启闭机在水电站的运用

2013-03-11卿文

中国高新技术企业 2013年1期

摘要：启闭机作为常规起重设备，广泛用于水电站的施工及闸门的启闭运行，工况由电站运行要求及闸门重量确定。启闭机部件由机座、钢绳卷筒、定滑轮、动滑轮组（俗称吊头）、制动器、电源控制柜、电阻柜等组成，保护装置有机械高度限位器、电子高度限位器、荷重传感器，电控部位由PLC控制回路、电机过流保护装置、过载保护回路、过压和欠压保护控制回路及主电动机的电阻降压启动组成，有条件的水电站还配置有摄像头监控及远程控制。

关键词：启闭机；水电站；高度限位器；荷重传感器；电流型变频器

中图分类号：TV664 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）01-0043-04

1启闭机的外部结构

启闭机架多采用分体制作，通常机架一分为二。腹板对穿，以螺栓连接。现场安装，做机架吊点，横、纵向中心线。调平机架四角预埋板，让预埋板与机架可靠焊接且达到设计高程。机架在预埋板处拼装。连接板先带两螺栓，定位孔打过眼冲，螺栓孔全部对位，装螺栓并用扭力扳手紧固。机架拼接好后，使机架吊点中心线与预埋板吊点中心线吻合，检查机座金加工面的水平，点焊固定机架，进行钢绳卷筒安装。

2启闭机的运行工况

启闭机有单吊点、双吊点两类。多用于水电站闸门的启闭，而电站闸门长期工作于水下，在操作上有许多不确定因素，使用时有一定难度。操作不当，会产生严重后果并发生重大安全事故。

有的电站起升高度大，采用钢绳的多层叠绕，易出现吊头安全距离过小及钢绳在最高限位处的钢绳夹角过大的设计疏漏；多层叠绕卷筒，钢绳沿着导槽自行并绕，钢绳绕完第一层导槽后，第二、三层钢绳会在起头部位发生钢绳跳绕。原因是吊头钢绳夹角过大，绳槽绕力小于钢绳夹角张力，导致高度上限功能失效，卷筒卷不下跳绕多出的钢绳长度，闸门被迫长期吊在空中，容易发生事故。

解决方案计算出绳槽滑动力与钢绳夹角力大小，减小层间叠绕钢绳夹角，满足高程工况，可增大卷筒直径，缩短卷筒长度。双吊点启闭机有两个独立卷筒，直径必须相等，不等就会导致被吊闸门发生倾斜，在起升过程中产生卡阻，发生事故。

启闭机的减速箱，机座的加工，严控尺寸，卷筒、减速箱安装水平、齿联结咬合面90%以上。无顶齿、空车试转无擦伤或刮痕。减速箱与电机为制动轮联结。电机侧制动轮与减速箱水平及同轴一致。联结部四周间隙相等，运转平稳。

闸门200t以上设计多采用双制动器，减速箱与电机联结为一级制动，减速箱另一侧为二级制动。工作原理，一级制动与电机同步，二级制动比一级制动慢1～2s，由PLC编程延时控制。目的是保证闸门空中停止后，再启动不溜沟和防飞车的功能，减少制动器的瓦片磨损。大吨位启闭机，减速箱传动齿较大，箱底的润滑油不易被齿轮带到上部齿面。解决方法是在减速箱底外部加一润滑泵，通过细导管淋在上部齿轮处，齿轮的硬度值大致相等。减速箱就会有较长的使用寿命。

启闭机多采用独立电源供电，百米左右的距离，电压降是必须考虑的条件。电源直径的平方大小等于电机的额定功率之和乘以启闭机同时运行台数加上线路损耗之和，直观判断电源直径是否满足。满负荷连续工作数小时，电源线无发热是满足工况的最低条件。启闭机起升电机采用MZR电机，空车运行30min观察电机碳刷与整流子接触面，磨合面达到70%以上，可进行负载运行，达不到时就须取下碳刷在半圆弧面进行研磨，直到满足要求。

电机采用过流保护，加装过流继电器，电机产生高温会自动脱开电机电源，保护电机不被烧坏。控制回路，缺相保护继电器，控制主升电机接触器，电源缺相时实现缺相自保功能。

启闭机操作，按钮的启动、停止。启动多为三级降压。启动时电机定子回路接触器吸合，电机定子得电，电机转子接触器延时1～5s分三次逐级吸合，完成电机降压起动，输出额定功率。启闭机起动电阻多外型尺寸大，采用两个电阻柜，接线时分清电阻的星点连结及各级切换电阻的连接线是否对称，对应连接。连结不正确会造成电机输出达不到额定功率，使启闭机不能满负荷工作。

启闭机正常运转后进行钢绳的卷筒缠绕，卷钢绳时做好钢绳的回力工作，穿好钢绳的吊头处于无扭力的自然状况。启闭机的高度限位：一是传统的机械限位，二是卷筒软连接的光电编码限位。

首次高度调试及荷重调试在无水情况下进行。闸门是平压运行方式，在闸门吊点上有冲水阀。功能是使上下游管道内的压力均衡，在上下管道内无水压差的工况下升、降闸门。冲水阀与吊点间有300mm的距离，吊头落在门上时为闸门零位，闸门起止水功能，吊点向上提升300mm时，门体没被吊点提动，吊头提起的仅是闸门的冲水阀。水通过阀门进入下游管道，管道内有压力装置。下游压力器显示数值不变后，管道内就充满了水。为充分平压，充水时间通常有数小时。高度调节在闸门体下必须有人，确定闸门落底，水封压缩量为5mm的范围，确定吊头落在门上冲水阀关闭，吊头钢绳不松。此时把高度的机械下限调出，编码器调零，对正卷筒软连接固定。编码器最好选用有负值的仪器。荷重传感器也为零。起升吊头在300mm处停止。验证并确定冲水阀全开且闸门没提动。设定冲水行程，编程使闸门运行到此位置自动停止向上运行。设置转换开关，冲水完成后，给一个完成信号，闸门方可向上提升。闸门提出门槽，根据闸门实际重量，调整荷重参数，设定并显示闸门实重值。标定105%蜂鸣报警，110%超载自动停止保护。运行至起升最高点，设机械上限，此高度下降100mm设为编码起升上限。通常机械限位不参与上下极限工作，在编码失灵的情况下终极保护。光电编码控制上限及下限和冲水限位值。

3启闭机信号失灵的解决方法

高度限位其功能十分重要。更换及编码器故障后，闸门已是水下运行方式，人无法再下水观察。为解决这一困难，可用下述方法，此方法是个人经验，仅供参考。

方法一：观察机架定滑轮，闸门及吊头在半空升降运行时，由于钢绳的重力作用，定滑轮会同时转动，定滑轮停止转动的同时，停止下降，这时就正好是闸门体的下限位。不及时停机，钢绳下降过多就有可能反向勾住吊头。提升闸门会使吊头有被钢绳拉坏的后果，使闸门无法从水中提出，产生重大事故，吊头被拉坏在有的地方就发生过。

方法二：观察荷重显示，闸门体及吊头落地时荷重显示刚好为零，此时可停止下降。

方法三：观察电流表数值变化，闸门体下降过程中，电流值比较平稳地停在某一数值上。发现电流表突然有轻微明显变小的时候，可立即停机，闸门就已经落地。启闭机重载和轻载时电流变化不是很大。

三种方法同时结合使用，相互印证可判断出闸门下降零位，也可用于水下液压抓梁零位判断及是否抓住闸门提供参考。

抱匝长期使用会磨损，影响零位直观性，定期检查、紧固。通气孔设计尺寸大小限制了通气量，闸门充水阀开启后闸门误动作提升，通气孔实施排气功能。闸门关闭，水轮机导叶全开，通气孔实施补气。无论排气还是补气不能满足通气量，会对管道设施相关物体造成不同程度损坏。通气孔相应增大，其优势明显。

4启闭机实行自动化控制的工况

4.2动力制动环节

自动单元是中间电路主环节，电机制动时能量经逆变器回馈到直流侧，使直流侧滤波电容电压升高。回馈能量较大或要求强制动，选用接于H、G两点的外接制动电阻REB。制动电阻一般置于柜外，订货时须向厂家特别注明，是作为选购件提供给用户的。

4.3变频器的通信控制

4.3.1采用串行接口有以下优点：无须重新布线，即可更改控制功能；可以通过设置串行接口修改变频器参数；连续对变频器进行监测和控制。

4.3.2恒转矩（CT）。

恒转矩过载能力：0.12～75kW，1.5倍额定电流（即150%过载），持续时间60s，间隔周期时间为300s；2倍额定输出电流（即200%过载），持续时间3s，间隔周期时间为300s。

变频器效率：96%～97%，供电因数0.98。

保护特征：欠电压、过电压、过负载、接地、短路、电机锁定保护、电机过温、参数联锁。

4.4PLC主要性能指标

4.4.1存储容量：中小型PLC存储容量一般在16kB以下，超大型PLC的存储容量最多可达到256kB～2MB。

4.4.2功能模块：指可完成模拟量控制、位置和速度控制以及通信联网等功能的模块。功能模块种类多少和功能强弱是衡量PLC产品水平高低的一个重要指标。

4.4.3PLC内存使用两种类型的存储器：ROM和RAM。ROM中的内容一般由制造厂家写入，用于存放系统程序，如检查程序、键盘输入处理程序、翻译程序、信息传递程序和监控程序等。ROM为系统存

储器。

4.4.4RAM中的内容有用户程序（用户程序也可固化在EPROM、E2ROM中）、逻辑变量、工作单元等。RAM需要锂电池之类作后备电池支持。RAM为用户存储器，中小型PLC的RAM在8kB以下，大型PLC的RAM已达256kB及以上。

4.4.5PLC与工业生产过程的联系是靠I/O模块实现的。模拟量I/O模块，其任务是把工业过程中的模拟量信号转换成数字量后输入PLC，或把PLC的数字输出转换成电流信号去控制执行机构；位置控制模块；温度传感器模块，其可直接与热电偶或铂电阻连接，在模块内部进行信号放大及A/D转换，最后以BCD数码形式输出送给PLC；高速技术模块，其是一种硬件计数器模块。

4.5集中控制系统

这种系统用一台PLC控制多台地理位置比较接近且相互之间的动作有一定联系的被控设备，采用这种系统，须注意I/O点数和存储器容量选择余量大些，以方便增加控制对象。

4.6远程I/O控制系统

远程I/O控制系统就是I/O模块不与控制器放在一起，而是远距离地放置在被控设备附近。远程I/O模块与控制器之间通过电缆或光缆连接传递信息。不同厂家的不同PLC所能驱动的电缆或光缆长度不同，应用时必须按系统需要选择。

4.7PLC机型的选择

4.7.1对输入输出点的选择。了解控制系统的I/O总点数，按实际所需点数的15%～20%留出备用量后确定PLC的点数。PLC输出点数选择要考虑输出点的电压种类和等级。

4.7.2根据输出负载特点选择输出形式。对于动作不频繁交直流负载，可选择继电器输出型。

4.7.3对存储容量的选择。在有模拟量输入/输出系统中按每输入（输出）一路模拟量约需要80～100字来估算，有通信处理时按每个接口需200字以上估算，最后再留一定的裕量。

4.7.4对控制功能的选择。通常，大中型PLC各类功能模块品种和规格较多，可实现各种复杂的功能控制。

4.7.5对I/O响应时间的选择。具体应视实际系统的要求而定。

4.8变频器功率选择

4.8.1恒定负载运行。低频低压起动，变频器仅完成变频调速，要求变频器额定电流稍大于电动机的额定电流：IFN=（1.1～1.3）IMN，其中IFN为变频器额定电流，IMN为电动机额定电流。