苏北运河船闸阀门运行控制工艺优化浅析

（京杭运河江苏省交通运输厅苏北航务管理处，江苏 淮安 223002）

京杭运河苏北段北起徐州蔺家坝，南至扬州六圩口，全长404公里，全程水位落差31米，沿线11个航运梯级，建有28座现代化大型船闸，是我国内河航道中仅次于长江的等级最高、渠化程度最好、船闸设施最为完善的人工航道，常年担负着沿线地区大宗物资中转集散及能源运输的战略任务，被誉为“黄金水道”。

1 苏北运河现行阀门运行控制工艺分析

船闸作为苏北运河重要的通航建筑物，有着严格的运行规程，稍有差错，将会产生严重后果。为确保船闸安全、可靠的运行，船闸自动控制系统根据闸阀门运行控制要求设计了八步控制流程：（从上行船舶出闸开始）①开上游闸门②关上游闸门③落上游阀门④开下游阀门⑤开下游闸门⑥关下游闸门⑦落下游阀门⑧开上游阀门。这八个步骤是相互联系的，每个步骤必须满足一定的条件才能运行。但在实际运行过程中，苏北运河全线十一个梯级船闸相对统一的工艺控制流程往往会在某种特殊情况下带来诸多问题，如近年来苏北运河受季节性潮汐、农业用水增加以及南水北调等多重因素影响，宿迁船闸每年有近一半时间处于平水位状态，施桥船闸2017年度在不同时期的水位差频繁变动范围达4米左右，导致阀门在有些情况下尚未提阀到位，闸室内外早已实际水平，如果继续按阀门工作行程（通常为4米）运行的话，将导致船闸运行效率大为降低（按现行控制系统设计要求：在闸室内外水平的情况下，必须至少有一扇阀门开到位才能开启同端闸门）。此前的解决办法是将阀门行程挡块根据水位变化不定期地进行人工调节，不但费时费力，调节高度和时间节点也难以做到精准无误。与此同时，在水位差较大的解台、泗阳船闸（常年保持5米左右的水位差），如果阀门按原设计速度（匀速1m/min）提升到位时，将因涨泄水过快导致闸室内水流流速和比降过大，闸首水流紊乱，引起局部水面惯性超高（或超降）(《船闸输水系统设计规范》JTJ-306要求不大于0.25m)，回流明显（苏北运河船闸除泗阳三线外全部采用集中短廊道输水），对过闸船舶和机械设备的安全造成重大影响，曾发生船舶系缆折断、闸门活塞杆顶弯等重大安全隐患。特别是采用固定系船设施的船闸，闸室灌泄水时，水面最大升降速度应不大于5～6cm/s。此前我们更多的是考虑闸阀门设备本身运行安全，设计思路是通过设置变速行程开关或通过位移传感器的行程变量来实现闸门慢-快-慢的运行控制流程，阀门则更多的采用匀速运行。但实际上在保证闸阀门等机械设备本身运行安全的前提下，苏北运河水位差相对悬殊的船闸，阀门运行速度采用差异化的控制工艺流程对船舶的运行安全与船闸的运行效率非常重要。以三峡船闸为例，他们通过与南京水利科学研究院合作，通过几年的时间，建立起阀门启闭时的水力学模型，并在实践中不断优化调整，为阀门在不同的水位工况条件下提供最佳的运行方案，既提升了船闸运行效率，又保障了船舶及设备本身的运行安全。

2 苏北运河阀门运行控制工艺优化方案

随着变频技术与传感技术在船闸的广泛应用，使我们在解决此类问题时有了更多的方法和手段。本文拟结合PLC电气控制系统，根据不同船闸的水位、阀门启闭力变化趋势曲线、输水形式等，设计不同的阀门运行控制工艺。

2.1 工艺方案一

效率优先，保障安全的原则：水位差较小且水位变化较为频繁的船闸（如宿迁、施桥、邵伯、淮安船闸等），在阀门开启前，水位计检测当前闸室内外实际水位差△H，△H≤3米时，阀门按原设计速度1m/min匀速开启,（因水位差较小，闸室内外涨泄水的水流相对平稳，对闸室及引航道停泊的船舶安全影响不大）。阀门在提阀过程中，水位计实时检测闸室内外水位变化，如果阀门尚未提到顶闸室内外水位实际已经持平且门头开关已开，水位计即作为到位虚拟行程开关参与控制并提供给PLC阀门到位信号，闸门开启；如果水位计因故障不能参与控制,则原有的提阀行程开关继续作为阀门到位检测装置参与控制。如果在阀门开启前闸室内外实际水位差△H≥3米，PLC系统则屏蔽掉水位计参与控制功能，阀门按工艺方案二运行。此方案优点是匀速启闭对电机、油泵及阀门本身运行安全有利，阀门可根据水位在任意位置实现悬停，减少人为调整阀门行程挡块的频率，在运行安全等级没有降低的情况下，最大限度地提高船闸的运行效率。

2.2 工艺方案二

安全优先，兼顾效率原则：水位差较大的船闸（如解台、泗阳船闸）可通过变频器实现阀门分极调速运行，改善水流条件，保障船舶运行安全。方法是将PLC的输出端子接变频器的多功能端子，并根据运行现场实际需要设置相应的电机运行频率和变速极数（频率一般设定在30Hz-50Hz)，通过PLC输出端子的闭合和断开组合，使变频器在不同频率下运行。鉴于目前苏北运河普遍采用施耐德ATV71系列变频器，该变频器既可以通过PLC与变频器上的RS485通讯接口相连，采用PLC编程通讯进行控制，实现电机无级变速运行，也可以通过逻辑量输入端口设定并物理连接，进行多段速调速。考虑到三相异步电机对连续变频适应性较差，阀门提阀初步拟定为三段速运行，每段行程及运行速度按阀门启闭力大小变化趋势及现场运行管理经验进行设定，确保不超过1m/min的规范设计要求。其优点是能延缓阀门启闭速度，改善水流条件，保障船舶运行安全。三段行程及对应的运行速度根据采集的六个船闸阀门的运行工况分析如下：

由表1和图1可知，样本船闸初始提阀压力区间为（8.40～11.15）MPa，平均值为9.16MPa，对应初始提阀行程平均值为1.45m；中段提阀压力区间为（6.30～9.50）MPa，平均值为7.93MPa，对应中段提阀行程平均值为1.48m；后程提阀压力区间为（5.28～9.50）MPa，平均值为7.24MPa，对应后程提阀行程平均值为1.06m。受船闸水位差、阀门运转副磨损、泵站工作参数调整不一致等诸多因数影响，不同船闸甚至同一船闸不同阀门在初始提阀运行、中段运行、后程运行三个不同阶段，阀门行程与压力之间无法形成一致的关系曲线，但样本阀门在三个不同阶段的行程与压力关系曲线趋势是一致的，即从初始提阀开始，随着阀门行程的变化，系统工作压力总体上呈阶段性阶梯型下降变化。由此拟定初始提阀运行阶段为0～1.5米、中段运行阶段为1.5～3.0米、后程运行为3.0～4.0米，对应的电机工作频率分别按50HZ、40HZ、30HZ运行，总运行时间控制在4-5分钟左右，不断优化调整。

表1 阀门运行工况统计表

图1 提阀压力与阀门行程关系曲线

3 结语

借助变频技术及水位计在苏北运河船闸的广泛应用，通过优化阀门运行控制工艺，为十一个梯级船闸提供差异化的运行控制方案，在保证设备设施安全运行的情况下，最大限度地提高船闸运行效率。