CN102767165A

CN102767165A - 一种应用于水电站的闸门系统

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Publication number: CN102767165A
Application number: CN2012102860164A
Authority: CN
Inventors: 夏飞; 顾轩
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-08-13
Filing date: 2012-08-13
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2032-08-13
Also published as: CN102767165B

Abstract

本发明公开了一种应用于水电站的闸门系统，包括圆弧形的闸门、传动装置及控制电路，闸门上设有行程开关以及用于传动闸门的齿条，传动装置包括传动齿轮和变频电机，传动齿轮与变频电机联动，传动齿轮与闸门上的齿条相配合，传动齿轮的转轴上设有抱闸装置，抱闸装置串接在变频电机所在的回路中，控制电路包括应急电源S、PLC控制开关K1、事故开启按钮K2，应急电源S、PLC控制开关K1、事故开启按钮K2、抱闸装置依次串联组成闭合回路。本发明采用上述结构，能使闸门在应急情况下能够利用自身重力顺利开启，避免带来严重的后果。

Description

一种应用于水电站的闸门系统

技术领域

本发明涉及水利水电工程领域，具体是一种应用于水电站的闸门系统。

背景技术

随着中国经济社会的发展，中国日渐成为世界首屈一指的能源消耗大国，而电能作为一种清洁能源在能源消耗格局中占据的比例越来越大。水力发电作为一种最为清洁的电能产出方式亦取得长足的进步。截止2004年底，全国已开发水电装机容量为10517万千瓦，年发电量3280亿度，占全国电力总装机的23.8%。尤其是近几年一大批巨型水利水电工程的开工，更加凸显出国家对于水电开发的重视。而水工机械作为水利水电工程不可或缺的组成部分，也不断更新换代，取得了许许多多的技术突破。

闸门作为水工机械中最为重要的一个系统，更是随着水利水电技术的发展而不断发展。当前水工闸门已出现多元化的趋势，共有大约40余种闸门，其中应用最多的约10余种。而在水利水电工程中尤以平面钢闸门以及弧形钢闸门应用最为广泛。

虽然传统的平面钢闸门在水工建筑物中的运用依旧十分广泛，但是弧门由于其优异的力学性能已越来越多的取代传统平面钢闸门，占据了大型水利水电工程的主要市场。而弧门根据其启闭方式不同又可分为液压启闭机和卷扬启闭机，前者以液压作为弧门启闭的动力来源，而后者采用卷扬机作为动力来源。而液压启闭机由于其具有结构简单、布置紧凑、承载能力大、调速和换向方便、运行平稳、容易实现自动化控制等优点，在当今水利水电工程建设中得到了广泛推广，近几年投运的瀑布沟水电站、亭子口水电站、沙湾水电站等均是采用这种方式。

“液压启闭机”的技术水品代表了当前大型水利水电工程的整体情况，其主要存在以下问题：

（1）由于闸门开启必须克服闸门自重，所以闸门开启完全依赖于外加动力，当外加动力消失时，闸门将无法开启，严重威胁大坝安全。为此，一般的电站专门配置了一段专用母线（坝区400VⅦ段母线）来保证坝区用电的安全，并采用柴油发电机作为应急电源。这种动力配置在一定程度上保障了坝区动力的供给，很大程度应急情况（发生事故）下闸门开启的动力来源。但是，在很多事故条件下，厂用电可能得不到保障（例如，遇到泥石流、地震、火灾等事故时，可能造成全厂失电，厂用电将无法恢复），闸门将失去动力来源而无法开启，将会造成严重的翻坝事故。

（2）传统液压启闭机能效较低，闸门非恒定受力，影响闸门的健康。液压启闭机以铰座上支点为圆心做圆周运动，而圆周运动中仅有切向力矩做有用功，而液压启闭机的液压杆一直存在法向分力矩，而这一部分力矩不仅不会做功，而且会对铰座支点施加一个拉力，长此以往会造成铰座支点的疲劳损坏。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够在应急情况下利用自身重力开启的闸门结构及控制电路系统。

本发明为解决技术问题主要通过以下技术方案实现：一种应用于水电站的闸门系统，包括圆弧形的闸门、传动装置及控制电路，闸门通过拉杆活动固定在水坝两侧的支座上，所述闸门上设有行程开关以及用于传动闸门的齿条，所述传动装置包括传动齿轮和变频电机，传动齿轮与变频电机联动，传动齿轮与闸门上的齿条相配合，所述传动齿轮的转轴上设有抱闸装置，抱闸装置串接在变频电机所在的回路中，所述控制电路包括应急电源S、PLC控制开关K1、事故开启按钮K2，应急电源S、PLC控制开关K1、事故开启按钮K2、抱闸装置依次串联组成闭合回路，所述闸门上还设有拉线，拉线的一端固定在闸门上，另一端固定在水坝上。

所述闸门上设有两条齿条，闸门的两侧各设有一个传动装置，变频电机通过PLC实现控制。

所述拉线为应急钢绳，应急钢绳的一端固定在闸门上端的中点处。

所述闸门的截面形状为1/4圆周。

所述应急电源S为UPS不间断电源。

本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果：

（1）由于传统闸门均是通过外加动力克服闸门自重提升，所以外加动力是闸门能够提升的根本保证。然而，在许多极端情况下，一旦这种外加动力无法保证，将会出现严重的溃坝事故，极大的威胁着水利水电设施以及下游人民的生命财产安全。本发明从根本上解决了这一问题，在应急状况下，闸门的动力完全来自于闸门的自重，可以应对极端情况下外加动力消失的问题，并且闸门在应急开启后不会对水利水电设施造成任何破坏，可以实现闸门的可持续利用。

（2）传统液压启闭机外加动力始终与闸门的运动方向存在一个小于90度的夹角，并且这个夹角不断变化，这个变化的夹角降低了闸门的提升效率。同时，这个变化的夹角便使闸门产生了法向的变化的无用功分力，这个法向的无用功分力不仅不会做功，而且其直接作用于圆心的支铰点上，易造成闸门支铰点的疲劳损坏，从一定程度上缩短了闸门的寿命。而本发明采用传动齿轮加圆弧形齿条传动的方式，使闸门始终保持切向受力不做无用功，提高了闸门的提升效率。

（3）由于采用了齿轮传动的方式，支架受力相对减小，进而可以减少支架钢铁用料，减少成本；而支架钢铁用料的减少从一定程度上减小闸门的自重，从而可以选择容量更小的电机，这也将从一定程度上减少了闸门初期投资。

（4）现有液压启闭机往往由于传动精度偏差较大，导致闸门两侧开启不一致，甚至导致闸门不能正常开启，与传统液压动力相比，本发明的齿轮传动具有传动精度高、传动效率高、结构紧凑、传动功率大等优点，这些优点也正是闸门传动所需要的。

附图说明

图1为实施例1的闸门的纵截面图；

图2为实施例1的闸门的俯视图；

图3为实施例1的控制电路结构示意图；

图4为实施例3的闸门处于关闭状态的结构示意图；

图5为实施例3的闸门处于应急开启时的结构示意图；

图6为实施例3的闸门处于正常开启时的结构示意图；

图7为实施例2的闸门的工作流程图。

附图标记对应的名称为：1、闸门，2、拉杆，3、支座，4、传动齿轮，5、变频电机，6、转轴，7、抱闸装置。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1：

如图1、图2及图3所示，本实施例包括圆弧形的闸门1、传动装置及控制电路，闸门1通过拉杆2活动固定在水坝两侧的支座3上，以支座3为中心，闸门1可在竖直平面内做圆周运动；传动装置包括传动齿轮4和变频电机5，传动齿轮4与变频电机5联动，而传动齿轮4与闸门1的齿条配合，实现闸门1在正常工作状态下的开启与闭合。

本实施例的传动齿轮4的转轴6上设有抱闸装置7，抱闸装置7串接在变频电机5所在的回路中，抱闸装置7的工作原理与电梯抱闸类似，当变频电机5带电时，抱闸装置7带电开启，闸门1随传动齿轮4运动，而当变频电机5不带电时，抱闸装置7抱紧传动齿轮4的转轴6，使闸门1定位；为了更好地实现闸门1定位，在抱闸装置7上设置行程开关，当闸门1闭合到位后，行程开关使变频电机断电，进而使抱闸装置7将闸门1固定死，行程开关主要是在闸门全开和全关时提供全开全关信号，避免PLC故障或者其他原因造成的闸门过度开启或者过度关闭。

本实施例的控制电路包括应急电源S、PLC控制开关K1、事故开启按钮K2，应急电源S、PLC控制开关K1、事故开启按钮K2、抱闸装置7依次串联组成闭合回路。抱闸装置7既通过开关K3串接在变频电机5所在的回路中，又与应急电源S、PLC控制开关K1、事故开启按钮K2组成闭合回路。闸门处于正常开启和关闭过程中，K3、K1一直处于闭合状态，而K2断开，应急电源S接通在回路中，变频电机5带电时，抱闸装置7带电开启，同时应急电源S一直处于充电状态，而当闸门1完全开启或闭合时，变频电机5断电时，抱闸装置7抱紧传动齿轮4的转轴6，使闸门1被固定死；当水电站处于应急状态下时，PLC控制K1、K3断开，按下K2，接通应急电路，使抱闸装置7带电启动并松开齿轮，闸门1在自身重力的作用下，下沉至完全打开，实现整个闸门1在无需外部动力的情况下自行打开，避免造成事故的发生。

为了更好地实现本发明，需要在闸门1后方开设一个事故门槽，由于现有的水工建筑物在闸门后方已经开挖了比事故门槽更深的消力池，事故门槽只是对现有消力池前端做了轻微的形状改变，便于闸门1下沉，这种改变并不会增加消力池的开挖量，也不会影响消力池的实际效果。

本实施例的闸门1上设有拉线8，拉线8的一端固定在闸门1上，另一端固定在水坝上，当险情排除后，通过拉线8将闸门1拉回至正常工作时的位置。作为优选，本实施例采用应急钢绳作为拉线8，应急钢绳的一端固定在闸门1上端的中点处，应急钢绳用于实现闸门1在险情排除后的复位。

本实施例的工作原理为：水电站正常工作的时候，闸门1由传动齿轮4带动，实现水坝的开闭；当出现应急状况的时候，应急电源S对抱闸装置7供电，使抱闸装置7开启，退出对闸门1的锁定，此时闸门1在自身重力的作用下，下沉至闸门1完全打开，待险情排除后，通过应急钢绳将闸门1拉回至正常工作时的位置。

实施例2：

本实施例与实施例1相比，增加了对变频电机的控制，为了使闸门1在运动的时候更平稳，闸门1上设有两条齿条，闸门1的两侧各设有一个传动装置，闸门1通过两侧传动装置的带动实现开启与闭合，由于两侧的变频电机5的转速不可能100%保持一致，因此需要通过PLC计算闸门1两边的偏差，然后再发令至两台变频电机5，控制变频电机5的转速，以此消除闸门1两侧的偏差。

为了更好地实现本发明，在闸门1的左右两侧各装设一个角位移传感器，再通过编码器将闸门1左右两侧的角位移信息转化为开度信息，再将闸门1左右侧的开度信息传至闸门PLC，闸门PLC通过PID控制器来调节控制闸门1左右侧的变频电机5，从而实现对闸门1的开度控制。目前，PID控制及其控制器或智能PID控制器（仪表）已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的PID控制器产品，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器 (intelligent regulator），其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现。有利用PID控制实现的压力、温度、流量、液位等控制器，能实现PID控制功能的可编程控制器(PLC），还有可实现PID控制的PC系统等等，可编程控制器（PLC) 是利用其闭环控制模块来实现PID控制。闸门1的工作流程如图7所示。

实施例3：

本实施例与实施例1基本相同，不同的地方是，将闸门1的截面形状设计为1/4圆周，闸门1处于完全闭合的状态如图4所示，闸门1在正常情况下的开启是，闸门1由图4的位置沿顺时针方向运动至图6所示的位置；而闸门1在应急情况下的开启则是，由图4所示的位置沿逆时针方向运动到图5所示的位置，该应急开启过程中的动力来自闸门1自身的重力。传统的闸门1在应急情况下也只能通过外部动力打开，而动力缺失时，闸门1不能及时开启，将会带来严重的后果，但本实施例的闸门1应急开启时无需外部动力，解决了该问题。

实施例4：

本实施例与实施例1基本相同，不同的地方是，应急电源S选用UPS不间断电源，UPS是一种含有储能装置、以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源，正常情况下，抱闸装置7与变频电机5同时带电或同时断电，UPS处于充电状态，而在应急情况下，由于外部电源中断，此时UPS作为应急电源立即对控制回路供电，抱闸装置7带电开启，闸门1摆脱抱闸装置7的束缚，在自身重力的作用下，下沉至完全打开。

Claims

1.一种应用于水电站的闸门系统，其特征在于：包括圆弧形的闸门（1）、传动装置及控制电路，闸门（1）通过拉杆（2）活动固定在水坝两侧的支座（3）上，所述闸门（1）上设有行程开关以及用于传动闸门（1）的齿条，所述传动装置包括传动齿轮（4）和变频电机（5），传动齿轮（4）与变频电机（5）联动，传动齿轮（4）与闸门（1）上的齿条相配合，所述传动齿轮（4）的转轴（6）上设有抱闸装置（7），抱闸装置（7）串接在变频电机（5）所在的回路中，所述控制电路包括应急电源S、PLC控制开关K1、事故开启按钮K2，应急电源S、PLC控制开关K1、事故开启按钮K2、抱闸装置（7）依次串联组成闭合回路，所述闸门（1）上还设有拉线（8），拉线的一端固定在闸门（1）上，另一端固定在水坝上。

2.根据权利要求1所述的一种应用于水电站的闸门系统，其特征在于：所述闸门（1）上设有两条齿条，闸门（1）的两侧各设有一个传动装置，变频电机（5）通过PLC实现控制。

3.根据权利要求1所述的一种应用于水电站的闸门系统，其特征在于：所述拉线（8）为应急钢绳，应急钢绳的一端固定在闸门（1）上端的中点处。

4.根据权利要求1所述的一种应用于水电站的闸门系统，其特征在于：所述闸门（1）的截面形状为1/4圆周。

5.根据权利要求1所述的一种应用于水电站的闸门系统，其特征在于：所述应急电源S为UPS不间断电源。