三峽“超級電梯”：托舉萬噸輪船過大壩

三峽“超級電梯”：托舉萬噸輪船過大壩

三峽升船機(jī)由中德聯(lián)合設(shè)計，令德方詫異的是，德國自己設(shè)計的升船機(jī)還未動工，我們的工人已經(jīng)在三峽大壩上飛檐走壁了。而升船機(jī)提升精確度誤差小于兩毫米，更刷新了世界標(biāo)準(zhǔn)。

9月18日，作為工程的收官之作，被譽(yù)為三峽工程最后的“謎底”——三峽升船機(jī)的神秘面紗終于被揭開。

據(jù)悉，三峽升船機(jī)是世界上規(guī)模最大、技術(shù)含量最高的垂直升船機(jī)。它系統(tǒng)眾多，功能復(fù)雜，大部分設(shè)備型式及運(yùn)作方式為國內(nèi)首次采用，其技術(shù)、制造、安裝難度和規(guī)模均為升船機(jī)世界之最。那么，被稱為“超級電梯”的它到底神在哪兒？

精準(zhǔn)度刷新了世界標(biāo)準(zhǔn)

這座世界上最大的升船機(jī)，初步設(shè)計于上世紀(jì)50年代。1993年通過審查，基于安全可靠性考慮，1995年5月國務(wù)院三峽工程建設(shè)委員會決定緩建三峽升船機(jī)，重新進(jìn)行方案比選及論證設(shè)計。

三峽集團(tuán)機(jī)電工程局副局長吳小云從2004年接手升船機(jī)研制，12年磨一劍，最終在他們這一代人手中“亮劍”。

據(jù)悉，當(dāng)時在升船機(jī)技術(shù)比較成熟的德國、比利時等國家，升船機(jī)主要是應(yīng)用在運(yùn)河上，水流平緩，水文條件相對簡單。而要在三峽大壩上建造升船機(jī)，卻必須面對極為復(fù)雜的水文條件。

此外，齒輪齒條爬升式和鋼絲繩卷揚(yáng)提升式是世界垂直升船機(jī)主要采用的兩種設(shè)計型式，建造當(dāng)初，采用何種方式，爭議不斷。

由于鋼絲繩卷揚(yáng)提升式技術(shù)問題相對容易解決，多數(shù)專家同意采用鋼絲繩卷揚(yáng)提升方案，部分專家對這一方案的安全可靠性表示質(zhì)疑。

專家們面臨的挑戰(zhàn)是，三峽升船機(jī)的規(guī)模比一般電梯大很多，鋼絲繩卷揚(yáng)提升的設(shè)計方案，無法從根本上解決安全可靠性問題。

三峽升船機(jī)的首倡者之一、中國工程院院士陸佑楣對此進(jìn)行了理性論證。

“三峽升船機(jī)要通過3000噸級的船，這個噸位的客船可以載員1000多人。升船機(jī)最大提升重量15500噸，平衡重也是15500噸，兩個加起來3萬多噸，這個龐然大物絕對不能出問題。如果用鋼絲繩卷揚(yáng)方案，一旦船廂漏水，整個升船機(jī)系統(tǒng)就失去了平衡，平衡重系統(tǒng)會一下把船廂拉上去。要解決這種失衡狀況下的制動問題，顯然不能寄希望于卷揚(yáng)機(jī)抱死。這么大的重量，無法抱死怎么辦？”經(jīng)過審慎論證，決定采用世界先進(jìn)的齒輪齒條爬升式。

升船機(jī)在啟動、加速、運(yùn)行、停機(jī)各個階段嚴(yán)格按照平滑的速度曲線運(yùn)行。有人測試，將一枚一塊錢硬幣立在承船廂上，待升船機(jī)升到上游時，硬幣依然直立不倒，甚至未見輕微的晃動

如今，三峽升船機(jī)創(chuàng)下了多個世界第一的紀(jì)錄。偉岸壯觀的三峽升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)，卻有著極高的精度。

吳小云介紹說，三峽升船機(jī)承重塔柱結(jié)構(gòu)高146米，塔柱混凝土全高的垂直度偏差不大于30毫米。令人叫絕的是，升船機(jī)同步提升精確度誤差小于兩毫米，刷新了世界標(biāo)準(zhǔn)。

德國是世界上對升船機(jī)建造設(shè)計經(jīng)驗豐富的國家，三峽升船機(jī)由中德聯(lián)合設(shè)計，合作中，令德方最為詫異的是，三峽升船機(jī)的超快建造速度。

“德國自己設(shè)計的升船機(jī)還停留在圖紙上，我們的工人已經(jīng)在三峽大壩上飛檐走壁了。”

“四兩撥千斤”關(guān)鍵在平衡

據(jù)介紹，三峽升船機(jī)就是在通航河流的大壩上，建造一座供船舶乘坐的快捷“電梯”，作為三峽五級船閘“樓梯式過壩”的有效補(bǔ)充，實現(xiàn)“大船爬樓梯、小船坐電梯”的分流。

中船重工所屬武漢船舶公司副總經(jīng)理岳秋良介紹，三峽升船機(jī)投入運(yùn)行后，客船及部分貨船可借助其“電梯式”服務(wù)快速通過三峽大壩，由目前的3個多小時縮短至40分鐘，大大提高船舶過壩效率。

據(jù)了解，與船閘相比，升船機(jī)過壩還具有不耗水的特點，可提高三峽工程的通航調(diào)度靈活性和通航保障能力，使長江黃金水道通航能力提升20%。

升船機(jī)雖然能托舉萬噸重量，但用的是巧勁，可謂“四兩撥千斤”。關(guān)鍵就是其平衡之術(shù)。

“升船機(jī)耗水耗電量都很低，靠的就是物理的平衡作用，即以平衡重保持受力平衡。”該項目總工程師胥福堯介紹。

升船機(jī)采用一只裝有水的承船廂作為載體，運(yùn)載船舶升降。利用這一條件，就在兩側(cè)設(shè)置同等質(zhì)量的平衡重，來平衡帶水船廂的總質(zhì)量，從而實現(xiàn)系統(tǒng)“全平衡”的要求。

升船機(jī)現(xiàn)場負(fù)責(zé)人劉科青打了個比喻，升船機(jī)就像一個天平，只需少量電力相助，就能輕松載萬噸。

平衡一旦打破，就十分危險，因此保證船廂的水平狀態(tài)，是最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。

三峽升船機(jī)采用4吊點8臺315千瓦電機(jī)的驅(qū)動方式，帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)承船廂的上、下行運(yùn)行。

4個驅(qū)動點之間必須在任一時刻保證高程同步，控制采用“電氣行程同步+機(jī)械同步”的模式，同時以“電氣出力均衡+機(jī)械同步”模式作為備用控制方案。

在升船機(jī)啟動、加速、運(yùn)行、停機(jī)各個階段嚴(yán)格按照平滑的速度曲線運(yùn)行。

有人測試，將一枚一塊錢硬幣立在承船廂上，待升船機(jī)升到上游時，硬幣依然直立不倒，甚至未見輕微的晃動。

“四點驅(qū)動，就像4個轎夫抬轎子，必須始終保持步調(diào)一致。但是，如果給4個人發(fā)命令，因為‘聽’到命令還有時間誤差，按照原有的國外設(shè)計做不到完全同步?！瘪愀蛘f，技術(shù)人員通過自己設(shè)計研發(fā)，終于克服了這個瓶頸。

追求頂級的“零事故”

作為三峽工程的永久通航設(shè)施之一，“安全”兩個字貫穿始終。

專家解釋稱，升船機(jī)建設(shè)在長江高水頭的三峽樞紐工程上，其過船規(guī)模，特別是提升高度、提升重量、上下游水位變幅都大大突破了世界上已建的齒輪齒條爬升式垂直升船機(jī)，如此“大塊頭”的升船機(jī)，在建設(shè)中沒有可供參考的基本標(biāo)準(zhǔn)。

沒標(biāo)準(zhǔn)，那就自己立“規(guī)矩”。而時任三峽集團(tuán)副總經(jīng)理的楊清立下的規(guī)矩之嚴(yán)苛，令參與升船機(jī)建設(shè)的團(tuán)隊，乃至業(yè)界咋舌。

最嚴(yán)苛的莫過于設(shè)計定位于頂級的“零事故”標(biāo)準(zhǔn)，即出現(xiàn)任何特殊情況，如發(fā)生沉船、船廂水全部漏空等事故狀況，升船機(jī)都要能確保安全。

楊清撂下狠話：“無論地震、火災(zāi)、斷電、洪水任何情況，三峽升船機(jī)都絕不能因本身原因造成人員被困或受到傷害?！?/p>

自此，三峽升船機(jī)定下“首穩(wěn)千閘次”的標(biāo)準(zhǔn)，即在升船機(jī)試通航后，確保持續(xù)穩(wěn)定過船1000閘次，視為質(zhì)量合格，這也成為行業(yè)內(nèi)的國際標(biāo)準(zhǔn)。

三峽升船機(jī)是采用齒輪齒條爬升平衡重式的垂直升船機(jī)，有螺母柱螺桿安全機(jī)構(gòu)。

這種形式升船機(jī)最大特點就是安全可靠性高，在船廂水漏空、沉船和地震等任何事故工況下，都能確保不發(fā)生承船廂墜落等重大設(shè)備和人身事故。

除此之外，升船機(jī)還實現(xiàn)了驅(qū)動系統(tǒng)故障運(yùn)行的冗余控制。三峽升船機(jī)的四個驅(qū)動單元采用行程同步控制，每個驅(qū)動單元的兩臺電機(jī)采用出力均衡控制，當(dāng)8臺電機(jī)中的一臺、兩臺甚至三臺出現(xiàn)故障時，安定裝置根據(jù)設(shè)定的規(guī)則無擾動地實現(xiàn)控制模式切換和故障單元退出，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行不受影響。

通俗地說，系統(tǒng)的設(shè)備裝置都有“備胎”，一用一備，一旦一臺機(jī)器出了問題，“備胎”就能立即頂上。加之傳感器對設(shè)備實時監(jiān)測，如發(fā)生故障，傳動裝置有制動器應(yīng)對。

此外，三峽升船機(jī)還有迅速疏散旅客的設(shè)施，并與應(yīng)急疏散口連接，旅客可以通過活動走道，經(jīng)承重結(jié)構(gòu)疏散、離開升船機(jī)。

從源頭上杜絕一切可能的隱患苗頭，標(biāo)準(zhǔn)制定絕無討價還價的余地，對三峽升船機(jī)建造者而言，最大的價值追求是人的生命安全。

（《中國青年報》2016.11.15、《科技日報》2016.10.20）