巖灘水電站垂直升船機(jī)的研制

巖灘水電站垂直升船機(jī)的研制

巖灘電視船機(jī)的垂直升船機(jī)于25日獲得了施工和批準(zhǔn)，并正式開(kāi)始運(yùn)營(yíng)。巖灘電站是國(guó)內(nèi)首次采用鋼絲繩卷?yè)P(yáng)提升、部分平衡、船廂下水式垂直升船機(jī)。它的成功投運(yùn),填補(bǔ)了我國(guó)同類型升船機(jī)的空白,標(biāo)志著我國(guó)河流高壩通航建筑設(shè)施技術(shù)水平達(dá)到了一個(gè)新的發(fā)展階段。由于升船機(jī)工程在我國(guó)尚處于初始階段,許多技術(shù)問(wèn)題還有待進(jìn)一步探索和研究。1平衡重系統(tǒng)含船舶載體的裝置巖灘電站升船機(jī)建筑物由上游引航道、擋水壩段、中間明渠、本體段和下游引航道等部分組成。主要設(shè)備均布置在本體段內(nèi)。升船機(jī)設(shè)備可分成四大部分:主提升設(shè)備、中控室、承船廂和上下閘首。主機(jī)安裝在塔柱頂部的機(jī)房?jī)?nèi),由4組卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)和4組靜力平衡滑輪組組成,對(duì)稱布置。每組卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)由1臺(tái)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng),通過(guò)高速減速器、齒輪聯(lián)軸器將動(dòng)力傳給對(duì)稱布置的2臺(tái)低速減速器,每臺(tái)低速減速器的末級(jí)齒輪兩端輸出軸,通過(guò)鼓形滾柱聯(lián)軸器,各聯(lián)一套卷筒裝置。16套卷筒與同步軸、傳動(dòng)軸、換向錐齒輪箱連成一封閉的環(huán)形機(jī)械傳動(dòng)及同步系統(tǒng)。在每臺(tái)電機(jī)與高速減速器之間設(shè)一對(duì)盤式工作制動(dòng)器,在每個(gè)卷筒外側(cè)端面設(shè)有制動(dòng)盤,安裝3對(duì)盤式安全制動(dòng)器。卷筒和滑輪組內(nèi)側(cè)鋼絲繩下連承船廂,外側(cè)鋼絲繩下連平衡重,形成一平衡系統(tǒng)。(見(jiàn)圖1)。作為船舶載體的承船廂,長(zhǎng)48.5m,寬16.3m,承船廂連同水體(含船舶)質(zhì)量總計(jì)為1430t,由卷筒上48根鋼絲繩提升,為減輕提升載荷,配置了1100t平衡重。其中力矩平衡重840t,分為8組,靜力平衡重260t,分為4組。為了保證承船廂的位置水平,在升船機(jī)總體設(shè)計(jì)時(shí)規(guī)定:當(dāng)承船廂四角相對(duì)偏差大于2cm時(shí),利用液壓調(diào)平裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)平;當(dāng)承船廂四角相對(duì)偏差達(dá)到8cm時(shí),承船廂應(yīng)停下來(lái)進(jìn)行靜態(tài)調(diào)平。因此,48條鋼絲繩不直接和承船廂連接,而是通過(guò)螺桿調(diào)整器和調(diào)平油缸與承船廂相連。安裝時(shí)因鋼絲繩長(zhǎng)度誤差等原因,造成的承船廂水平偏差,則利用螺桿調(diào)整器進(jìn)行調(diào)整;承船廂充水受載后,因鋼絲繩彈模性能不一致及承船廂結(jié)構(gòu)變形等原因造成的承船廂水平偏差,則利用調(diào)平油缸進(jìn)行調(diào)平。主提升系統(tǒng)采用機(jī)械同步裝置,保證了各吊點(diǎn)之間的速度一致。但設(shè)置了機(jī)械同步裝置以后,對(duì)中心誤差的要求則更為嚴(yán)格。同步軸的封閉軸線尺寸十分龐大,長(zhǎng)42.53m,寬10.4m。由于同步軸系統(tǒng)中誤差補(bǔ)償技術(shù)的成功應(yīng)用,使實(shí)際檢測(cè)同步軸中心偏差最大值能控制在2mm以內(nèi),從而保證了如此龐大的傳動(dòng)機(jī)械能平穩(wěn)運(yùn)行。保持出力均衡,是多電機(jī)同軸傳動(dòng)系統(tǒng)中又一個(gè)技術(shù)難題。升船機(jī)主提升傳動(dòng)系統(tǒng)的復(fù)雜性就在于多電機(jī)驅(qū)動(dòng)。經(jīng)研究和比較,決定采用ABB電氣傳動(dòng)DCS500系列,4套傳動(dòng)共用1個(gè)速度外環(huán),4個(gè)獨(dú)立的電流內(nèi)環(huán),一主三從的方案。即1套傳動(dòng)為主,采用速度控制方式,另3套為從,采用扭矩控制方式。通過(guò)傳動(dòng)程序設(shè)置,可以任意變更4套傳動(dòng)的主從關(guān)系。4套傳動(dòng)裝置共用主傳動(dòng)的速度外環(huán),對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行速度控制,完成指定的速度曲線運(yùn)行。而計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)主傳動(dòng)速度調(diào)節(jié)器的輸出值,經(jīng)過(guò)處理、修正,動(dòng)態(tài)分配給3套從傳動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)4套傳動(dòng)的力矩均衡,保證各電機(jī)的出力基本一致,電流均衡性誤差可以控制在3%以內(nèi)(要求不大于10%)。2主提升系統(tǒng)吊點(diǎn)相對(duì)位置所謂運(yùn)行平穩(wěn),包含兩方面內(nèi)容:一是在68.5m全行程范圍內(nèi),主提升系統(tǒng)48個(gè)吊點(diǎn)相對(duì)位置盡可能保持一致;二是承船廂在升降過(guò)程中,其速度和加速度、減速度,啟動(dòng)和制動(dòng)狀態(tài),船廂出入水過(guò)程等不同工況,均能做到平穩(wěn)運(yùn)行。2.1動(dòng)態(tài)調(diào)平的必要性巖灘升船機(jī)投運(yùn)后實(shí)測(cè)結(jié)果,承船廂四角偏差只有0.5cm,大大優(yōu)于規(guī)定的偏差值,動(dòng)態(tài)調(diào)平已無(wú)必要(已關(guān)閉),從而為鋼絲繩卷?yè)P(yáng)提升垂直升船機(jī)的應(yīng)用鋪平了道路。取得如此顯著的技術(shù)進(jìn)步,主要是由于抓了以下兩方面的工作。2.1.1卷筒的熱處理和測(cè)量精度卷筒用整塊80mm鋼板冷卷制成,卷制圓度偏差控制在±2mm以內(nèi)。卷筒組焊成形后,對(duì)焊縫進(jìn)行無(wú)損探傷檢驗(yàn)并進(jìn)行整體退火熱處理,以消除焊接應(yīng)力。卷筒繩槽底徑?3148mm是筒體加工的關(guān)鍵,要求直徑誤差小于0.5mm,采用常規(guī)的加工方法和間接測(cè)量方法是無(wú)法達(dá)到此精度要求的。為此,夾江水工機(jī)械廠購(gòu)置了大型數(shù)控卷筒車床和大直徑、高精度測(cè)量?jī)x,其直接測(cè)量精度可達(dá)0.02mm。為了進(jìn)一步控制誤差,將加工好的16個(gè)卷筒進(jìn)行選配組對(duì)安裝,使低速減速器兩側(cè)的卷筒裝置的繩槽底徑相對(duì)誤差最小。2.1.2拉伸、捻法的檢測(cè)升船機(jī)提升鋼絲繩要求耐腐蝕性好,采用鍍鋅鋼絲繩,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,抗旋轉(zhuǎn)性能較好,繩徑誤差小,彈性模量盡量一致,僵硬系數(shù)小,柔軟性好,使用壽命30年以上。經(jīng)反復(fù)論證比較,德國(guó)卡塞公司生產(chǎn)的鋼絲繩符合這一要求,并由荷蘭斯德培爾公司根據(jù)巖灘升船機(jī)的具體要求,組織試驗(yàn)和加工成定尺長(zhǎng)度,按規(guī)定要求發(fā)貨。鋼絲繩結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)參數(shù):①直徑?52mm,誤差+1mm(規(guī)定值為+1～+2mm)。②鋼絲繩外層為8股,每股26絲,外層股全部緊湊,表面光滑,磨損小;內(nèi)層采用獨(dú)立鋼絲繩繩芯,其斷面為7×17。繩芯和股層之間采用塑料充填,改善了鋼絲繩內(nèi)部抗磨性能,增加了鋼絲繩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和柔軟性。③鋼絲繩出廠前全部進(jìn)行預(yù)拉伸試驗(yàn)和抽樣進(jìn)行破斷拉力試驗(yàn)。④鋼絲繩捻法分為左交互捻和右交互捻,安裝時(shí)對(duì)稱纏繞。⑤鋼絲繩端部采用樹(shù)脂澆灌索套。⑥鋼絲繩彈性模數(shù)實(shí)際偏差約2%(要求<8%)。升船機(jī)投運(yùn)后,鋼絲繩運(yùn)行情況良好,承船廂入水過(guò)程中,當(dāng)965t箱體入水時(shí)箱內(nèi)水體重量瞬間消失,提升負(fù)載減小,鋼絲繩縮短130～150mm,承船廂出水后,鋼絲繩回復(fù)到原位。2.2為不同條件下船舶和客車提供穩(wěn)定的措施2.2.1升降控制與程序優(yōu)化根據(jù)升船機(jī)通航能力和承船廂總體質(zhì)量,并通過(guò)模型試驗(yàn)驗(yàn)證,確定升船機(jī)升降運(yùn)行速度圖(見(jiàn)圖2)。承船廂在空氣中運(yùn)行速度V2為0.19m/s;在水中運(yùn)行速度V1為0.03m/s;加速度和減速度a均取0.01m/s2。上升按7段速度圖控制,下降按5段速度圖控制。調(diào)試過(guò)程中,對(duì)運(yùn)行速度圖進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)。船廂入水過(guò)程中,由于各種阻力的影響,很難做到勻速,故將V1修改為V′1,V′1在水中從2.2m/min降為1.4m/min,盡可能平滑減速。為了減少承船廂入水瞬間的拍擊力,Δt′3這一點(diǎn)離開(kāi)水面并保持一定距離,實(shí)踐驗(yàn)證效果良好。升降過(guò)程中通過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)程序整定和調(diào)整,滿足在不同速度下的平穩(wěn)運(yùn)行,避免出現(xiàn)系統(tǒng)振蕩和大的超調(diào)。在滿足系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下,不宜追求過(guò)高的響應(yīng)速度,以免造成對(duì)主機(jī)的沖擊和影響系統(tǒng)的平穩(wěn)性。2.2.2預(yù)加扭矩對(duì)主提升機(jī)構(gòu)啟動(dòng)的影響由于升船機(jī)主提升系統(tǒng)各個(gè)減速器的齒輪嚙合位置不可能一致,一旦打開(kāi)制動(dòng)器,提升系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí),各個(gè)減速器將產(chǎn)生不同程度的沖擊和抖動(dòng),影響啟動(dòng)時(shí)的平穩(wěn)性。為此,在主提升機(jī)構(gòu)啟動(dòng)前,預(yù)設(shè)一個(gè)轉(zhuǎn)矩命令,實(shí)際轉(zhuǎn)矩跟隨預(yù)設(shè)給定轉(zhuǎn)矩,達(dá)到預(yù)加的轉(zhuǎn)矩。然后在延時(shí)啟動(dòng)時(shí)間內(nèi),保持速度給定為零。預(yù)加力矩設(shè)定的大小和機(jī)構(gòu)啟動(dòng)的平穩(wěn)程序有關(guān),此數(shù)值通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。為了提高升船機(jī)自動(dòng)控制的性能,根據(jù)升船機(jī)負(fù)載變化情況,預(yù)加力矩的數(shù)值也應(yīng)相應(yīng)變化,把這一變化關(guān)系作一函數(shù)輸入計(jì)算機(jī)系統(tǒng),不論何種工況下,總有一個(gè)恰當(dāng)?shù)念A(yù)加力矩,能保持提升機(jī)構(gòu)啟動(dòng)時(shí)的平穩(wěn)。2.2.3安全制動(dòng)盤及系統(tǒng)升船機(jī)承船廂總體質(zhì)量1000多t,不論是正常制動(dòng)還是事故制動(dòng),其制動(dòng)力矩均很大,制動(dòng)必須可靠而且要求平穩(wěn)。升船機(jī)制動(dòng)分為兩級(jí)制動(dòng)。一級(jí)制動(dòng)為工作制動(dòng),采用法國(guó)西姆公司ITX型盤式制動(dòng)器,每臺(tái)直流電機(jī)輸出軸上各裝1臺(tái),可在高速運(yùn)行狀態(tài)下正常制動(dòng)。二級(jí)制動(dòng)為安全制動(dòng),亦用西姆公司SH18-2-2型產(chǎn)品,布置在卷筒外側(cè),每個(gè)制動(dòng)盤設(shè)置3對(duì)安全制動(dòng)器,16個(gè)卷筒共有48對(duì)制動(dòng)器。制動(dòng)器運(yùn)行分3種工況:①正常合閘制動(dòng)。電機(jī)減速運(yùn)行工作制動(dòng)器投入,延時(shí)3～5s后,安全制動(dòng)器投入,此時(shí)卷筒即將靜止,故制動(dòng)摩擦力產(chǎn)生的沖擊力很小。②正常起動(dòng)松閘。安全制動(dòng)器先行松開(kāi),液壓泵站可使48對(duì)安全制動(dòng)器在6s內(nèi)全部松閘。當(dāng)電機(jī)開(kāi)始啟動(dòng)達(dá)到預(yù)加力矩時(shí),工作制動(dòng)器松開(kāi),主提升機(jī)即可升降。③事故工況下緊急制動(dòng)。電機(jī)斷電,工作制動(dòng)器立即合閘,延時(shí)3～5s后,安全制動(dòng)器投入完成緊急制動(dòng),此時(shí)卷筒運(yùn)行速度不一定為零,故安全制動(dòng)器處于動(dòng)摩擦狀態(tài)。工作制動(dòng)器采用西姆公司的專利技術(shù)——“液壓彈簧”進(jìn)行上閘動(dòng)作,比較平穩(wěn),且具有磨擦片磨損自動(dòng)補(bǔ)償?shù)墓δ?。安全制?dòng)器具有角向補(bǔ)償能力及漸進(jìn)制動(dòng)功能,可滿足升船機(jī)制動(dòng)平穩(wěn)的要求。制動(dòng)器管路對(duì)稱布置以均衡各制動(dòng)器之間的動(dòng)作時(shí)間,保證制動(dòng)的同時(shí)性和可靠性。液壓泵站采用18MPa的中高壓液壓驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和較小的工作流量,以減小液壓系統(tǒng)的沿程壓力損失和局部壓力損失,減少管路內(nèi)部油壓撞擊,避免了高壓系統(tǒng)的管道振動(dòng)和噪聲。制動(dòng)器對(duì)稱使用,對(duì)制動(dòng)盤和卷筒不會(huì)產(chǎn)生附加的側(cè)向載荷。2.2.4主梁和梁的布置巖灘升船機(jī)為下水式,故承船廂體形設(shè)計(jì)時(shí),要充分考慮這一因素。承船廂采用單腹板主縱梁,在滿足強(qiáng)度要求下,盡量減少主縱梁下翼緣板寬度。承船廂中部主橫梁采用微凹形布置,梁中高度2.0m,梁端高度2.2m,梁中至梁端呈直線變化,主橫梁兩側(cè)段的內(nèi)側(cè)及中間段頂面設(shè)計(jì)呈U形,轉(zhuǎn)角處半徑500mm。在船廂兩側(cè)水深1.8m處,各開(kāi)22個(gè)400mm×800mm的溢水孔,兼作船廂出入水時(shí)補(bǔ)(排)氣用;在主縱梁和主橫梁腹板處,亦分別設(shè)有若干個(gè)補(bǔ)(排)氣孔。采取以上措施并合理選取承船廂出入水時(shí)的速度和加速度后,保證了承船廂出入水時(shí)的平穩(wěn)性。3提高船務(wù)機(jī)的可靠性和安全性3.1在設(shè)備和設(shè)備上3.1.1封閉的同步軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主提升機(jī)由8根同步軸、8根傳動(dòng)軸和6根中間軸構(gòu)成一個(gè)多軸傳動(dòng)系統(tǒng),再經(jīng)過(guò)8臺(tái)低速減速器、38個(gè)齒式聯(lián)軸器(其中8個(gè)帶脹緊套)和4臺(tái)換向弧齒齒輪箱,組成一個(gè)封閉的同步軸系統(tǒng)。這樣,既保證了16個(gè)卷筒旋轉(zhuǎn)速度同步,又提高了可靠性。上述22根軸均用?245×25mm的20號(hào)熱軋無(wú)縫鋼管制成,任何一臺(tái)電機(jī)、軸或聯(lián)軸器發(fā)生損壞,主提升系統(tǒng)均能正常運(yùn)行。3.1.2破斷拉力試驗(yàn)鋼絲繩設(shè)計(jì)安全裕度按8倍設(shè)計(jì),鋼絲繩出廠前進(jìn)行了破斷拉力試驗(yàn),以確保質(zhì)量。與鋼絲繩連接的調(diào)平油缸和螺桿調(diào)整器,亦按鋼絲繩安全裕度做等強(qiáng)度設(shè)計(jì),使起吊系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)的安全系數(shù)都能滿足安全性和可靠性要求。3.1.3安全制動(dòng)可靠性計(jì)算卷筒鋼絞線下承船廂下水型升船機(jī)的特征之一是主提升系統(tǒng)提升載荷較大。當(dāng)承船廂入水時(shí),廂內(nèi)水體重量瞬間消失,起升機(jī)構(gòu)的最大載荷瞬時(shí)達(dá)到7708kN,若此時(shí)因故必須制動(dòng)時(shí),安全制動(dòng)器必須能夠可靠制動(dòng)。由計(jì)算看出,卷筒鋼絲繩纏繞半徑為1.6m,需要制動(dòng)扭矩為7708kN×1.6m=12332kN·m;卷筒制動(dòng)盤安裝3對(duì)安全制動(dòng)器,制動(dòng)半徑1.78m,制動(dòng)摩擦力為160kN,總制動(dòng)力矩為160kN×1.78m×3(對(duì))×16(個(gè))=13670kN·m,兩者比較,在最大載荷下,制動(dòng)安全系數(shù)還有1.1倍。3.1.4局限性油缸巖灘升船機(jī)液壓調(diào)平系統(tǒng)分成4個(gè)控制單元,每個(gè)控制單元有12個(gè)油缸,每個(gè)單元液壓回路中配置了1個(gè)限速切斷閥,一旦發(fā)生油管爆破和鋼絲繩斷裂(相當(dāng)這個(gè)油缸失壓),限速切斷閥將自動(dòng)關(guān)閉該油缸,其余11個(gè)油缸自行承擔(dān)原來(lái)的載荷,維持升船機(jī)的正常運(yùn)行。3.1.5巖灘升船機(jī)配合全平衡升船機(jī)最擔(dān)心的問(wèn)題是承船廂漏水,由此破壞了平衡系統(tǒng),主提升系統(tǒng)將嚴(yán)重超載而引發(fā)事故。巖灘升船機(jī)采用部分平衡,即使發(fā)生承船廂廂內(nèi)水體全部漏光,對(duì)主提升系統(tǒng)來(lái)說(shuō),其提升載荷比短時(shí)尖鋒載荷7708kN還要小。因此,承船廂漏水對(duì)巖灘升船機(jī)來(lái)說(shuō)是不會(huì)購(gòu)成安全問(wèn)題的。3.2上位主站系統(tǒng)電氣控制方式以計(jì)算機(jī)監(jiān)控為主,現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)控制為輔;主控級(jí)與現(xiàn)地控制級(jí)的通信采用雙綱冗余結(jié)構(gòu)。上位主站系統(tǒng)由1個(gè)操作員工作站、1個(gè)工程師工作站和1個(gè)多媒體工作站組成。其中工程師工作站在系統(tǒng)正常投運(yùn)后,可兼作操作員工作站的熱備用,當(dāng)操作員工作站發(fā)生故障時(shí),可無(wú)擾動(dòng)地代替其工作,直到故障排除,仍回復(fù)到熱備狀態(tài)。主提升子站PLC冗余,電源CPU采用熱備用。3.2.1提高系統(tǒng)的抗壓能力增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力的主要措施是:電源多級(jí)凈化處理;軟硬件濾波;采用良好的接地技術(shù);1/10信號(hào)雙重隔離;強(qiáng)干擾時(shí)自動(dòng)報(bào)警。3.2.2提高系統(tǒng)環(huán)境的適應(yīng)性選擇對(duì)溫度、濕度有較寬工作范圍的設(shè)備及元器件,同時(shí)對(duì)于振動(dòng)、灰塵等采用較好的防護(hù)手段。3.2.3操作控制板設(shè)計(jì)防止人為誤動(dòng)作的主要措施有:在人機(jī)接口的關(guān)鍵部件,設(shè)置操作控制權(quán)口令;手動(dòng)操作時(shí),有操作順序的語(yǔ)言或字符提示;對(duì)關(guān)鍵部位的操作設(shè)置校驗(yàn),當(dāng)操作有誤時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)予以禁止并報(bào)警。3.2.4上位機(jī)應(yīng)急操作每個(gè)子站都具有“自動(dòng)”、“軟手動(dòng)”和“硬手動(dòng)”的功能,當(dāng)上位機(jī)發(fā)生故障時(shí),可以就地應(yīng)急操作;系統(tǒng)具有故障自檢功能和報(bào)警功能;軟件、硬件均采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì),可以快速更換,當(dāng)PLC死機(jī)時(shí),更換模塊即可恢復(fù)工作。3.2.5補(bǔ)充水行程調(diào)節(jié)承船廂入水后,臥倒門打開(kāi),此時(shí)電廠進(jìn)行大的負(fù)荷調(diào)節(jié),將引起下游水位急劇變化,為確保承船廂設(shè)備不被水淹,電氣傳動(dòng)系統(tǒng)補(bǔ)充了水中微行程調(diào)節(jié)功能,保證船廂內(nèi)水深控制在給予的范圍內(nèi)。當(dāng)承船廂入水完畢,臥倒門已開(kāi)啟,下游水位上漲,為防止此時(shí)主提升傳動(dòng)裝置發(fā)生故障,增設(shè)了手動(dòng)點(diǎn)動(dòng)浮升措