垂直升船机总体设计

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垂直升船机总体设计

作者：佚名文章来源：不详点击数：更新时间：2008-9-23 16:45:18

　　(8)防撞梁下沉、船舶进入船厢、系缆；
　　(9)上闸首和承船厢上游端卧倒门关闭；
　　(10)充泄水装置对间隙泄水；
　　(11)对接密封装置收回；
　　(12)顶紧装置松开、夹紧装置松开；
　　(13)承船厢下行与下游水位对齐；
　　(14)承船厢下游端卧倒门打开；
　　(15)船舶解缆、驶出船厢；
　　(16)船舶进入船厢，系缆；
　　(17)关闭船厢下游端卧倒门；
　　(18)承船厢行至与上游水位对齐；
　　(19)夹紧装置夹紧、顶紧装置顶紧；
　　(20)对接密封装置推出与承船厢对接；
　　(21)充泄水装置对间隙充水；
　　(22)上闸首和承船厢上游端卧倒门打开；
　　(23)船舶解缆、驶出船厢。 5　升船机金属结构设计
　　升船机金属结构包括挡洪检修闸门、上闸首工作闸门及启闭机、冲沙闸门及启闭机、承船厢、卧倒闸门及启闭机、下游检修闸门及启闭机等组成。
5.1　挡洪检修闸门
　　挡洪检修闸门布置在大坝的挡水坝段，位于通航明渠渠首。当通航明渠及上闸首上的水下建筑物及设备需要检修时，关闭本闸门创造检修条件。
　　本闸门为钢结构平面叠梁式闸门，分为6节制造和吊运，利用坝顶2×2 500 kN门机通过自动抓梁操作闸门静水启闭。当汛期停航时，关闭该闸门挡洪渡汛。
5.2　上闸首工作闸门及启闭机
　　上闸首工作闸门布置在上闸首通航明渠末端，具有通航时挡通航明渠的水体、与承船厢对接、库水位变化时调整门槛高程保持通航水深等作用。
　　工作闸门上设有卧倒闸门(过船用)、对接密封装置、充泄水装置等。为凹形下降式平面定轮钢闸门，分4节制造在现场焊接成整体。
　　工作闸门的启闭设备为2×3000 kN接力式液压启闭机，安装在224 m高程平台的门槽顶部。启闭机通过圆环形拉杆与闸门吊耳铰接，将闸门悬挂在门槽内。当库水位变化达到400 mm时，启闭机启动操作闸门作每次行程为400 mm的升降调整，以保持卧倒闸门凹形门槛水深满足通航要求。当闸门需要维护时，启动启闭机操作闸门下沉至门槽底槛检修平台上进行。
　　在闸门上段门叶的凹口上设有一扇卧倒闸门，铰支在凹形门槛上，在凹槽两侧设有1台2×160 kN液压式启闭机操作闸门启闭。平时闸门处于关闭状态，当承船厢与工作闸门对接密封，间隙充水平压后，开启本闸门使明渠水体与船厢内连通，航舶可进出船厢。
　　在该闸门的上段门叶内还设有对接密封装置和充泄水装置。
5.3　承船厢
　　承船厢是升船机的容船设备，为一凹槽型薄壁钢结构，两端各设有1扇卧倒式闸门，组成一有效容积为965 m3的容船空间。承船厢上还布置有液压调平、顶紧、夹紧、锁锭、导向、系船等机械设备和配电、控制、检测、通讯、液压等机电设备。承船厢的外形尺寸、体形、结构型式系综合考虑了承船厢出入水运行的特点以及设备的安装维护要求、升船机运行要求等因素，对承船厢在运行中可能出现的各种工况及其载荷组合，利用空间有限元理论通过计算机对承船厢进行整体受力分析和结构优化后确定的。
　　承船厢的有效水域为40 m×10.8 m×1.8 m±0.1 m(长×宽×水深)，外形尺寸为48.5 m×16.3 m×4.4 m(长×宽×高)，自重465 t(含设备重)，载水重965 t，总重量1430 t。
　　在承船厢两侧的主纵梁中心线上分别设有10组吊耳，其中2组每组有4个吊耳孔，分别与船厢静力绳铰接；有8组每组有3个吊耳孔通过液压调平油缸与船厢力矩绳铰接。承船厢通过16根静力绳和48根力矩绳铰接，将承船厢悬挂于塔柱内。启动主提升机通过钢丝绳带动承船厢上下运行实现船舶过坝通航。
5.4　卧倒闸门及启闭机
　　在承船厢的两端各设有1扇卧倒闸门，与承船厢凹槽底部铰接，在闸门两侧设置有1台2×160 kN液压启闭机与闸门及支座铰接，利用液压调平装置的油源操作闸门启闭。卧倒闸门上还设有缓冲式防撞装置，防止进厢船舶因误操作而发生事故。
　　在承船厢的顶部两侧沿主纵梁长度方向分别设有宽为2.75 m的平台作为机电设备安装和运行维护人员通道。当两端卧倒闸门关闭时，与门顶平台构成一环形通道。在承船厢顶部平台下层，还沿着主纵梁腹板的内或外侧设有检修通道，与顶上平台用楼梯连通。
　　在承船厢两侧顶部平台上设有对外交通通道，一旦发生事故，船上人员可从通道疏散到塔柱两侧的楼梯上。此外，承船厢上还设有泄水、排沙、溢水等供检修、防过载用的安全设施。
　　承船厢在距电站下游约2 km的码头平台上制造，然后下水浮运经下游引航道进入船厢池就位安装。
5.5　上闸首冲沙闸门及启闭机
　　上闸首冲沙闸门的作用是排除上闸首和通航明渠以及船厢池底部的淤沙。闸门孔口位于上闸首通航明渠的两侧侧墙上，出口位于船厢池底部的上游侧，共有2个孔口，设平面定轮钢闸门，每孔闸门由1台1×250 kN固定卷扬式启闭机操作动水启闭。
5.6　下闸首闸门及启闭机
　　下闸首闸门的作用是当船厢池需要检修时用来挡下游水体，创造维修条件。闸门设在下闸首船厢池出口处，为平面滑动钢闸门，分6节制造，在现场用轴连成整体，平时将闸门锁锭在平台上，使闸门底缘距离下游最高通航水位8.3 m，需要封孔挡水时通过1台2×800 kN固定卷扬式启闭操作闸门启闭封孔挡水。
6　升船机电气设计
6.1　电气一次设计
　　包括供电、电气照明、接地和防雷。
　　升船机对供电质量和可靠性要求较高，为确保安全运行，配电系统采用双电源供电，分别引自厂内10 kV配电系统的Ⅴ段和Ⅵ段母线。升船机配电采用10 kV、0.4kV两级电压供电，10 kV母线分为两段，设联络开关，互为备用。主机为4台单机容量为339 kW的直流电动机，当任一台电动机退出运行，其余3台应能完成提升操作，为了提高其可靠性，每台电动机均由独立的整流变供电，分别接在10 kV配电系统的两段母线上。升船机其余负荷均为交流低压设备，分别由2台公用变供电，每台带一段母线，设联络开关自动切换互为备用。升船机最大扬程为68.5 m，进入承船厢的动力电缆选用能承受较大外力的重型橡套电缆。电缆从主机房接出，垂直悬挂，下端设有电缆卷筒，随船厢升降而自动收放电缆。
　　升船机为高层建筑物，为了提高光效，降低能耗，主机房采用大容量块板面混光灯照明，中控室采用嵌入式日光灯照明，配电房、塔柱楼梯采用白炽灯照明；下游引航道长达400多m，且汛期处于水下，采用高压钠投光灯照明；在上游引航道浮式导航堤上设高压钠灯照明。其余如上闸首、启闭机房、交通桥等部位采用庭院灯照明。所有室外照明灯均由升船机中控室统一控制。
　　升船机公用变压器采用中性点直接接地系统。电气设备一律采用接零保护，所有电气设备金属壳均与电源中性线相连。所有升船机主体的建筑物均利用水工建筑物内的主钢筋作为自然接地体，并与大坝接地网连接。为防止强电磁对计算机的干扰，中控室的地板内敷设专用屏蔽网，且与接地网可靠连接。在承船厢子站上设有专用接地电缆与中控室接地网连接。
　　在主机房、引航灯塔等高层建筑物的顶部，均设有避雷带或避雷针。
6.2　电气二次设计
　　包括主机电气传动系统，监控、监护系统，交通指挥、通讯系统。
　　(1)主机电气传动系统设计是根据主机的运行参数和对主驱动电动机调速的要求来选择电气主传动的方式和主系统的接线。主机参数要求如下：
　　升降最大行程：68.5 m；
　　运行速度要求：①在空气中运行速度为0.19 m/s；②船厢出入水及上游匀速段的运行速度为0.03 m/s；③船厢升降正常加速度为±0.01 m/s2；④船厢升降事故减速度为-0.05 m/s2。
　　系统最大不平衡载荷：①在空气中时为4 401 kN；②短时尖峰载荷为7 708 kN。系统总载荷是变化的不平衡系统。本机采用4台电动机驱动，当其中任一台电动机故障，其余3台电动机仍能使承船厢维持运行。
　　根据以上特点，确定对主提升机驱动电动机的调速要求为：①调速比D=15；②在速度——转矩特性曲线的4个象限均能正常工作。且工况改变时能自动、连续地转移运行工况；③无级调速，平滑系数Φ→1，系统在阶跃信号作用下超调量小于或等于5%，速度图规定的斜坡信号作用下无超调量；④系统开环截止频率大于15 Hz，相位裕度大于或等于60°；⑤转速静态误差小于2%；⑥调速方式为恒转矩方式。
　　电气主传动方式有直流电机和交流电机可供选择。
　　直流电机的优点有：①调速范围广，容易实现零到全速范围内的调节；②调节平滑、稳定，容易实现无级调速和准确停靠，启动平稳；③效率较高；④有设计、运行、维护经验。但缺点是电机维护复杂。
　　交流电机的优点有：电机简单、过载能力大而转动惯量小。缺点是：①变频设备复杂，制造、运行、维护缺乏经验；②交流变频调速难以克服转矩脉动现象；③拖动设备投资大。
　　经综合比较、权衡利弊，还是选用直流电动机比较稳妥。
　　电气传动系统采用他激直流电动机、固定激磁，具有可逆运转特性，实现4象限调速、简化控制、提高制动速度的目的。调速系统采用全数字式有准备逻辑无环流系统。
　　因主提升机通过环型刚性同步轴强制同步，因此4台驱动电动机的机械特性的一致性误差要求较高，小于2%。为使4台机输出力矩平衡，电气传动系统采用1个速度外环带4个电流内环的接线方式。
　　(2)监控、监护系统采用计算机为主常规为辅的方式。其主要功能是：按给定的运行方式控制运行，兼有运行状态显示、故障及事故报警、显示、记录，应急保护等。
　　监控系统采用分层分布式的计算机监控系统，中央级设在中控室，共设2台上位机互为备用。单元级(子站)分为主提升机、承船厢、上闸首、下闸首等4个子站控制防撞梁、对接密封、充泄水、卧倒门、主机制动、主机润滑、顶紧、夹紧、液压泵站等现地设备。每一子站设有一套可编程控制器，可在中控室进行集中自动控制或现地控制。
　　计算机监控系统中主控级与现地子站级通过高速串行数据总线互连，构成冗余的双重LAN局网。
　　(3)交通指挥、监视、通信系统。交通指挥系统包括广播指挥和通航指挥。广播指挥为分别在浮式导航堤，上、下闸首，主机房等部位设置广播喇叭构成。通航指挥为在浮式导航堤、上下闸首、下游导航堤、承船厢等部位设置交通信号灯、中心灯、边界灯构成。
　　监视系统共设置15套全天候、低照度、单头尾工业电视构成。其监视和集控设在中控室。
　　通信系统利用水电站的数字程控交换机，在升船机本体的中控室、主机房、配电室等场所设置电话分机，实现升船机对内和对外通信。
7　设计体会及尚需探讨的问题
　　(1)设计标准问题。随着我国水电事业的发展，解决高坝通航问题已成为水电建设需要解决而又未完全解决的突出问题，许多专家、学者为此奋斗了十几年甚至几十年，做了大量的技术研究和技术开发工作，积累了一定的经验。卷扬平衡重式垂直升船机是解决高坝通航问题的优选机型。目前国内在建和拟建的三峡、水口、隔河岩、高坝州、岩滩、大化等水电工程均采用这种机型。由于垂直升船机与通常的通航设备存在诸多特殊的不同之处，应有相应的标准作为设计依据。但目前国内高坝通航有关标准的制订工作严重滞后，给岩滩垂直升船机的设计、制造、安装工作带来相应的困难。
　　(2)升船机的总体布置。从总体说，结构布置紧凑，基本满足运行要求，但设备安装、维护的空间偏小。如主机房净空尺寸偏小，没有设备安装间，造成设备的安装和维修困难；塔柱侧墙与承船厢之间的净空只有100 mm，船厢主纵梁腹板与侧墙的净空也只有1 050 mm，一些设备的孔洞也偏小，如主机力矩绳与楼板孔洞净距不到50 mm;主提升机的两侧出绳，一侧与承船厢连接，另一侧与平衡重连接而构成一(部分)平衡系统，存在不平衡力矩，致使主机传动系统存在内应力，因此造成主提升机维修时拆卸与安装困难。
　　(3)静态调平与动态调平问题。由于主机采用卷扬式，因卷筒直径和钢丝绳绳径误差在运行中会造成误差积累，从而引起承船厢倾斜或钢丝绳张力不均匀，因此需要通过液压调平系统进行调平。当承船厢四角检测点最高最低点高差达80 mm时，调平系统在120 s时间内完成静态调平，调平后其误差应小于20 mm。其后，四角检测点最高最低点高差值每超过20 mm即进行动态调平。根据岩滩升船机卷筒直径及绳径实测最大误差分别为0.3 mm(经成组选配后)和0.1 mm(抽样)，卷筒直径为Φ3 200mm，计算得全行程积累误差合计为17.48 mm。现场调试运行实测误差值比计算值略大，但运行相当平稳。因此笔者认为，至少调平的初始四角检测点最高最低点高差值(20 mm)可以适当放大；只要卷筒及绳径误差能控制在一定值，可以不需要动态调平，这样可以简化控制系统。
　　(4)机械同步与电气同步问题。岩滩升船机主机采用机械同步与电气同步相结合，直流电动机和恒转矩调速方式。理论上这种方式的好处是可靠性高、平稳性好，但对电动机及其控制系统的性能要求高(电动机需进口)，电动机容量增大，调度方式苛刻，造价高。因此采用交流电动机和恒功率混合调速方式应是值得探讨的。
　　(5)承船厢下水运行方式问题。承船厢与下闸首对接采用承船厢下水运行方式，主要因下游水位变幅大(下游通航水位差8.1 m，非通航水位差39.2 m)、水位变率大(实测达125 mm/min)、汛期泥沙含量大(实测最大含沙量12.9 kg/m3）等特殊条件而采用的方式。
　　从土建方面比较，如果采用船厢不下水方式，则必须设置下闸首工作闸门、门槽和启闭机排架，加长下闸首的长度达10 m，基础开挖深度增加5 m；为了对下游引航道冲沙，冲沙廊道比不下水方案长约2×75 m，且穿过薄壁结构的塔柱，使其结构复杂化；土建工程量大幅度增加。
　　机电设备比较，不下水方案增加了下闸首工作闸门及启闭设备、对接密封装置和充泄水装置，但主提升机为全平衡式，不平衡力矩减少，因而电动机容量减少，主机重量减少，控制系统简化。
　　从运行方面比较，不下水方案增加了承船厢与下闸首工作闸门的对接时间和对接环节，因下游水位变率大，极易造成搁船事故，这是最难解决的。岩滩升船机在调试运行中曾发生过，因而增加了船厢出入水后的微调功能。因此，从岩滩升船机而言，采用船厢出入水运行方式是适宜的电气主传动方式有直流电机和交流电机可供选择。
　　直流电机的优点有：①调速范围广，容易实现零到全速范围内的调节；②调节平滑、稳定，容易实现无级调速和准确停靠，启动平稳；③效率较高；④有设计、运行、维护经验。但缺点是电机维护复杂。
　　交流电机的优点有：电机简单、过载能力大而转动惯量小。缺点是：①变频设备复杂，制造、运行、维护缺乏经验；②交流变频调速难以克服转矩脉动现象；③拖动设备投资大。
　　经综合比较、权衡利弊，还是选用直流电动机比较稳妥。
　　电气传动系统采用他激直流电动机、固定激磁，具有可逆运转特性，实现4象限调速、简化控制、提高制动速度的目的。调速系统采用全数字式有准备逻辑无环流系统。
　　因主提升机通过环型刚性同步轴强制同步，因此4台驱动电动机的机械特性的一致性误差要求较高，小于2%。为使4台机输出力矩平衡，电气传动系统采用1个速度外环带4个电流内环的接线方式。
　　(2)监控、监护系统采用计算机为主常规为辅的方式。其主要功能是：按给定的运行方式控制运行，兼有运行状态显示、故障及事故报警、显示、记录，应急保护等。
　　监控系统采用分层分布式的计算机监控系统，中央级设在中控室，共设2台上位机互为备用。单元级(子站)分为主提升机、承船厢、上闸首、下闸首等4个子站控制防撞梁、对接密封、充泄水、卧倒门、主机制动、主机润滑、顶紧、夹紧、液压泵站等现地设备。每一子站设有一套可编程控制器，可在中控室进行集中自动控制或现地控制。
　　计算机监控系统中主控级与现地子站级通过高速串行数据总线互连，构成冗余的双重LAN局网。
　　(3)交通指挥、监视、通信系统。交通指挥系统包括广播指挥和通航指挥。广播指挥为分别在浮式导航堤，上、下闸首，主机房等部位设置广播喇叭构成。通航指挥为在浮式导航堤、上下闸首、下游导航堤、承船厢等部位设置交通信号灯、中心灯、边界灯构成。
　　监视系统共设置15套全天候、低照度、单头尾工业电视构成。其监视和集控设在中控室。
　　通信系统利用水电站的数字程控交换机，在升船机本体的中控室、主机房、配电室等场所设置电话分机，实现升船机对内和对外通信。

7　设计体会及尚需探讨的问题
　　(1)设计标准问题。随着我国水电事业的发展，解决高坝通航问题已成为水电建设需要解决而又未完全解决的突出问题，许多专家、学者为此奋斗了十几年甚至几十年，做了大量的技术研究和技术开发工作，积累了一定的经验。卷扬平衡重式垂直升船机是解决高坝通航问题的优选机型。目前国内在建和拟建的三峡、水口、隔河岩、高坝州、岩滩、大化等水电工程均采用这种机型。由于垂直升船机与通常的通航设备存在诸多特殊的不同之处，应有相应的标准作为设计依据。但目前国内高坝通航有关标准的制订工作严重滞后，给岩滩垂直升船机的设计、制造、安装工作带来相应的困难。
　　(2)升船机的总体布置。从总体说，结构布置紧凑，基本满足运行要求，但设备安装、维护的空间偏小。如主机房净空尺寸偏小，没有设备安装间，造成设备的安装和维修困难；塔柱侧墙与承船厢之间的净空只有100 mm，船厢主纵梁腹板与侧墙的净空也只有1 050 mm，一些设备的孔洞也偏小，如主机力矩绳与楼板孔洞净距不到50 mm;主提升机的两侧出绳，一侧与承船厢连接，另一侧与平衡重连接而构成一(部分)平衡系统，存在不平衡力矩，致使主机传动系统存在内应力，因此造成主提升机维修时拆卸与安装困难。
　　(3)静态调平与动态调平问题。由于主机采用卷扬式，因卷筒直径和钢丝绳绳径误差在运行中会造成误差积累，从而引起承船厢倾斜或钢丝绳张力不均匀，因此需要通过液压调平系统进行调平。当承船厢四角检测点最高最低点高差达80 mm时，调平系统在120 s时间内完成静态调平，调平后其误差应小于20 mm。其后，四角检测点最高最低点高差值每超过20 mm即进行动态调平。根据岩滩升船机卷筒直径及绳径实测最大误差分别为0.3 mm(经成组选配后)和0.1 mm(抽样)，卷筒直径为Φ3 200mm，计算得全行程积累误差合计为17.48 mm。现场调试运行实测误差值比计算值略大，但运行相当平稳。因此笔者认为，至少调平的初始四角检测点最高最低点高差值(20 mm)可以适当放大；只要卷筒及绳径误差能控制在一定值，可以不需要动态调平，这样可以简化控制系统。
　　(4)机械同步与电气同步问题。岩滩升船机主机采用机械同步与电气同步相结合，直流电动机和恒转矩调速方式。理论上这种方式的好处是可靠性高、平稳性好，但对电动机及其控制系统的性能要求高(电动机需进口)，电动机容量增大，调度方式苛刻，造价高。因此采用交流电动机和恒功率混合调速方式应是值得探讨的。
　　(5)承船厢下水运行方式问题。承船厢与下闸首对接采用承船厢下水运行方式，主要因下游水位变幅大(下游通航水位差8.1 m，非通航水位差39.2 m)、水位变率大(实测达125 mm/min)、汛期泥沙含量大(实测最大含沙量12.9 kg/m3）等特殊条件而采用的方式。
　　从土建方面比较，如果采用船厢不下水方式，则必须设置下闸首工作闸门、门槽和启闭机排架，加长下闸首的长度达10 m，基础开挖深度增加5 m；为了对下游引航道冲沙，冲沙廊道比不下水方案长约2×75 m，且穿过薄壁结构的塔柱，使其结构复杂化；土建工程量大幅度增加。
　　机电设备比较，不下水方案增加了下闸首工作闸门及启闭设备、对接密封装置和充泄水装置，但主提升机为全平衡式，不平衡力矩减少，因而电动机容量减少，主机重量减少，控制系统简化。
　　从运行方面比较，不下水方案增加了承船厢与下闸首工作闸门的对接时间和对接环节，因下游水位变率大，极易造成搁船事故，这是最难解决的。岩滩升船机在调试运行中曾发生过，因而增加了船厢出入水后的微调功能。因此，从岩滩升船机而言，采用船厢出入水运行方式是适宜的。

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