闸门挡水；

（2）当引水压力管道或机组球阀需要正常检修时，静水情况下关闭闸门，排空管道，为检修创造条件；

（3）当引水压力管道或机组发生故障，采用机组导叶或球阀切断水流，然后在静水情况下关闭上水库闸门，排空管道，为检修创造条件；

（4）当引水压力管道或机组发生事故，机组导叶拒动，且球阀也无法关闭时，由水淹厂房事故按钮或水淹厂房浮球信号动作动水关闭上水库闸门。

2.2　技术要求

每个井式进水口中距离交通桥最近的闸门编为1号闸门，闸门按俯视圆形进水口顺时针依次编为2号闸门、3号闸门、4号闸门、5号闸门、6号闸门、7号闸门、8号闸门；两扇对称闸门编号为1号闸门和5号闸门、2号闸门和6号闸门、3号闸门和7号闸门、4号闸门和8号闸门。

（1）闸门启动的先后顺序要求：最大程度保持水流的平顺，先后顺序依次为1号闸门和5号闸门、3号闸门和7号闸门、2号闸门和6号闸门、4号闸门和8号闸门；

（2）充水平压要求：闸门门顶设有压盖式充水阀，用于充水平压后操作启门；充水阀的开启数量与开度根据引水道充水水位上升速率确定，充水阀要求对称开启且开度相同；

（3）闭门要求：每组启闭机启动时间间隔10 s；对称两扇闸门的不同步控制在100 mm以内；

（4）启门要求：平压后方可启门，启门时上下游水位差不得大于5 m；启门亦采用相对对称的两扇闸门组成一组，同时动作的方式；每组闸门启动时间间隔10 s；

（5）控制要求：闸门既可现场操作，也可远方操作。

3　闸门控制策略

3.1　电气控制逻辑

每个井式进出水塔设1套现地集中控制设备，由1只现地集控柜和8只闸旁分控柜组成。闸旁分控柜负责采集与处理闸门的开度、荷载等信号，在柜前面板上显示实时状态，同时将状态信号通过I/O接口发往现地集控柜；闸旁分控柜可手动操作闸门，也可接收集控柜发出的指令，完成集控工况下的闸门控制。现地集控柜负责通过I/O接口接收闸旁分控柜上送的现地状态信号，经PLC处理后，发出现地集控指令，进行闸门控制；同时将现地状态信号发往上水库现地LCU，并接收其发出的远方集控指令，送回闸旁分控柜，进行闸门控制。上水库现地LCU负责通过光缆将闸门现地状态信号上送至中央控制室计算机监控系统，同时接受其发出的远程集控指令，进行闸门控制。闸门控制逻辑见图2。

图2　闸门控制逻辑图

3.2　操作流程

3.2.1单扇闸门操作流程[4]

（1）关闭闸门程序

现地或远方落闸指令→启动电动机，工作制动器和安全制动器同时打开，按约2.4 m/min的速度提升闸门，提升高度约0.5 m，发出到位信号→停止运行，工作制动器制动，安全制动器延时1 s制动→启动电动推杆锁定装置，退出锁定状态后停止，发出到位信号→启动电动机，工作制动器和安全制动器同时打开，闸门按约2.4 m/min速度下降至孔口门楣上方约1 m处；在约1 m的行程内降速至约0.6 m/min，再按约0.6 m/min运行至全关位，发出闸门全关信号；再按0.6 m/min的速度关闭充水阀，发出到位信号→停止运行，工作制动器制动，安全制动器延时1 s制动。

（2）开启闸门程序

现地或远方启门指令→启动电动机，工作制动器和安全制动器同时打开，按约1.2 m/min的速度打开充水阀，发出到位信号→停止运行，工作制动器制动，安全制动器延时1 s制动→充水阀充水平压，水头差≤5 m时，发出平压信号→再启动电动机，工作制动器和安全制动器同时打开，按约1.2 m/min的速度提升闸门至门楣位置，在约1 m的行程内速度增为约2.4 m/min，按约2.4 m/min的速度直至闸门提出孔口上限位，发出到位信号→停止运行，工作制动器制动，安全制动器延时1 s制动→启动电动推杆锁定装置，进入锁定状态后停止，发出到位信号→启动电动机，工作制动器和安全制动器同时打开，按约1.2 m/min的速度将闸门下降至锁定位置，发出到位信号→停止运行，工作制动器制动，安全制动器延时1 s制动。

3.2.2闸门联合控制操作流程

（1）关闭闸门程序

现地或远方落闸指令→落1号和5号闸门→延时10 s→落3号闸门和7号闸门→延时10 s→落2号闸门和6号闸门→延时10 s→落4号闸门和8号闸门→各闸门按照单扇门动作程序动作到位，发出闸门全关信号。

（2）开启闸门程序

现地或远方启门指令→启1号闸门和5号闸门→延时10 s→启3号闸门和7号闸门→延时10 s→启2号闸门和6号闸门→延时10 s→启4号闸门和8号闸门→各闸门按照单扇门动作程序动作到位，发出闸门全开信号。

4　运行管理需重点关注的问题

4.1　电源可靠性

可靠的电源是闸门正确动作的必要条件。由于井式进出水口闸门数量多，且启闭机功率较大，本工程每台启闭机电机功率为110 kW，如果同时启动对厂用电冲击较大，因而在启动逻辑设定时考虑延时10 s，避免同时启动。在负荷分配上，将每个井的8扇闸门分成两组，分别从两段母线取电，两段母线互为备用，并设有保安电源，确保供电可靠性[5]。

4.2　做好定期试验工作

要定期开展闸门启动试验，及时发现问题，以保证随时处于可用状态。试验过程中要特别关注对称闸门同步性问题，由于每扇闸门的滑轮及滑块与门槽接触产生的摩擦力不同，经过长距离运行，由摩擦力产生的开度误差会越来越大。发现偏差较大，要修改完善PLC内部控制程序，自动将速度落后一侧的启闭机电机运行速度适度加快，从而与对侧开度差控制在100 mm以内。

4.3　做好设备定期维护工作

定期对设备进行检查维护，重点关注齿轮箱油位、钢丝绳润滑油、工作和安全制动器间隙、传动机构有无磨损断裂情况、锁定装置动作灵活性等；对开度仪开展定期校验，确保测值示值准确；对二次控制回路定期开展清洁和校验工作，防止误动、拒动[6]。

4.4　加强库区管理

根据相关规程规范规定，当上、下水库由人工开挖筑坝而成又无污染源（包括高坡滚石、泥石流等）的情况下，其进出水口可不设置拦污栅[3]。进一步考虑降低结构设计难度，溧阳抽水蓄能电站上水库进出水口没有设置拦污栅。这对库区管理提出了更高要求，需采取库区全封闭、设置全域视频监控、外来参观人员由电站人员引导等措施，确保上水库无异物进入，防止因异物进入门槽使闸门无法操作。