新型齿杆式启闭机在引黄济青改扩建工程中的应用

孙 羽中，王肖肖，庄志凤

（1.山东省调水工程运行维护中心，山东济南250100；2.山东省调水工程运行维护中心博兴管理站，山东博兴256500）

1 工程概述

引黄济青工程是国家“七五”期间重点工程，是建国后最早建成的大型长距离多梯级泵站调水工程之一。工程始建于1986年，1989年建成通水，西起滨州市博兴县打渔张引黄闸，东至青岛白沙水厂，全长290.00km。其中，输水明渠长253.24km，沿线穿越大小河流36条，各类建筑物450余座，带节制闸建筑物60余座，大型平原水库1座。各类水闸共安装螺杆式启闭机183台，工程运行30余年，已累计引水94.09亿m3，为解决青岛市用水危机，促进经济社会高速发展发挥了重要作用。

2 工程改造原因及过程

引黄济青工程运行至今，闸站工程设施已进入老化期，输水能力已不能满足设计输水要求，机电及金属结构设备均为20世纪80年代产品，运行效率和安全性低。启闭机作为重要调水控制设备，原螺杆启闭机缺少自动控制系统，老化严重，启闭闸门不灵活，闸门开度控制困难，无法实现远程控制与闸门运行数据的采集。因此，在引黄济青改扩建工程中对原螺杆式启闭机进行了更新改造，采用新型齿杆式启闭机共计174台套。

引黄济青改扩建工程于2020年底完成通水验收。工程运行表明：该启闭机运行灵活可靠，达到了控制运行安全可靠、智能化操控、高效运行的目的。实现了远程控制和信息传输，为引黄济青工程安全调度运行奠定了基础。

3 齿杆式启闭机机构组成及工作原理

3.1 机构组成

山东省引黄济青改扩建工程齿杆式启闭机为双吊点、中间主机集中驱动、左右副机对称布置结构。主机由电动机、行星齿轮减速器、电磁离合器、手摇机构和机架等组成；副机由齿轮-齿杆传动系统、齿杆导向装置和机架等组成；主机和左右副机通过联轴器和中间传动轴联接。启闭机还配有电气控制、闸门开度仪、闸门极限限位、闸门自重闭门速度调节等安全保护装置。

3.2 工作原理

1）电动操作

接通电源。此时，（电机）电磁离合器通电接合，（手动）失电电磁离合器通电断开，（自重）失电电磁离合器断电接合；动力由电动机经齿轮传动，通过驱动一、二级减速，再通过行星齿轮减速器减速，经输出齿轮传动，达到工作要求的转矩、转速，使齿杆上下运动，启闭闸门。

2）手摇机构操作

停电状态。此时，电磁离合器断电断开（电机驱动断开），失电电磁离合器断电接合。动力由手轮经齿轮传动，通过驱动一、二级减速，再通过行星齿轮减速器减速，经输出齿轮传动，达到工作要求的转矩、转速，使齿杆上下运动，启闭闸门。

3）自重闭门

市电停电时，（自重）失电电磁离合器通过UPS通电断开，闸门依靠自重实现闭门。

4）电气控制与自动化

齿杆式启闭机配带控制柜，柜内设有自动空气开关、交流接触器、电流互感器、电机智能保护器、PLC、工业以太网交换机等。控制柜面设有触摸屏、自动/手动切换开关及开停机按钮和信号灯等，可就地控制启闭机的开停，也可通过触摸屏控制开停，还可以远程实现开停等。电机智能保护器具有过流、堵转、三相电流不平衡、断相、过压、欠压、漏电、短路等故障保护，并能显示B相电流及输出4～20mA的信号至PLC进行显示。闸门开度传感器也可输出4～20mA的信号至PLC。PLC通过以太网交换机与管理级工控机相连，实现远程控制。

4 安装控制技术要点

1）检查该启闭机各零部件是否齐全及在运输存放过程中有无损伤和丢失。仔细清除零部件上的灰尘、油污或铁屑等杂物，必要时解体清洗。

2）启闭机安装应根据起吊中心线找正，确定启闭机的位置。其纵横向中心线偏差应不大于3mm；高程偏差不应超过±5mm；水平偏差不应大于0.05%。

3）齿杆安装前应将齿内污物清扫干净，穿齿杆时打开侧盖注意观察，应用手摇机构操作缓缓装入，保证齿杆、齿轮的正确啮合，直到齿杆完全通过上下齿杆定位孔。

4）电气部分的安装及接线应无误，所有电气保护动作应灵活可靠。

5 启闭机试运转和调试

5.1 启闭机的试运转

1）启闭机试运转前检查：所有电气及动力回路的接线应正确、整齐，有良好的绝缘性和可靠的接地。检查所有机械部件、连接部件、各种保护装置及润滑系统等的安装、注油情况应符合要求。用手摇机构提升齿杆不得有卡阻现象。调试检查高度指示以及设置零位。

2）试运转要求全扬程内运行上、下3次并检查：电动机运行平稳，电气设备控制可靠，无异常发热现象；机械部分运转平稳，无异常现象；闸门升降无卡阻现象；所有电气保护装置、过负荷保护装置等动作准确可靠；所有操作界面、信号指示正确无误。试运转完成并且正常后，启闭机可进行闸门的启闭。

5.2 电气操作系统的调试

齿杆式启闭机的电气系统，采用性能先进的PLC控制、触摸屏操作、编码器定位及电机变频调速等；具有质量可靠，控制先进，操作简便，报警完善，定位精确等优点。电气系统包括主回路、控制原理图、PLC智能控制等。

上电前必须确认三相交流电源接入无误，设备外壳保护符合供电系统标准。合上电源开关，“电源指示”灯亮。选择“手动”方式，启动电机，确认运行方向正确后，方可进行设备操作。电控操作分两种：

5.2.1 手动操作（仅操作面板上的按钮有效）

打开“控制电源”，“电源指示”灯亮，将操作面板上的选择开关置于“手动”位置，人机界面窗口画面上的“手动”指示灯闪烁。按下“上升”按钮，启闭机向上运行，同时“上升指示”灯亮。按下红色“停止”按钮，启闭机运行停止。

按下“下降”按钮，启闭机向下运行，同时“下降指示”灯亮。按下红色“停止”按钮，启闭机运行停止。

5.2.2 自动操作

将操作面板上的选择开关置于“自动”位置，人机界面窗口画面上的“自动”指示灯闪烁。在“自动”状态下，操作面板上的“上升”“下降”“停止”等按（旋）钮，操作无效。

1）触击触摸屏右下角【菜单】，可进入相应的窗口画面。

2）“定位运行”位置设定：在【闸门操作】画面中，触击【开度预设】数字窗口，可弹出数字键盘，输入正确的数码后，触击【确认】键即可。

3）操作。在【闸门操作】画面中，触击【上升】（或【下降】），设备自动运行，到达“开度预设”设定的位置后，设备自动停止。在运行过程中，触击【停止】键，也可使设备停止运行。

4）紧急停止。在操作面板上设有一个蘑菇头急停按钮，遇有紧急情况，可按下此钮，设备立即就地停止。

5）故障报警。当设备发生故障时，操作面板上的故障报警灯亮并发出报警声，同时【故障报警】界面中相应故障部位灯闪烁。触击【报警】页面中的【报警复位】键，只能消除声光，故障需人工排除后，方可继续操作。

6）远程监控。在【显示】页面中，设有两种模式选择：“就地”模式，远方处于监视状态，操作无效。“远控”模式，远方处于控制状态，操作有效。只有在“自动”状态下，“远程控制”才有效。

7）“自重下降”操作。转动操作面板上的“自重下降”钥匙旋钮，闸门在自身重力的作用下，做自由下落运动。在网电停送的情况下，可用UPS电源作为备用电源继续保持控制器件的电源供应。务必注意自重下降完成后，必须将钥匙旋钮回位，并将钥匙拔出，以免设备动作异常。

6 性能特点

与传统的双吊点螺杆式启闭机相比，由中间驱动的双吊点齿杆式启闭机具有以下性能特点：

1）在调水系统事故停电状态下，各节制闸具有闸门快速自重闭门功能，分段截断水流，避免下游明渠出现漫堤和淹没泵站事故，确保工程运行安全。

2）齿杆式启闭机具有闸门自重闭门速度自动调节限速装置，能够控制闸门接近底槛时的下降速度，减小撞击力，避免闸门损坏。

3）起重机构采用齿杆-齿轮传动取代涡轮-蜗杆及螺旋传动，提高了传动效率300%（传动效率大于70%），使工程运行更经济、节能、环保。

4）应用电磁离合器组成电动和手动逻辑互锁系统，手动电动可自动切换，工作更可靠、稳定。

5）启闭机设计有闸门卡阻自动保护功能，防止齿杆超负荷受力弯曲。

6）具有电控（远控）及停电时手动操作功能，这两种功能是互锁的，不致误动作。

7）闸门启闭在任何位置均可锁定，通过电控系统可实现预先设定的闸门位置启闭。同时，具备闸门上、下极限位置保护功能。

8）将PLC智能控制技术和远端通讯技术应用在启闭机上，达到了控制运行安全可靠、智能化操控、高效运行的目的，实现了远程控制和信息传输。

7 结语

在长距离梯级输水明渠工程运行中，尤其是冬季输水、分水运行中，为实现流量和水位的运行匹配，闸门开度的控制与变化极为频繁，闸站的启闭设备是控制闸门开度的核心，其电气自动化控制系统是闸门控制的中枢，新型齿杆式启闭机具有用时可靠，备时可信的优点。引黄济青改扩建工程通水验收以来，齿杆式启闭机相较于传统的螺杆式启闭机安全平稳、灵敏可靠，尤其实现了远程智能操控和停电自重落门等，表现出了良好的性能。该型启闭机在引黄济青改扩建中的成功应用为同类工程改造提供了借鉴。