三峽升船機(jī)抽管道水流程優(yōu)化及效能分析

王婷婷

(長(zhǎng)江三峽通航管理局，湖北 宜昌 443133)

三峽升船機(jī)作為世界上規(guī)模最大，技術(shù)最復(fù)雜的升船機(jī)，自2016 年試通航以來(lái)，經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)試和消缺，設(shè)備設(shè)施基本處于正常穩(wěn)定的工作狀態(tài)[1]。為進(jìn)一步提高通航效益，針對(duì)現(xiàn)階段影響升船機(jī)運(yùn)行效率的問(wèn)題，開(kāi)展運(yùn)行流程優(yōu)化研究十分必要。

在升船機(jī)設(shè)備運(yùn)行歷時(shí)達(dá)到指標(biāo)的前提下，提高升船機(jī)運(yùn)行效率重點(diǎn)從流程優(yōu)化著手。目前關(guān)于升船機(jī)運(yùn)行流程優(yōu)化相關(guān)研究還較少，胡亞安等[2]對(duì)景洪水力式升船機(jī)對(duì)接流程進(jìn)行研究，優(yōu)化臥倒小門(mén)開(kāi)啟和防撞梁下降的步序，節(jié)省了景洪升船機(jī)運(yùn)行時(shí)間；李飛等[3]對(duì)三峽升船機(jī)船廂與航道解除對(duì)接的工藝進(jìn)行研究，從操作方法上提出了提高運(yùn)行效率的操作建議。國(guó)內(nèi)其他升船機(jī)，由于規(guī)模較小、抽管道水時(shí)間短，且航道水位差相對(duì)穩(wěn)定，船廂運(yùn)行時(shí)間相對(duì)固定，抽管道水可以在船廂上下行期間完成，同樣的控制策略對(duì)主流程運(yùn)行幾乎不產(chǎn)生影響。三峽升船機(jī)上游通航水位變幅30 m、下游通航水位變幅11.8 m，上下游水位差范圍較大，這一特點(diǎn)對(duì)三峽升船機(jī)船廂上下行運(yùn)行時(shí)間影響明顯，又由于三峽升船機(jī)特有的管道結(jié)構(gòu)導(dǎo)致抽管道水時(shí)間較長(zhǎng)，因此本文針對(duì)抽管道水動(dòng)作對(duì)升船機(jī)運(yùn)行效率的影響開(kāi)展流程優(yōu)化研究。

1 三峽升船機(jī)運(yùn)行流程特點(diǎn)

根據(jù)三峽升船機(jī)運(yùn)行流程，抽管道水的作用是將間隙泄水重新抽回船廂。以下行為例，抽管道水從上游退密封框結(jié)束后，持續(xù)到下游伸密封框之前，抽管道水與其他動(dòng)作的關(guān)系見(jiàn)圖1。若此過(guò)程其他設(shè)備運(yùn)行時(shí)間大于抽管道水時(shí)間，抽管道水不會(huì)影響流程運(yùn)行時(shí)間；若此過(guò)程其他設(shè)備運(yùn)行時(shí)間小于抽管道水時(shí)間，抽管道水將影響流程運(yùn)行時(shí)間。為研究同時(shí)運(yùn)行的動(dòng)作之間的時(shí)間關(guān)系，對(duì)無(wú)故障工況下升船機(jī)相關(guān)設(shè)備運(yùn)行歷時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

圖1 抽管道水與其他動(dòng)作的關(guān)系

2 抽管道水流程對(duì)運(yùn)行的影響

在無(wú)故障的情況下，影響抽管道水時(shí)間的主要因素是管道水深，而決定管道水深的兩個(gè)變量為泄間隙水前管道水深h0、(與船廂水持平的)間隙水深h1。h0、h1同時(shí)最大時(shí)，抽管道水時(shí)間最長(zhǎng)；h0、h1同時(shí)最小時(shí)，抽管道水時(shí)間最短。通過(guò)采集數(shù)據(jù)樣本分析，抽管道水動(dòng)作開(kāi)始時(shí)管道水深通常在0.88～0.94 m，動(dòng)作結(jié)束時(shí)停泵水位為0.38 m，管道水深與抽管道水歷時(shí)關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 管道水深與抽水時(shí)間關(guān)系

影響船廂上下行運(yùn)行時(shí)間的主要因素是船廂行程，船廂以正常加速度0.01 m∕s2和勻速度0.2 m∕s運(yùn)行時(shí)，船廂運(yùn)行到最大勻速度后停位，運(yùn)行時(shí)間與船廂行程為線(xiàn)性關(guān)系，上下行運(yùn)行歷時(shí)與船廂行程的關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3 船廂運(yùn)行時(shí)間與行程關(guān)系

設(shè)抽管道水時(shí)間為T(mén)1，由圖2 可知，抽管道水時(shí)間660 s≤T1≤780 s。設(shè)船廂運(yùn)行時(shí)間為T(mén)2，由圖2 可知:

式中:T2為船廂上下行運(yùn)行時(shí)間(s)；H為船廂行程(m)。式(1)適用條件為4 m≤H≤113 m。

設(shè)船廂從解除對(duì)接到對(duì)接的時(shí)間為T(mén)0，其中，船廂解除對(duì)接和船廂對(duì)接系列動(dòng)作運(yùn)行總時(shí)間約為197s，根據(jù)流程串聯(lián)步序可知:

將T1與T0進(jìn)行比較，當(dāng)T2＜463 s 時(shí)，抽管道水時(shí)間大于同時(shí)動(dòng)作的其他設(shè)備運(yùn)行總時(shí)間，T2對(duì)應(yīng)的船廂行程為81.5 m；當(dāng)T2＞583 s 時(shí)，抽管道水時(shí)間小于同時(shí)動(dòng)作的其他設(shè)備運(yùn)行總時(shí)間，T2對(duì)應(yīng)的船廂行程為104.9 m；當(dāng)463 s≤T2≤583 s時(shí)，T1與T0大小關(guān)系不定，由泄間隙水前管道水深和船廂水深決定。

上一次抽管道水停泵時(shí)管道殘余水量和船廂水深兩者在程序中均有設(shè)置的控制范圍，在每一次運(yùn)行中，具有隨機(jī)性，因此每一次都可能出現(xiàn)T1＞T0的情況。即上下游水位差＜81.5 m 時(shí)，船廂對(duì)接后一定會(huì)出現(xiàn)等待時(shí)間；當(dāng)上下游水位差＜104.9 m時(shí)，每一次船廂對(duì)接后均有可能出現(xiàn)等待時(shí)間。當(dāng)抽管道水時(shí)間T1最長(zhǎng)為780 s、船廂行程H最小為71.2 m 時(shí)，船廂從解除對(duì)接到對(duì)接的時(shí)間最小為607 s，此時(shí)等待時(shí)間最長(zhǎng)為173 s，約占全流程設(shè)備運(yùn)行歷時(shí)的10%。

南開(kāi)大學(xué)教授席真在作《基因農(nóng)藥技術(shù)》主題報(bào)告中介紹，由于防治對(duì)象的多樣性、環(huán)境生物的多樣性、保護(hù)對(duì)象的多樣性、環(huán)境生態(tài)的多樣性，基于單一分子靶標(biāo)結(jié)構(gòu)開(kāi)展新農(nóng)藥創(chuàng)制的研究模式已然無(wú)法滿(mǎn)足綠色農(nóng)藥所期待的高效性、高選擇性與風(fēng)險(xiǎn)抵抗性的原則，農(nóng)藥發(fā)展周期進(jìn)入一個(gè)全新的高通量、大數(shù)據(jù)、系統(tǒng)性的智能設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段。

3 抽管道水流程優(yōu)化方案

三峽升船機(jī)主要由船廂門(mén)、閘首門(mén)、船廂水深調(diào)節(jié)與間隙充泄水系統(tǒng)、對(duì)接密封裝置、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、對(duì)接鎖定機(jī)構(gòu)、頂緊機(jī)構(gòu)等組成。升船機(jī)運(yùn)行流程順序控制，各步間有嚴(yán)格的邏輯閉鎖關(guān)系，當(dāng)條件不滿(mǎn)足時(shí)操作不會(huì)起作用。各環(huán)節(jié)之間也有順序閉鎖保護(hù)，上一步未完成時(shí)下一步不能進(jìn)行[4]。閉鎖和步序準(zhǔn)確可靠，確保升船機(jī)運(yùn)行流程安全高效。

在設(shè)備性能基本穩(wěn)定的前提下，抽管道水時(shí)間過(guò)長(zhǎng)對(duì)運(yùn)行效率造成影響，考慮將抽管道水的允許動(dòng)作時(shí)間延長(zhǎng)、減少等待時(shí)間。目前抽管道水的起止節(jié)點(diǎn)為密封框退回和伸出之后，流程優(yōu)化需重點(diǎn)研究抽管道水與密封框退回、伸出的步序關(guān)系，需要對(duì)密封框退回、伸出的閉鎖條件進(jìn)行安全分析。

對(duì)接密封框是連通航道與船廂的設(shè)備，密封框的閉鎖是確保船廂與航道安全對(duì)接的重要保障。三峽升船機(jī)密封框退回、伸出的閉鎖條件及各條件設(shè)置必要性分析見(jiàn)表1。

表1 對(duì)接密封框閉鎖條件及必要性分析

根據(jù)表1 可知，密封框退回與抽管道水在步序上沒(méi)有必要限制；密封框伸出與抽管道水完成存在步序關(guān)系，但此步序是否完成不影響密封框及其他設(shè)備安全運(yùn)行。綜上，密封框退回、伸出與抽管道水之間的串聯(lián)步序可進(jìn)行優(yōu)化。

優(yōu)化抽管道水的步序，取消抽管道水完成信號(hào)對(duì)伸密封框動(dòng)作的閉鎖限制。在抽管道水持續(xù)過(guò)程中，可進(jìn)行密封框退回和伸出動(dòng)作。根據(jù)管道特點(diǎn)，充、泄間隙水動(dòng)作與抽管道水不能同時(shí)進(jìn)行，故泄間隙水之后、充間隙水之前方可進(jìn)行抽管道水步序，此處的串聯(lián)步序是安全必需的。

優(yōu)化前抽管道水與船廂解除對(duì)接、船廂上下行、船廂對(duì)接為并聯(lián)工序，優(yōu)化后退密封框、船廂解除對(duì)接、船廂上下行、船廂對(duì)接、伸密封框依然保持串聯(lián)工序，然后與抽管道水并聯(lián)，改變了抽管道水的起止節(jié)點(diǎn)，見(jiàn)圖4。

圖4 三峽升船機(jī)抽管道水優(yōu)化流程

4 抽管道水流程優(yōu)化效能分析

為了研究抽管道水對(duì)三峽升船機(jī)通航效益的影響，統(tǒng)計(jì)分析了升船機(jī)上下游水位差全年分布情況。以2020 年為例，上下游航道水位差見(jiàn)圖5。2020 年上下游水位差在104.9 m 以下的時(shí)間占73.61%，水位差在81.5 m 以下的時(shí)間占8.29%。在全流程運(yùn)行時(shí)，抽管道水對(duì)升船機(jī)運(yùn)行效率的整體影響較大，進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)效益顯著。

圖5 2020 年三峽升船機(jī)上下游航道水位差

1)在低水位運(yùn)行時(shí)，每廂次可節(jié)省1 次密封框退回和伸出運(yùn)行的時(shí)間，約為70 s。初步估計(jì)，每天可節(jié)省通航時(shí)間約28 min，全年可節(jié)省通航時(shí)間約7 460 min，折合廂次120 余次。

2)三峽升船機(jī)上下游引航道水位變化對(duì)船廂對(duì)接過(guò)程廂內(nèi)水面波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生影響，且在上游低水位通航條件下及汛期影響較大[5-6]，這種工況下，升船機(jī)船廂與航道對(duì)接船廂水深波動(dòng)相對(duì)較大，造成管道水深較高的幾率也較大，抽管道水時(shí)間更長(zhǎng)；另外對(duì)接后航道水位波動(dòng)，造成需要重新對(duì)接的幾率增多。此時(shí)解除對(duì)接后再重新對(duì)接時(shí)，平均等待時(shí)間可達(dá)10 min。此種運(yùn)行工況下，抽管道水流程優(yōu)化有助于快速解除對(duì)接和重新對(duì)接，對(duì)運(yùn)行操作具有重要的意義。

3)現(xiàn)階段三峽升船機(jī)對(duì)接密封裝置的其他部件可靠性相對(duì)較低，如伸出到位、壓緊到位等信號(hào)，在這些部件適應(yīng)性改造前，密封框伸出動(dòng)作的提前可有助于此類(lèi)短時(shí)中斷故障在抽管道水期間處理，錯(cuò)開(kāi)了密封框故障處理時(shí)間，也節(jié)約了主流程運(yùn)行時(shí)間。

4)在充間隙水過(guò)程中，密封框伸出或壓緊信號(hào)丟失會(huì)導(dǎo)致充間隙水停止，同時(shí)也無(wú)法泄間隙水。此時(shí)，再次伸密封框動(dòng)作，會(huì)受到抽管道水步序限制(充水閥件開(kāi)到位狀態(tài))而無(wú)法執(zhí)行。優(yōu)化抽管道水的步序，使此類(lèi)故障通過(guò)流程上手動(dòng)操作(如重新進(jìn)行密封框壓緊)即可快速解決，避免了該工況下流程陷入死循環(huán)。

5 結(jié)論

1)三峽升船機(jī)抽管道水流程優(yōu)化為:將抽管道水與退密封框、船廂解除對(duì)接、船廂上下行、船廂對(duì)接、伸密封框改為并聯(lián)工序，在退上游密封框時(shí)可同時(shí)啟動(dòng)抽管道水，在抽管道水時(shí)可同時(shí)伸下游密封框。

2)抽管道水流程優(yōu)化可在確保安全的前提下，提高低水位通航條件下和船廂與航道重新對(duì)接工況下的運(yùn)行效率。

3)抽管道水步序的優(yōu)化，有助于提高手動(dòng)操作的靈活性，為密封框短時(shí)流程中斷故障提供更安全便捷的處理方式。

4)優(yōu)化抽管道水步序能很大程度上解決流程執(zhí)行中等待的問(wèn)題，但仍不能完全避免，抽管道水效率仍有進(jìn)一步提升的空間，理論上極限管道水深時(shí)的抽水時(shí)間應(yīng)小于683 s，才能完全避免抽管道水對(duì)運(yùn)行流程的影響。