三峽升船機充泄水系統(tǒng)改造分析

宋 偉，閆曉青

（長江三峽通航管理局，湖北宜昌 443000）

0 引言

目前長江航運發(fā)展的主要瓶頸為船舶日益增加的過壩需求與雙線五級船閘通過能力已超過設(shè)計的最大通過能力之間的矛盾。三峽升船機是世界上規(guī)模最大的齒輪齒條爬升式全平衡垂直升船機，其主要作用是為通過三峽樞紐的船舶提供快速過壩通道，與三峽船閘共同擔負著三峽樞紐的通航使命，因此，三峽升船機的運行效率一直倍受社會各界關(guān)注。影響三峽升船機運行效率的原因之一是運行工藝復(fù)雜，運行流程繁瑣。下面重點研究三峽升船機間隙充泄水系統(tǒng)的的運行流程優(yōu)化，以此作為間隙泄水管道改造優(yōu)化對提高升船機運行效率起到積極作用的理論依據(jù)。

1 改造原因分析

在三峽升船機試運行期通過記錄、整理單機構(gòu)動作時間及單向空載運行流程耗時發(fā)現(xiàn)，整個運行流程當中共有21個步序（只包含單機構(gòu)動作步序），而僅“泄上/下游間隙水”這一步序就占整個運行流程1/6的時間，這說明間隙充泄水系統(tǒng)的改造對提高三峽升船機運行效率有著重要影響。因此，重點對改造原因及改造后調(diào)試結(jié)果進行分析、研究。

1.1 管道容積無法滿足實際運行需求

依據(jù)原設(shè)計方案，間隙水的泄水方式為間隙水以“自流”的方式進入船廂底部的儲水管道P1，間隙水泄盡后，在船廂升降的過程中，間隙水泵P3和間隙水泵P4將臨時儲存在P1內(nèi)的間隙水抽回船廂。然而，在間隙泄水系統(tǒng)調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，P1內(nèi)的水不能被完全抽盡，致使其可用容積減少，不能容納再次泄入的全部間隙水。

改造前，間隙水管為1根直徑1 m、長約130 m的管道，容積約102 m3（圖1）。

已知儲水管道P1的容積約102 m3。對船廂門與閘首工作門的“間隙”部分容積，也做了簡單計算（圖2）。

圖中陰影部分為“間隙”的有效容積，經(jīng)過計算，該部分容積約114 m3?？紤]到間隙水位會根據(jù)上下游的變化而有所不同，間隙水的實際體積與計算會有些差距，理論上差值可控制＜20 m3。

針對計算結(jié)果可證，若儲水管道內(nèi)的水無法抽盡，加之管道內(nèi)存在的水錘等外力，極大可能會使得“間隙”內(nèi)的水無法通過“自流”的方式一次性泄入儲水管道。為此，試通航期間對間隙泄水系統(tǒng)的泄水方式做了調(diào)整，由原設(shè)計的“自流”方式調(diào)整為“自流+潛水泵抽水”的方式。調(diào)整后，單次泄水運行工藝復(fù)雜程度增大，運行方式與原設(shè)計相差甚遠。

圖1 改造前儲水管道P1橫截面

圖2 “間隙”橫截面圖及主視圖

1.2 “泄上/下游間隙水”運行流程復(fù)雜

改造前，“泄上/下游間隙水”方式為“自流+潛水泵抽水”，以減少泄入儲水管內(nèi)的間隙水量。以泄上游間隙水為例，運行時序為：首先開啟上游蝶閥V1，V6和V7，蝶閥開到位后，啟動上游可逆水泵P1，泄上游間隙水至5.5 m；或開啟上游蝶閥V2、下游蝶閥V13和V16，蝶閥開到位后，啟動下游間隙水泵P2，泄上游間隙水至5.5 m；隨后開啟上游蝶閥V3開始泄上游間隙水，當上游間隙水泄至0.9 m時，開始關(guān)閥。按照流程設(shè)計，手動方式運行下，當所有蝶閥均關(guān)到位時，才可開始下一步序。但是在“分步/自動”方式下，只有當所有蝶閥均關(guān)到位時才會進行自動轉(zhuǎn)步。

由于步序較為復(fù)雜，泄水過程中需多次開關(guān)閥件、啟停水泵，對轉(zhuǎn)步條件也有了更高要求，使得整個泄水過程耗時長達4 min25 s。同時，在發(fā)生故障時處理的難度和時長也有所增加。

三峽升船機作為快速過壩通道，船舶過壩時間一直備受矚目，因此長期以來對運行流程的時間控制有一定的要求。自2016年9月18日試通航以來，經(jīng)過累積記錄運行時間，得出單向空載運行時間約為27 min，單向有載運行時間約為67 min（排除故障礙航、極端惡劣天氣礙航等情況）。其中，單向運行一次，泄間隙水的時間約為4 min 25 s，這極大地影響了三峽升船機的運行效率，因此，對間隙泄水系統(tǒng)的優(yōu)化改造應(yīng)當將縮短運行時間作為改造的考慮要點之一。

1.3 水錘對其他設(shè)備的影響

2017年4月27日，升船機船廂在上游對接時，曾發(fā)現(xiàn)上廂頭密封框C形止水壓板有高壓水流射出。經(jīng)現(xiàn)場工作人員檢查后，發(fā)現(xiàn)上廂頭密封框C形止水壓板有13根壓板固定螺栓斷裂，其余6根均有不同程度彎曲和拉長。

根據(jù)上述情況，對當“間隙”需要泄水時，“間隙”附近的蝶閥打開，原管道內(nèi)的存水在5.5 m水頭差的作用下對水封形成的沖擊力，進行計算分析。

根據(jù)射流垂直沖擊平板的沖擊力公式[1-3]，可得式（1）。

式中Qz——水流量，kg/s

v——出口流速，m/s

沖水管局部位置的沖擊力，對該區(qū)域的水封影響較大。取管徑對應(yīng)的水封長度，即1 m、水封受力寬度為0.368 8 m計算。上述沖擊力相當于12.6 m水頭。

對計算結(jié)果進行分析，按照調(diào)整后的運行工藝，間隙泄水時，首先啟動P1，P2抽水至船廂，當間隙水位下降至5.5 m時，間隙水以自流方式泄入儲水管道中，但由于管道內(nèi)有空氣，水體進入管道后形成水錘，倒流，對C形水封造成非恒定的沖擊力，瞬間沖擊力較大，進而造成壓板螺栓斷裂。

三峽升船機單日最高通有載廂次數(shù)為21個，運行效率較五級船閘高出許多。按照設(shè)計要求，正常運行下，三峽升船機1年365 d，日運行時數(shù)達到22 h，設(shè)備連續(xù)工作時長尚且無法準確得出，但可以預(yù)計的是設(shè)備連續(xù)工作時數(shù)會非常之久。因此，間隙泄水系統(tǒng)當中，閥件的多次開關(guān)，加之間隙水自流進入儲水管道產(chǎn)生的沖擊力對C形止水壓板螺栓等易損件的影響，極大地增加了設(shè)備的運行負擔，這也是造成此前充泄水系統(tǒng)中設(shè)備故障發(fā)生率居高不下的原因之一。

2 優(yōu)化改造

2.1 間隙管道P1改造

改造后，間隙水管由一根直徑為1 m，長約130 m的管道以及2根直徑為1.2 m，長約73 m的管道組成（圖3）。經(jīng)過計算，3根管道容積合計約為265 m3。

分析計算結(jié)果，結(jié)合現(xiàn)場實際情況可以得出，改造后，新增加2根直徑為1.2 m的管道，使得儲水管道的容積較以往有了較大擴充，可充分滿足在儲水管道內(nèi)水未抽盡的情況下間隙水的儲存，這樣也使得“泄上/下游間隙水”這一步序與原設(shè)計情況相吻合。在改造管道，擴充了容積的同時，新增設(shè)了2套補、排氣裝置，有效減少了泄水時管道內(nèi)水錘對設(shè)備產(chǎn)生的危害。

2.2 運行流程優(yōu)化

改 造后，“泄上/下游間隙水”方式為“自流”，改造后的管道容積可充分滿足間隙水的儲存。以泄上游間隙水為例，運行時序為，打開管道1上的電動蝶閥V3，間隙水以自流方式進入船廂底部的儲水管道P1，間隙水泄盡后，關(guān)閉V3，在船廂升降期間由間隙水泵P3和間隙水泵P4將臨時儲存在P1內(nèi)的間隙水抽回船廂。需要指出是，由于間隙泄水方式的改變，運行流程中將間隙水＜1 m作為“泄上/下游間隙水”完成的標志，即當間隙水＜1 m時，下一步序即可開始。

僅以“自流”的方式泄水，一方面減少了開關(guān)閥件以及啟停水泵的次數(shù)，極大地縮短了“泄上/下游間隙水”的時間。整個泄水（含開關(guān)蝶閥的時間）耗時約為64 s。而由于“泄上/下間隙水”步序完成標志的更改，該步序?qū)嶋H耗時僅37 s左右；另一方面簡化了運行流程，大大減少了“泄上/下游間隙水”過程中的故障發(fā)生次數(shù)。由于只需開關(guān)一次蝶閥，即可完成“泄上/下游間隙水”這一步序，在很大限度上減少了蝶閥的日常損耗。

圖3 改造后儲水管道P1橫截面

3 結(jié)論

通過試運行資料統(tǒng)計，目前三峽升船機間隙泄水運行工藝流程較為繁瑣且耗時，對泄水管道優(yōu)化改造亟待解決。

（1）儲水管道改造后，管道的儲水容積由原來的102 m3增加為現(xiàn)在的265 m3，在管道水未完全抽盡的情況下，能充分滿足“間隙”內(nèi)的水通過“自流”方式進入儲水管道的這一設(shè)計要求。同時在管道的上、下兩端新增設(shè)了2套補、排氣裝置，有效減少了泄水時管道內(nèi)的水錘對設(shè)備產(chǎn)生的危害，較好地保護了現(xiàn)場設(shè)備設(shè)施，對三峽升船機日常運行、維保工作起到了積極作用。

（2）流程優(yōu)化改造后，成果經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試運行驗證，間隙泄水的時間由原來的4 min25 s減少至37 s，僅單次運行就縮短約3 min48 s。按照三峽升船機現(xiàn)有運行模式，在滿負荷運行的情況下每天可通過約21個有載廂次，可以節(jié)約80 min。實踐說明，優(yōu)化改造后間隙泄水系統(tǒng)流程更加流暢、高效，對三峽升船機的運行效率有較大提升，對提高三峽升船機船舶通過能力起到了積極的作用。