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三峡船闸自动化运行控制技术


三峡船闸自动化运行控制技术
段波朱海清吴斌
(长江水利委员会长江勘测规划设计研究院,武汉430010)

【摘要】本文简要介绍了三峡船闸整体运行特点和运行控制技术的关键难题,提出了船闸运行控制技术难题的 解决方案,着重对船闸运行级数、补水运行判定数学模型和抑制闸室超灌超泄的技术措施进行论证,并归纳了 实现这些技术措施的船闸整体运行软件的技术特点。 【关键词】船闸控制运行自动化


1概述 三峡船闸为双线连续五级船闸,每线各由6个闸首和5个闸室组成,船闸总设计水头113m,级间 工作水头达45.2m,可通过万吨级船队。三峡船闸上下游水位变幅大、连续运行级数多、运行方式多 变,其工程规模、设备数量和运行控制的复杂程度都远远超过了目前世界上已投入运行的同类型船 闸。 2三峡船闸运行控制技术关键难题 2.1船闸整体运行特点 (1)由于存在当上游级闸室的水量部分输入下一级闸室后,上游级闸室可能不满足船舶最小运行水深 (5m)的要求,需要直接由水库向下一级闸室补充一定的水量。因此,需进行补水或不补水的控制。而 且,受各闸室最高和最低通航水位的限制,当上下游水位在不同的水位段时,还需作减级运用,如作四级 或三级运行。 (2)船闸运行工况多变,运行条件复杂。在船舶过闸过程中,各闸室的水位配合是十分严格的,要求 各相邻闸首的闸/阀门间有严格的位置状态闭锁关系。当要作补水运行时,则又需要同时开启相邻的两个 闸首的输水阀门,打破位置状态的闭锁关系。 (3)当船闸五级运行时,可有三批船队同时驶过三个闸室,相当于有二至三个单级船闸在同时运行, 即控制对象多且分散。 (4)高水头船闸存在严重的超灌、超泄现象,需采取适当措施加以抑制,避免由此造成损害。 (5)三峡船闸自动化运行控制系统必须能适应三峡工程“一次建成、分期蓄水”的建设要求,在围堰 挡水和大坝挡水的各种水头下均能保证航道畅通,确保高水头、大水位变幅、多工况、高频度和高效率安 全运行。 (6)三峡船闸具有单/双向运行、3级/4级/5级运行、补水/不补水运行、单边/双边阀门输水运行、 换向运行、船舶连续同步过闸运行、逐级过闸运行等多种运行方式,且存在上述运行方式间的转换。三峡 船闸运行方式多样、运行程序多变,其复杂程度是前所未有的。 2.2船闸自动化运行的关键难题 三峡船闸自动化运行控制技术需要解决的关键难题是监控五级船闸适应水库分期运行而带来的大幅度 水位变化、大超灌超泄量、变级数运行、闸室补水运行等一系列直接影响连续五级船闸运行可行性的重大 技术问题。 (1)研究运行级数和补水运行方式的判定,推导补水量计算公式是保障船闸通航安全的关键。 (2)如何有效地抑制闸室超灌超泄量,限制人字闸门的反向水头,是多级连续船闸自动化运行控制技
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术中的一项关键难题。 (3)三峡船闸过闸工艺复杂、运行工况繁多,闭锁条件繁杂,船闸运行工况的转变存在打破原有的闭 锁条件,发生“开通闸”事故的危险。如何简化操作、减免失误、提高多级船闸运行效率,是保障多级船

闸运行安全的又一个难题。
(4)三峡单线船闸运行涉及到了6个闸首、12扇人字闸门、14扇输水阀门以及大量辅助设备协同运 行,控制对象和检测元件众多,提高系统可靠性和控制传输速率,优化系统配置,减少工程投资是设计中 需要研究考虑的重要问题。 3船闸运行控制技术难题的解决方案 3.1建立船闸运行级数、补水运行判定数学模型 通过研究三峡船闸运用级数与上下游水位的关系,以及补水运行的相关条件,推导出运行级数、补水 运行方式的判定和补水量的计算公式,编制运行程序,使控制系统能随时根据现场水位信息,自动生成船 闸运用级数指令和提示,并进行补水与否的判断和补水量的控制。各闸室水位如图1所示。

图1三峡五级船闸上下游及各闸室水位示意图

3.1.1船闸运行级数判定数学模型 (1)基本判断公式。 根据船闸已经确定了的水级划分方案,分析、推导的运行级数的基本判断公式如下:

矸I。。=[,n形k一一(m+n一6)w乞]/(6一/7,) 式中矾一——允许进行m级运行的上游最高水位; 职一——第it/,闸室允许的最高通航水位(已知值); 职——当前的下游水位实测值; m——船闸运行级数; n——五级闸室自上至下的顺序数。
(2)根据实测的上游水位值初步确定运行级数。 当Iv,=135.OOm时,船闸按三级或四级运行;

当职≤152.40m时,船闸按四级或五级运行;

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当矾>152.40m时,船闸按五级运行。 (3)按允许的上游最高通航水位值wk一。和输水阀门允许的最高工作水头判断运行级数。

当职≤Wd一5、矾≤W,3—4并且(矾一取)/3,<22.60m时,船闸按三级运行,否则按四级运行;

当矾≤n一”矾≤%一4并且(职一职)/4。<22.60m时,船闸按四级运行,否则按五级运行;
当矾≤W,5—5、矾≤风一4并且(形。一耽)/5。<22.60m时,船闸按五级运行,否则不能运行。
3.1.2船闸运行自动判断补水与否的数学模型在经上述判断确定了运行级数后,还必需根据各闸室水 位的实时值,进行补水与否的判断和补水量的计算,以保持闸室在输水后有足够的安全通航水深。 判断是否需要进行补水,可只对最接近上游的两级闸室进行,通用公式如下

职1+2)≥2Wlo
式中

(2)

形(1+2)——第①、②两闸室的当前水位高程之和; 形lo——第①闸室的最低通航水位(高程值、水深5m、已知数)。
当式(2)成立时,不需补水,否则就需要补水,其补水量计算公式如下
wb


2形lo—W(1+2)

(3) (4)



_吒=2Wlo+4I‰一形(1+2)一2W(3+4)
(1)船闸为三级运行时,不补水。 (2)船闸为四级运行时,则

当职2+3)I>2耽min+2△眠时,不补水运行; 当职2+3)<2耽nliII+2△耽时,向第③闸室补水运行。

第③闸室补水量△%为

△Wr④=2‰+2△Iv4一IV(2+3)=414一(W(2+3)+2W4)
(3)船闸为五级运行时,则 当形(1+2)≥2形lⅢin+2AWC3+4)时,不补水运行;


当职l+2)<2W1nlill+2△职3+4)时,向第②闸室补水运行。

第②闸室补水量△%为
△_矿②=2Wlmi.+2AIV(3+4)一W(1+2)=704一(W(1+2)+2W(3+4)) 3.2抑制闸室超灌超泄的技术措施 三峡船闸上下游水位变幅大,且中间闸室水位在输水过程中均存在相对变化,在输水水流惯性等的作 用下,会产生超灌超泄现象,严重时将会超过lm,形成相当大的反向水头。 为了抑制输水末期闸室的超灌超泄,改善闸室内船舶停泊条件和避免人字闸门承受大的反向水头影 响,通过计算分析和模拟试验,研究采用了定差值控制技术和“动水关阀”的措施,将船闸的超灌超泄量 限制到小于0.1m的水平。实践证明,有效地控制输水阀门的关闭时机,提前“动水关阀”,克服了三峡 船闸上游水位变幅40m、下游水位变幅11.8m、闸室级间输水水头45.2m,且中间闸室水位均相对变化的 复杂条件下的大超灌超泄问题。 3.3分项运行程序和整体运行控制技术

对于三峡船闸十分繁杂的运行工艺要求,以人工方式调变将带来极大的麻烦,而且也容易发生误操
作,严重时会酿成重大事故。针对三峡船闸的运行特点,分别编制三级运行、四级不补水运行、四级补水 运行、五级不补水运行、五级补水运行等多个独立的运行控制程序,以及这些程序中的单边输水与双边输
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水运行程序等。通过满足一定限制条件的调用,使复杂多变的运行方式变得十分简单,从而达到简化操 作、减免失误的目的,大大地提高了五级船闸的运行安全可靠性。 3.4高可靠度的冗余容错集散分工运行控制技术

经过“七五”、“八五”、“九五”科研攻关和各个设计阶段的研究,根据对监控系统方案及其可靠度深
入研究取得的成果,三峡船闸自动化运行控制系统结构按“硬件冗余、软件容错”、“集中管理、分散控 制”、“控制与管理功能分工”等原则确定为二层分布式集散结构,即控制系统由现地控制层和集中监控层 组成,并可与上级调度系统联结形成三层系统。 集中监控层则采取集中控制单元和集中操作员站冗余的方式,主要承担五级船闸整体运行的协调控

制、监视管理和信息采集,并依据船闸各设备状态按选定的运行程序顺序向下层现地控制站发布动作命 令,以及运行信息显示等。 现地控制层采用同一闸首两个站PLC长距离互为热备冗余的方式,主要承担对人字闸门、输水阀门
的启闭控制,通航指挥信号灯的转换,以及现地设备工作状态信息的采集与上送。 同一闸首两侧现地控制站PLC互为远距离热备的配置方式是本系统的一个显著特点。各闸首左右两 个现地控制站的PLC同步采集和处理该闸首两个控制站的信息,使闸首的一侧控制站可同时监控同闸首

的两侧现地设备运转,但只有主控PLC能控制该闸首两侧设备的运行。当主控PIE故障时,备用PILE同
样可以无扰动地切换为主控PLC,保证船闸运行的连续性。采用同级闸首左右两套PLC互为热备技术,优

化了冗余配置方案,提高了数据传输效率和运行可靠性。
3.5安全运行保障措施 3.5.1人字闸门平压开启的控制人字闸门在有正向水位差下开启,对高水头连续式船闸的危害性更大。 为了切实避免这一危险,研究了多种保护措施:首先是相邻闸首闸、阀门间的开启互锁;其次采用冗余配 置的水位测量装置,准确、可靠地检测人字闸门的上下游两侧的水位差,再经预告判断和水位齐平判断

后,才能开启人字闸门;设置了合拢开关后,可以利用其“复位信号”来代替“水平信号”(当水位计有
故障时),作为输水末期的后备“开闸命令”,以避免因“超灌超泄”形成的过大的反向水压力,对人字闸 门及其启闭机造成危害。 为实现输水初始水压力推动人字闸门合拢和在输水末期使人字闸门离开密闭位置,“合拢开关” 复位,应使人字闸门及其启闭机在停止状态下,有受正向或反向水压力使其退让的可能。为此,在液 压缸活塞两侧的油路中装设电液控制的旁路阀,在适当的时机使其得电动作,实现正向水压闭门和反

向水压开门。
3.5.2输水过程的紧急关阀在船闸运行中,会出现下列异常情况,需要应急关闭输水阀门,中断输水 过程,即进行“紧急关阀”保护,以保证船舶过闸安全,防止人身和设备受损。

(1)相邻闸首间的闸、阀门相互闭锁关系丧失时。
(2)在输水初期发现人字闸门合拢失败时。 (3)在输水过程中,预测到水量不足时。 (4)在输水后期需防止出现过大的超灌超泄量时。 (5)在补水过程中由于补水阀门卡阻导致补水过量时。 (6)在输水过程中,浮式系船柱卡阻,船舶不能随闸室水位涨落而自由浮动时。

船闸整体运行的安全保障措施和其他安全注意事项还有很多,由于篇幅所限,不在此赘述。
4结语 船闸运行级数、补水运行判定数学模型和抑制闸室超灌超泄、避免“开通闸”的技术措施等多级连续 船闸自动化运行控制技术研究成果成功地解决了控制三峡船闸适应水库分期运行而带来的大幅度水位变 化、变级数运行、闸室补水运行、大超灌超泄量等一系列直接影响船闸技术可行性的重大关键技术难题, 满足了三峡工程“一级开发、一次建成、分期蓄水、连续移民”的开发原则要求,使三峡船闸自动化运行
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技术达到了世界领先水平。

成功应用于三峡船闸的多级连续船闸自动化运行控制技术已经历了长时问的连续运行,得到了实际运
行的考验。

作者简介



波,男,1960年10月生,教授级高级工程师。

朱海清,男,1961年8月生,高级工程师。



纸,男,1968年10月生,高级工程师。

、J’


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