水電站卷揚式快速閘門智能控制方法的探討

(湖南聯(lián)誠長潭河發(fā)電有限公司，湖南 慈利 427200)

1 水電站卷揚式快速閘門智能控制系統(tǒng)概述

2009年8月17日，俄羅斯最大水電站——薩楊·舒申斯克水電站發(fā)生了水電史上特大事故。根據(jù)俄羅斯國內(nèi)外專家分析認為，造成此次事故的主要原因是卷揚式快速閘門應關(guān)閉而未關(guān)閉。因此，我國水電系統(tǒng)吸取“薩楊事故”的深刻教訓，進行全面梳理整改，并將大流量、低水頭安裝有卷揚式快速閘門的水電站作為重點整改對象。

水電站卷揚式快速閘門作為水輪機組的最后一道安全保護程序，在水輪發(fā)電機組發(fā)生過速、調(diào)速器失靈等緊急事故時，快速閘門在動水狀態(tài)下快速截斷水流，防止水輪發(fā)電機組發(fā)生飛逸事故，有效避免重大事故發(fā)生。以大流量、低水頭的軸流轉(zhuǎn)槳式機組為典型，這種機組的流道尺寸很大，無法安裝水輪機主閥，只能安裝事故快速閘門來保證機組安全。因此，水電站卷揚式快速閘門智能控制方法一直是水電系統(tǒng)研究的重要課題。

2 水電站快速閘門種類

快速閘門啟閉機常用的有三種：液壓式啟閉機、卷揚啟閉機、螺桿式啟閉機。快速閘門安裝位置如圖1所示。

圖1 快速閘門安裝位置

螺桿式啟閉機能傳動的功率小，一般只適用于小型平面閘門。液壓式啟閉機受到長行程油缸內(nèi)圓鏜磨加工能力的限制，且后期維護成本較高，只適用于孔口高度小的水電站。卷揚式快速閘門由鋼絲繩帶動，適應性廣，成本低，維護方便，使用廣泛。

3 水電站卷揚式快速閘門控制的要求

水輪發(fā)電機組在正常運行時突然甩去部分負荷或全部負荷，發(fā)電機輸出功率為零。此時，若調(diào)速系統(tǒng)正常，轉(zhuǎn)速異常，系統(tǒng)會自動恢復到額定轉(zhuǎn)速；如果控制出現(xiàn)問題，水輪發(fā)電機組將在飛逸轉(zhuǎn)速下運行，會對水輪機和發(fā)電機的各轉(zhuǎn)動部件及其連接部件造成破壞，從而會發(fā)生重大事故。此時，就需要卷揚式快速閘門來解決問題。

按照《水電工程啟閉機制造安裝及驗收規(guī)范》(NB/T 35051—2015)中固定卷揚式啟閉機的要求規(guī)定：快速關(guān)閉最大速度不得超過5m/min，電動機超速倍率小于2倍；《水輪發(fā)電機設備技術(shù)規(guī)范》(DL/T 730—2000)“水輪發(fā)電機(發(fā)電電動機)和與其直接或間接連接的輔機應能在飛逸轉(zhuǎn)速下安全運行，其時間為5min”的要求，針對上述情況，需馬上啟動快速閘門，防止飛逸轉(zhuǎn)速事故發(fā)生。

4 現(xiàn)行卷揚啟閉機式快速閘門存在的問題

現(xiàn)有運行的卷揚啟閉機式快速閘門存在很多缺陷，采取離心飛擺調(diào)速器進行控制，全過程加速運行，設備振動很大，無速度監(jiān)控和修正，安全風險很大，不能夠滿足水電行業(yè)規(guī)范要求。以長潭河水電站的卷揚啟閉機式快速閘門為例，從2009年投運到2016年，實驗數(shù)據(jù)一直不合格?？焖匍l門在實驗中一直加速下降，啟閉機房連同閘門轉(zhuǎn)動系統(tǒng)共振，調(diào)試人員和設備安全沒有保障。

5 針對卷揚啟閉機式快速閘門問題的對策

針對快速閘門在使用中存在的問題，長潭河水電站經(jīng)過三年多的實驗，研制出了新型斷電落門智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用變頻變力制動器控制卷揚機，下閘實現(xiàn)先快后慢分段控制，快速下閘時閘門勻速運行。系統(tǒng)實現(xiàn)了快速閘門的智能控制。

5.1 卷揚啟閉機式快速閘門智能控制系統(tǒng)的控制方法

當水輪發(fā)電機組過速運行時(或接到其他需要關(guān)閉的指令時)，卷揚機抱閘開啟，閘門快速關(guān)閉截斷水流，第一階段自動控制閘門快速下降，2min內(nèi)閘門關(guān)閉80%，確保機組不會發(fā)生飛逸事故；之后控制閘門緩慢落入底檻，減小閘門對底檻的撞擊。閘門動作曲線如圖2所示。

圖2 閘門動作曲線

5.2 卷揚啟閉機式快速閘門智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

快速閘門制動控制系統(tǒng)主要由變力制動器、電控系統(tǒng)和測速保護裝置三部分組成，如圖3所示。

圖3 快速閘門制動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測速保護裝置可全程監(jiān)控閘門的速度和位置，電控系統(tǒng)可精確控制事故快速閘門上的變力制動器的輸出力矩，使閘門按照設定的速度—時間分段曲線連續(xù)穩(wěn)定運行。該系統(tǒng)彌補了現(xiàn)有設備存在的原理性和控制性缺陷，有效消除了失控風險，提高了水電站生產(chǎn)安全性，填補了這類快速閘門智能控制的空白。該系統(tǒng)性能優(yōu)勢見表1。

表1 快速閘門制動控制系統(tǒng)優(yōu)勢

5.3 卷揚啟閉機式快速閘門智能控制系統(tǒng)新型方法的實驗過程

長潭河水電站閘門進行了動水閉門實驗，在發(fā)電機組滿負荷運行時，一臺機組兩個進水閘門同時啟動，落門過程中，在發(fā)電機進入進相運行前分開發(fā)電機的出口開關(guān)和退出勵磁，監(jiān)測閘門下降過程的運行情況。

實驗時模擬水輪發(fā)電機組事故：閘門控制系統(tǒng)處于失電狀態(tài)，卷揚機主電機退出運行，快速落門調(diào)速控制系統(tǒng)由水電站自備的220V蓄電池直流電源供電，該電源采用與市電單向隔離方式實現(xiàn)在線式供電。在遠程或本地給出落門信號后，系統(tǒng)進入失電快速落門模式。其具體控制過程如下：

a.加速落門。系統(tǒng)對每臺制動器進行變力控制，使制動器的制動力矩迅速減小到預設值(初定時50N·m，此值可根據(jù)現(xiàn)場調(diào)機時再進行整定)，使閘門帶制動加速下降。控制過程為：快速下閘→計算力矩→制動器變力→閘門帶摩擦下降。

b.勻速落門。系統(tǒng)實時采集高度信號分析計算成閘門速度信號，組成一個全閉環(huán)控制模型對制動力矩進行微調(diào)控制，通過實時計算水壓、水流、速度對閘門的作用力，自動修正制動力矩，將閘門下降速度穩(wěn)定在4m/min左右。即閘門加速下降速度接近4m/min時自動加大制動器的制動力矩，使閘門下降速度穩(wěn)定在4m/min左右。落門時勻速下降閉環(huán)控制模型如圖4所示。

圖4 勻速落門控制模型

c.預減速或安全預停。當閘門下降到距底檻約1.5m時進行預減速或安全預停，由預減速或安全預停狀態(tài)恢復到下閘狀態(tài)后采用同樣的方式將下降速度限制在2m/min內(nèi)，直至閘門完全落入底檻。閘門落入底檻時的速度保持在接近零速的狀態(tài)，將閘門落入底檻時的沖擊力降到最小。

5.4 卷揚啟閉機式快速閘門智能控制系統(tǒng)新型方法分段控制的效果

這種卷揚式事故快速閘門智能控制方法將整個快速落門過程分為防飛逸快速落門和慢速防沖擊落門兩個階段，具體實驗數(shù)據(jù)見表2。

表2 實驗數(shù)據(jù)

續(xù)表

續(xù)表

閘門全開至1.5m為防飛逸快速落門階段，閘門1.5m至全關(guān)為慢速防沖擊落門階段。閘門全程落門時間為2min51s，其中，防飛逸快速落門時間約為2min24s，降落速度為4m/min，峰值速度為4.3m/min；慢速防沖擊落門段降落速度為2m/min，峰值速度為2.2m/min。改造前最大速度大于5.5m/min，改造后整個控制安全平穩(wěn)，最大速度為4.3m/min，并且勻速下降，智能控制，達到了規(guī)范要求。

6 卷揚啟閉機式快速閘門智能控制方法的推廣

從實驗數(shù)據(jù)說明，該系統(tǒng)方法符合《水電工程啟閉機制造安裝及驗收規(guī)范》(NB/T 35051—2015)中固定卷揚式啟閉機的要求規(guī)定：快速關(guān)閉最大速度不超過5m/min，電動機超速倍率小于2倍。符合《水輪發(fā)電機設備技術(shù)規(guī)范》(DL/T 730—2000)“水輪發(fā)電機(發(fā)電電動機)和與其直接或間接連接的輔機應能在飛逸轉(zhuǎn)速下安全運行，其時間為5min”的要求，閘門快速勻速下降，低速落檻，整個落門過程運行平穩(wěn)，沒有出現(xiàn)振動現(xiàn)象，實現(xiàn)了安全穩(wěn)定的智能控制，解決了事故快速閘門快降過程中的相關(guān)問題，值得在水電系統(tǒng)推廣使用。