数字化技术在水电站检修设施技改工程中的应用研究

曹 萍，颜红亮，王志军，姚志赏

（1.五凌电力有限公司马迹塘水电厂，湖南 益阳 413405； 2.湖南省水电智慧化工程技术研究中心，湖南 长沙 410004； 3.湖南省水利水电勘测设计规划研究总院有限公司，湖南 长沙 410007）

引 言

随着水利水电工程建设的发展，BIM、大数据、智能化技术在水利水电行业应用前景非常广阔。水利水电工程数字化建设发展至今，已积累了工程全生命周期设计、建造、运行管理各个阶段大量的成功应用案例[1]。数字化仿真和设计技术完善了水工结构、金属结构正向设计技术体系，大幅提高了设计成果质量和工作效率[2～3]。智能技术是伴随信息化技术而产生的一项全新技术，具有高效率、科学化等特点，可不断提升技改工作的质量和效率[4～5]。

马迹塘水电厂是一座以发电为主、兼顾航运等综合利用的水电工程。2004 年4 月，上游柘溪水电站扩机增容，2010 年4 月，下游白竹洲水电站蓄水投产，对马迹塘水电站的尾水形成直接顶托，壅高尾水水位。经复核，电站机组发电最大出力为4.2 万kW，实际年平均发电量1.89 亿kW·h，为设计年发电量的72.46%，水量利用率降至0.7，顶托损失电量3 044 万kW·h。根据马迹塘水电厂近年水位和流量统计数据分析，进水检修水位升为58.86 m。尾水检修水位升为58.33 m[6]。

新的水位情况下，马迹塘水电站检修工况的水工建筑物结构安全条件和检修闸门运行条件等发生了重大的变化。因此，对原检修设施进行必要的技术升级变得更为紧迫。

1 水工建筑物结构安全数字仿真技术应用

1.1 原水工建筑物现场检测与安全复核

马迹塘水电站现场检测报告显示：电站混凝土结构局部出现小面积剥落、露筋等外观病险，进水口启闭机排架柱直线度差及轨道梁、轨道接口过宽和偏差，尾水启闭机排架局部出现较大破损和缺陷。电站厂房内渗漏控制及混凝土外观状态良好；流道及进尾水检修闸墩和启闭机台混凝土强度满足原设计要求；抽检的混凝土构件碳化深度在（1～3）mm 之间，总体处于较低水平，保护良好；构件钢筋保护层厚度总体符合原设计要求，钢筋混凝土构件中的主筋锈蚀被评价为“没有发生锈蚀”。

由于工期较长，难免会遇到汛期过高水位，需要复核验算在上游检修水位58.86 m，下游检修水位58.33 m 情况下，厂房混凝土结构的强度和稳定性。经过复核，结果显示结构局部出现明显过载，进口边墙的变形增大至4.1 mm；最大拉应力增大至1.61 MPa；尾水管的最大拉应力增大至1.15 MPa；原有结构配筋已不能满足要求，须进行加固处理。进尾水水工结构有限元复核结果见图1。

图1 电站进尾水水工建筑物有限元应力复核结果

1.2 加固方案水工建筑物结构安全复核

检修工况下，由于流道内部无水，结构在缝面水压力的作用下，向内收缩，对空腔结构不利。随着检修水位的升高，进水口边墙的应力和位移均显著增加。综合配筋验算结果，原结构在提高检修水位工况下，须分别对流道进水口和尾水管局部进行加固处理，具体方案如下：

流道进水口加固设计拟采用钢管撑方案，即在拦污栅前后分别添加3 根和6 根钢管撑，钢管撑的管外径500 mm，壁厚20 mm，材质为Q235。加撑后复核计算，该方案可使得马迹塘水电站工程厂房流道进水口空腔内壁拉应力显著降低，大小为0.75 MPa＜1.27 MPa，原有结构的配筋情况满足受力要求，保证进水口在58.86m 水位检修工况结构安全。进水口水工结构加固后有限元计算结果见图2。

尾水管加固设计拟采用增厚钢筋混凝土顶板方案。经计算，顶板加厚1.5 m 的应力大小为0.5 MPa＜1.27 MPa，满足尾水下游水位58.33 m 检修工况受力要求。尾水水工结构加固后有限元计算结果见图3。

2 检修闸门结构安全的数字仿真与设计应用

2.1 进、尾水检修门现场检测与安全复核

马迹塘水电站现场检测报告显示：

1）电站进、尾水口检修闸门部分叠梁面板变形，侧导轮无法转动，轮座变形较大，滑块和门槽埋件磨损严重，检修门工作时从各叠梁接合处漏水严重，呈喷射状，叠梁局部锈蚀较明显，腐蚀程度总体评价为B 级。

2）由于进、尾水闸门叠梁重心偏后，门体呈倾斜状，出入门槽时对位困难，需人工辅助拖拽调整，存在安全隐患；闸门吊耳板出现焊缝裂纹。

3）进、尾水闸门已运行使用达40 年，各构件出现变形老化。根据《水利水电工程金属结构报废标准》（SL 226-98），建议对马迹塘电厂进尾水叠梁式检修闸门进行报废处理。

2.2 进水口检修门的研究与设计

进水口检修闸门孔口尺寸12.60 m×21.75 m（宽×高），底槛高程EL.37.243 m，设计水头21.617 m，孔口数量为3 孔，闸门数量为1 扇5 节，门顶高程EL.59.0 m，满足EL.58.86 m 水位的挡洪和检修要求。闸门形式为露顶式平面滑动叠梁门，下3 节叠梁门叶结构相同可互换次序使用，按照设计水头21.617 m 设计，单节叠梁高度为4.35 m，布置4 根梁高1.8 m 的焊接工字形主梁，主梁材料采用Q460B，门叶其余结构部分材料选用Q355B；上2 节叠梁门叶按照设计水头8.35 m 设计，也可以互换次序，单节叠梁高度为4.35 m，布置4根梁高1.3 m 的焊接工字形主梁，材料采用Q355B。

进水口检修闸门单节结构最大计算应力：第1 组（t≤16 mm，材料为Q355B）正应力σmax=222.5 MPa＜[σ]=230 MPa，剪切应力τmax=85.47 MPa＜[τ]=135 MPa，强度满足要求。第2 组（16 mm≤t≤40 mm，材料为Q460B）正应力σmax=270 MPa＜[σ]=280 MPa，剪切应力τmax=105.2 MPa＜[τ]=165 MPa，强度满足要求。闸门结构最大计算挠度：fmax=21.85 mm＜[f]=12 600/500=25.2 mm，挠度满足要求。单节总重约30 t。静水启闭，启闭力约522.6 kN＜（2×267=534）kN，启闭力满足要求。进水口检修闸门有限元计算结果见图4。

图4 电站进水口检修闸门有限元计算成果

2.3 尾水检修门的研究与设计

尾水检修闸门孔口尺寸12.85 m×9.00 m（宽×高），底槛高程EL.37.60 m，按58.33 m 水位挡洪和检修要求，设计水头20.73 m，孔口数量为3 孔，闸门形式为潜孔式平面滑动叠梁门，数量为1 扇3 节。本次改造更新下2 节叠梁门叶，同时对顶节门叶做吊耳改造以适应液压自动吊梁抓取。检修闸门下2 节叠梁门叶按照设计水头20.73 m 设计，门叶结构相同且可以互换次序，单节叠梁高度为3.05 m，布置3 根梁高1.8 m 的焊接工字形主梁，主梁材料采用Q460B，门叶其余结构部分材料选用Q355B。

尾水闸门单节结构最大计算应力：第1 组（t≤16 mm，材料为Q355B）正应力σmax=166.1 MPa＜[σ]=230 MPa，剪切应力τmax=58.03 MPa＜[τ]=135 MPa，强度满足要求。第2 组（16 mm≤t≤40 mm，材料为Q460B）正应力σmax=276.7 MPa＜[σ]=280 MPa，剪切应力τmax=139.7 MPa＜[τ]=165 MPa，强度满足要求。门叶结构最大计算挠度：fmax=20.86 mm＜[f]=12 600/500=25.2 mm，挠度满足要求。单节总重约25 t。充水平压后，单节静水启闭，启闭力约513.7 kN＜（2×267=534）kN，启闭力满足要求。尾水检修闸门有限元计算结果见图5。

图5 电站尾水检修闸门有限元计算成果

3 启闭台车的智能化升级改造

3.1 现有启闭台车的检测与复核

根据检测报告结论，现有启闭机运行良好，整体上满足安全要求，即能在现行工作条件下正常启闭。因此对启闭机进行日常维护即可，无需进行更换。但是现有启闭机的行走机构采用链式传动装置，闸门吊梁采用机械式自动吊梁，容易造成单边挂钩，且已运行近40年，可借助本次技术改造将链式传动行走机构升级为电机直驱行走结构，机械式自动吊梁升级为液压穿轴式自动吊梁。启闭台车检测情况见图6。

图6 电站启闭台车检测情况

3.2 启闭台车的技术升级改造

电机直驱行走机构包含电机、减速器及滚轮。电机（带制动器）和减速机“三合一”连接后，通过法兰安装在启闭机机架行走梁上，由“三合一”机构直驱启闭机滚轮。

液压自动吊梁包含梁体、吊耳、支撑导向装置、定位装置、液压穿轴装置、耐水压液压泵站和耐水压信号检测系统等部分。根据本工程特点，采用（2×300）kN 数字通信型液压自动吊梁，其信号检测系统为耐水压型，吊梁下降到位和穿销到位传感器为全行程检测同步位移传感器，该传感器通过R485 总线通信传输。液压自动吊梁见图7。

图7 电站启闭台车自动吊梁改造升级成果

3.3 启闭台车的电气控制

2015 年，台车的电气控制改造成基于S7-200PLC的控制系统，电机调速方式升级为变频调速方式，采用启闭机房内操控。由于PLC 容量较小，已不能满足升级后的台车控制和监测要求。

现采用“遥控器+PLC+变频器”模式，遥控器为台车控制系统的操作器件，包含主令操作按钮、摇杆操作手柄和图像显示器，主令操作按钮用于操作主接触器的通电和主断路器紧急跳闸，摇杆操作手柄通过多挡位控制起升机构和行走机构变速运行，图像显示器通过无线以太网连接液压自动吊梁摄像头，动态显示吊梁液压穿轴的位置图像信息；PLC 为系统控制器，完成台车控制系统的逻辑控制和数据处理，逻辑控制实现台车起升机构和行走机构的变速运行和互锁，数据处理完成起升机构高度和载荷、行走机构行程、实时风速、吊梁行程等数据的监测、校准和显示，并设定保护接点对各机构实施安全保护；变频器为系统驱动器，接受PLC 的逻辑控制指令驱动各机构电机变速运行。启闭台车电气控制方案见图8。

图8 电站启闭台车电气控制方案

3.4 在线监测

1）主要监测内容。

起升机构振动监测：对启闭机电机、减速箱、卷筒装置轴承、齿轮等部件进行振动监测，并对其运行状态进行评估，提前判断出启闭机起升机构各部件工频等早期故障。每个驱动单元传感器的布置如下：电机布置2 个振动测点，减速箱配置4 个振动测点、外伸齿轮支承座布置1 个振动测点。

转速传感器：对电机或者减速器高速轴端的转速进行实时监测，辅助分析。连接螺纹规格为M18×1，安装在电机或减速器高速轴端外侧，传感器安装在支架上，支架焊接在起升机构的平台上。

2）在线监测系统组成。

感知层：由加速度传感器、转速传感器组成。

现地采集工作层：通过安装在启闭机机房数据采集工作站中的内置分析软件，对数据进行实时查看、诊断分析及设备出现异常时的实时报警。

远程服务层：数据通过4G 无线网络传输至远程服务器，监测、分析、诊断，每月出具设备月度体检报告，设备出现异常时，出具设备异常故障诊断报告，并及时通知到现场运维。闸门在线监测方案及界面见图9、图10。

图9 闸门在线监测方案

图10 启闭台车在线监测界面

4 结 语

1）马迹塘水电厂主动对接并积极服务于国家发展战略，结合自身条件，不断推进转型发展、协调发展。大胆积极地拥抱新技术革命，深度运用好新技术，推进水电站的自动化和智能化，打造智慧水电，将水文、电力、人力等信息流等有效整合，不断增加自身竞争力，提高安全性。

2）高度重视马迹塘水电厂的安全建设，进一步加大对电厂的安全建设投入。马迹塘水电厂已运行了近40 年，各种设施也将逐步达到设计使用期限，因此须高度重视电站的设施安全，实时监测，及时预警，加大安全建设投入，守住电站的安全生命线，为再创辉煌业绩保驾护航。

3）加大水电站安全工程的研究力度，积极展开在类似工程上的推广应用。数字化技术在低水头贯流式机组的水电厂检修设施安全工程建设中均能起到示范作用。本项目在研究设计上大量采用了数字化技术，缩短了研发周期，提高了设计质量，所设计成果均满足规范要求。本项目的实施，将为公司系统内同类型电站机组检修设施改造工作提供可靠的依据，并可在国内同类型工程改造中推广应用。