冗余設計理念在水電站起重機中的應用

張 磊，龔 平，樓曉陽，黎東輝，張 鈺

（水利部產品質量標準研究所，浙江杭州 310012）

1 立項背景

水電站起重機的用途很多，通常擔負著水輪發電機組的轉子、定子、轉輪等關鍵設備安裝、運行維護和檢修吊裝任務，檢修閘門、泄洪閘門、工作閘門等各種閘門的啟閉，水體清污及一些其他重要機電設備的安裝檢修等任務。一旦水電站起重機發生故障，極有可能會造成重大安全事故。如2016年6月10日，貴州省黔東南州黎平縣雙江水電站閘門工作電源及備用電源因災中斷，導致起重機因失電而無法操作，造成洪水漫壩事故，導致電站廠房及進廠公路被淹，水輪發電機組和監控系統進水，沿河兩岸的雙江鎮雙江村低洼處進水并不同程度受災；2003年3月9日10時38分，左江美亞水電廠廠房橋式起重機在吊裝時，工作制動器突然失效，起重機吊裝空中停車時無法制動，造成重物墜落事故，造成1人死亡、1人重傷、1人輕傷，直接經濟損失217.7萬余元，間接經濟損失1 600萬元。

2 冗余設計在水電站起重機中的應用

2.1 起升機構冗余設計

起升和下降是起重機最基本的功能，起升機構也是起重機最重要的部件，特別是水電站起重機，一旦起升機構失效，將會造成不可估量的事故。為保證水電站起重機的安全，相關水利標準和招標文件通常對起升機構零部件的安全系數和使用系數要求很高，使所選零部件有足夠的安全富余量，實現保守設計。提高安全系數固然可增加水電站起重機安全性，但水電站起重機的工作級別和機構的使用等級非常低，平時維保人員維保不到位，設備長時間不使用，還是會出現各種故障。只有提升起升機構整體可靠性，采用系統冗余設計，才能保證起升系統的穩定與安全。系統冗余設計是指重復配置某些關鍵部件，當系統任何一個位置發生故障時，系統冗余設備或部件就可介入工作，承擔已損失設備或部件的部分功能，為系統提供服務，保證設備系統運行的連續性，以避免發生事故。下面簡單介紹兩項起升機構系統冗余設計方案。

（1）驅動裝置安全冗余。為保證驅動系統的整體可靠性，驅動系統采用雙倍配置，當一套驅動系統發生故障，另一套完全相同的驅動系統即可投入工作，以保證設備完成起吊工作。設計分為兩個部分：①減速箱采用雙高速軸輸入形式，驅動采用兩套電機，減速箱高速軸端安裝兩個相同功率的電機。起升電機功率按照單電機作業起升載荷所需的功率進行計算。正常作業時兩個電機同時工作，如果一個電機發生故障，另一個完全相同功率的電機同樣滿足起吊載荷的要求。②每組驅動配兩個高速制動器，如果一個制動器發生故障，另外一個制動器同樣能夠起到安全制動作用。

（2）鋼絲繩纏繞安全冗余。水電站起重機基于其用途特殊性，一般采用的都是雙聯繞繩。目前行業內還是常用1個吊點1根鋼絲繩的繞繩方式。一旦鋼絲繩斷裂或鋼絲繩固定端脫落，將會造成吊裝事故。為增加起升機構繞繩系統的可靠性，鋼絲繩纏繞需進行安全冗余設計。取消常見平衡滑輪，采用平衡梁設計，由1個吊點1根繩繞繩方式變為1個吊點兩根繩繞繩方式。這樣，就算其中1根繩子出現問題，也不會發生吊物墜落的情況。設計方案如圖1所示。

圖1 安全冗余滑輪組

2.2 電氣系統冗余設計

為保證水電站起重機的安全性與可靠性，電氣設計要考慮到冗余，電氣冗余需從3個方面考慮，即電源冗余、可編程序控制器（PLC）冗余、控制方式的冗余。

（1）電源冗余。當需提起閘門或放下閘門時，突然停電會造成設備無法操作，從而釀成重大事故，因此電氣設計時需考慮雙回路電源。當正常電源突然斷電時，設備會自動切換到備用電源，一些電站雖然設置了備用電源，但備用電源和主電源為同一路電源，起不到備用的目的，為此，在福建莆田藍色海灣項目中采用柴油發電機為備用電源。

現在很多工程都引入了中央集控室，在中央集控室可控制和監視每一臺啟閉機的運行，當啟閉機輸入電源出現故障斷開時，需中央集控室及時感知并報警，需啟閉機的控制和通訊部分不能斷電，以便保持啟閉機與中央控制室通訊的暢通，作為啟閉機控制電源的冗余，啟閉機的PLC 需UPS 不間斷電源來支撐。

（2）可編程序控制器（PLC）冗余?？删幊绦蚩刂破鳎≒LC）作為電子元器件的產品，存在著死機的風險，當水電站遇到情況需操作啟閉機時，如果遇到PLC 死機的情況，會造成重大安全事故和電站運行事故。為避免這種事故風險，電氣設計上采用PLC 冗余設計，用兩臺PLC 組成一個通訊環網，在環網內，一臺PLC 出現死機，另一臺PLC 自動接管，完成啟閉機的控制和上位機的通訊。

（3）控制方式的冗余。常規繼電器控制電路作為PLC 冗余的替代方案，具有價格低廉、控制可靠的優點。在PLC 控制電路的同時，備用1套常規繼電器控制電路，當PLC 發生死機時，切換到常規繼電器控制電路，使啟閉機仍然能正常運行，避免發生危險和事故。

常規繼電器控制電路的優點是可靠性大于PLC控制電路，缺點是更改線路、更改控制方案較困難、不能與中央控制室進行通訊。

2.3 冗余應急系統設計

水電站起重機經常會吊運一些檢修閘門、泄洪閘門、工作閘門等。通常起吊物件較重，起吊高度較高。一旦吊裝時失效，將會非常危險。因此進行冗余應急系統設計是必要的。水利部產品質量標準研究所已在多個水電站項目中設計并運用了冗余應急系統。如“波波里水電站2×1 250 kN 固定卷揚式啟閉機項目液壓應急阻尼系統”“尼泊爾塔納湖水電站項目門機項目和尼泊爾三金固定卷揚式啟閉機應急手搖裝置”“水利工程閘門啟閉機應急裝置”等。

（1）液壓應急阻尼系統。水利部產品質量標準研究所在波波里水電站尾水事故閘門2×1 250 kN 固定卷揚式啟閉機項目中，采用的液壓應急阻尼系統完美解決了吊裝時吊物墜落問題，該套裝置如圖2所示。

圖2 冗余應急系統

整套液壓阻尼系統由液壓站系統、電控柜、液壓馬達、聯軸器、輸油管及支架等部件組成，阻尼制動終端與起升機構的減速機高速軸相連。正常起降狀態下，該套系統不參與工作。一旦起升機構制動失效，起吊閘門高速下降，減速器高速軸的高轉速將會觸發液壓應急阻尼系統工作。隨著下落速度越來越快，產生的液壓阻尼力將會越來越大，最終起吊閘門會在阻尼力的作用下以一個較為安全的速度，勻速降至門槽地坎。

（2）應急手搖裝置。當突然停電或驅動電機損壞，又急需提起閘門時，設備有1套應急手搖裝置是必要的。水利部產品質量標準研究所在尼泊爾塔納湖水電站項目多套起重設備中應用了應急手搖裝置。該套裝置主要由爪型離合器、限位傳感器、手搖減速器、棘輪防回轉裝置、摩擦型驅動搖把等零部件組成，如圖3所示。其工作原理為：一般情況下，該套機構不參與工作，爪型離合器與減速器高速軸分離，限位傳感器處于常閉狀態。當驅動電機無法工作時，該套機構投入工作。首先，就位爪型離合器、限位傳感器打開，電機失電。然后，操作人員便可通過摩擦型驅動搖把驅動減速器提起閘門。這里通過棘輪防回轉裝置配合摩擦型驅動搖把工作，實現機構單向驅動功能，以防止在操作人員操作過程中突然失力，閘門墜落帶動搖把反向高速回轉而打傷操作人員。該套裝置在實現功用的同時，完成了本質安全設計，是一套成熟可靠的冗余應急裝置。

圖3 應急手搖裝置

（3）水利工程閘門啟閉機應急裝置。閘門啟閉機應急裝置是采用最近端、獨立可互換、“電源+動力”備用設計，在超標準洪水、事故斷電等應急情況下，確保閘門安全啟閉，消除事故隱患，同時實現閘門開度精準測量、手機智能化管控。該裝置利用蓄電池低壓拖動技術、物聯信息技術、SAAS 平臺技術，實現動力與電源一體化備用，遠程信息電源、電動機、操控系統等出現故障的應急狀況下，通過投入這套裝置，可迅速帶動啟閉機，完成閘門的開啟和關閉，從而大幅提高水庫、水電站、水利樞紐、航運河道、引水工程、泵站等水利設施防洪防災的安全可靠性。其特點在于同高程安裝，獨立保障電源與動力，機械、電氣互鎖設計，機械離合切換，較為安全；剎車聯動，操作與正常啟閉閘門一致，斷電后在啟閉機旁離合投入，無需倒閘切換即可啟閉閘門，操作便捷，反應迅速；同步實現信息化，在線監控閘門與裝置狀態，檢測蓄電池充放電過程，判斷蓄電池健康狀況，運維智能。水利工程閘門啟閉機應急裝置已在浙江欽寸水庫、泰順雙澗溪水庫、寧?？h下洋涂小殼嶼閘站等多處水利樞紐工程中得到運用。

冗余應急系統的使用響應標準SL/T 381—2021《水利水電工程啟閉機制造安裝及驗收規范》第5.5條“啟閉機的無電應急操作裝置應滿足與本機快速連接的要求，安全可靠，操作維護方便?！眱热菀蠛蚇B/T 10341—2019《水電工程啟閉機設計規范》中“泄洪工作閘門啟閉機應設置應急電源，同時宜增設無電應急啟閉操作裝置。導流洞封堵閘門啟閉機宜增設無電應急閉門操作裝置?！薄安僮餍购橄到y工作閘門的移動式啟閉機，在其起升、運行機構中宜設有無電應急操作裝置”等內容要求。

3 結束語

水電站起重機在水利樞紐工程中起著至關重要的用途。其安全性與可靠性通常直接決定著水利樞紐工程安全。為防止由于水電站起重機失效而造成重大安全事故甚至是災難，水電站起重機冗余設計是必要的。文章結合國內外具體項目案例，系統全面地介紹了冗余設計理念在水電站起重機中的應用。相信隨著科技的進步，水電站起重機的設計會越來越完善，冗余設計會更加全面地應用到水電站起重機設備上，使水電站起重機更加安全、可靠。