CN111506140A - 一种叠梁门控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种叠梁门控制系统及控制方法，在水电站正常运行时通过控制多层叠梁门和活动叠梁门来稳定淹没水深，当水库水位变幅不超过单层叠梁门高度时，通过控制活动叠梁门的升降使水库水位变幅与活动叠梁门升降同步，以维持淹没深度不变，使得引用水仍为表层一定范围内的水，在水库水位上升时避免了下泄水温降低对生态环境的影响，在水库水位下降时保证了进水口流态稳定，减小了水头损失；当水库水位稳定时，通过尾水水温控制活动叠梁门的升降使下泄水温维持在生态环境所需温度范围内，进一步避免了下泄水温对生态环境的影响。

Description

一种叠梁门控制系统及控制方法

技术领域

本发明属于水利水电工程的分层取水技术领域，尤其涉及一种适应水位变幅的叠梁门控制系统及控制方法。

背景技术

众所周知，水库建成后，库区坝前水温呈稳定分层（变温层、跃温层和滞温层）现象，水温分层将使水库下层水体的水温常年维持在较稳定的低温状态，这就导致春夏季发电下泄水温低于天然情况下的河道水温，产生高坝大库水电工程建设带来的低温水环境危害问题。水库低温水的下泄对河道下游农作物、鱼类以及珍惜濒危水生生物等带来不利影响，甚至会严重影响下游水生生物的产卵、繁殖和生长。使用叠梁门结构进行分层取水，可以有效提升大坝下泄水温，保护下游河道生物种群结构不被破坏。

目前，在进水口前设置多层叠梁门以使机组发电用水尽量从水库表层获取，从而减轻电站下泄水温对环境的影响；但叠梁门只有在水位变动超过单层叠梁门高度时才会放置或提取叠梁门，在水库水位变幅小于单层叠梁门高度时不会调节叠梁门。如图1所示，传统水电站为了避免水库温度分层从底部引用低温水，用叠梁门在垂向叠加形成多层叠梁门3，每层叠梁门高度相同，此时引用的水为多层叠梁门3门顶到水面之间（淹没深度）的表层水，达到增加下泄水温的效果。而在实际运行过程中，当水库水位上升或下降过程中，多层叠梁门3不会跟随水库水位变化而变化，只有当水库水位上升或下降幅度达到单层叠梁门高度时，才能放置或取出一层叠梁门，以维持淹没水深不变，从而保证水库引用水仍是表层一定范围内的水。

显然在水库水位降低的过程中，进水口的流态将变差，水流流速增大，会对拦污栅造成一定冲击破坏，同时水库的水头损失将增大，从而影响水电站的发电效益；在水库水位上升的过程中，机组获取的更多的下层水，对下泄水温产生一定的影响，在水库水位变化频繁或单层叠梁门高度较大时这种影响尤为明显。所以当水库水位变化时，满足下泄水温的要求，最大化提升水电站发电效益将是企业喜闻乐见的。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种叠梁门控制系统及控制方法，以解决下泄水温对生态环境的影响，以及水头损失增大的问题。

本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种叠梁门控制系统，包括多层叠梁门槽以及设于所述多层叠梁门槽内的多层叠梁门，其特征是，还包括：

活动叠梁门装置，其包括活动叠梁门槽，以及设于所述活动叠梁门槽内的活动叠梁门，所述多层叠梁门槽和活动叠梁门槽相邻设置；

水位监测单元，用于监测水库水位，并将水库水位数据传输给叠梁门升降控制单元；

下泄水温监测单元，用于监测尾水水温，并将尾水水温数据传输给叠梁门升降控制单元；

叠梁门升降控制单元，设于活动叠梁门槽内，用于根据所述水库水位数据和尾水水温数据对活动叠梁门进行升降控制。

本发明的叠梁门控制系统，在水电站正常运行时通过控制多层叠梁门和活动叠梁门来稳定淹没水深，当水库水位变幅不超过单层叠梁门高度时，通过控制活动叠梁门的升降使水库水位变幅与活动叠梁门升降同步，以维持淹没深度不变，使得引用水仍为表层一定范围内的水，在水库水位上升时避免了下泄水温降低对生态环境的影响，在水库水位下降时保证了进水口流态稳定，减小了水头损失；当水库水位稳定时，通过尾水水温控制活动叠梁门的升降使下泄水温维持在生态环境所需温度范围内，进一步避免了下泄水温对生态环境的影响，具体的，在水库水位稳定且下泄水温较高时，通过控制活动叠梁门下降来增大淹没深度，进一步减小了水头损失，增加发电效益，在水库水位稳定且下泄水温较低时，通过控制活动叠梁门上升来提高下泄水温，使下泄水温维持在生态环境所需温度范围内，避免了下泄水温对生态环境的影响；在水库水位变动时，由于水库水位变幅与活动叠梁门的升降同步，在满足下泄水温的条件下保证了进水口流态稳定，最大程度地减小了水头损失，从而增加了发电效益，同时也避免了对拦污栅造成的冲击破坏。

进一步地，所述叠梁门升降控制单元包括控制模块、以及分别与所述控制模块连接的数据接收模块和动力装置；所述动力装置分别与导轨、制动器连接；所述导轨和制动器均设于所述活动叠梁门槽的侧壁，且所述导轨与活动叠梁门固定连接。

控制模块根据从数据接收模块获得的水库水位数据和尾水水温数据，对动力装置进行控制，从而控制活动叠梁门在活动叠梁门槽内的升降。

进一步地，所述水位监测单元包括水位传感器和水位数据反馈模块；

所述水位传感器的安装高程在水电站死水位以下且位于库水面平稳处，水位传感器用于监测水库内的水位，并将该水位数据传输给水位数据反馈模块；

所述水位数据反馈模块，用于获取水库水位数据并反馈给所述叠梁门升降控制单元。

进一步地，所述下泄水温监测单元包括温度传感器和温度数据反馈模块；所述温度传感器设于尾水隧洞出口处，用于监测尾水的水温，并将所述水温数据发送给温度数据反馈模块；

所述温度数据反馈模块，用于获取水温数据并反馈给所述叠梁门升降控制单元。

优选的，所述下泄水温监测单元还包括与所述叠梁门升降控制单元连接的混流装置，所述混流装置设于尾水隧洞出口处，通过混流模块将水体充分混合，有效减小了因水温分布不均引起得监测误差。

进一步地，所述多层叠梁门的上半部与活动叠梁门的下半部存在重叠，所述重叠部分相贴合，避免了多层叠梁门与活动叠梁门之间的空隙导致渗水严重。

进一步地，所述活动叠梁门包括主挡水板、侧挡水板以及导流结构；所述侧挡水板设于所述主挡水板的两侧，且所述侧挡水板嵌入在所述活动叠梁门槽内；所述导流结构设于所述主挡水板的顶部。通过导流结构使水流过活动叠梁门更加平顺，可以有效地减小局部水头损失。

进一步地，所述导流结构的横截面呈半圆形。

进一步地，所述主挡水板的高度等于两层叠梁门的高度，保证了水位上升和下降过程中均可以调节活动叠梁门，同时由于导流结构的存在，可以保证多层叠梁门的上半部和活动叠梁门的下半部始终存在部分重叠，减小了渗水的可能性。

进一步地，所述主挡水板的厚度小于多层叠梁门的厚度，由于主挡水板在水位变幅的过程中始终在多层叠梁门的上方，电站关闸和开闸过程承受压力均较小，因此在制造时，使主挡水板的厚度小于多层叠梁门的厚度，降低了工程造价。

本发明还提供一种叠梁门控制方法，包括设于多层叠梁门槽内的多层叠梁门和设于活动叠梁门槽内的活动叠梁门，所述多层叠梁门槽和活动叠梁门槽相邻设置，具体控制步骤为：

步骤1：获取水库水位数据和尾水水温数据；

步骤2：当水库水位变幅小于或等于单层叠梁门高度时，控制活动叠梁门的升降，使活动叠梁门的升降与水库水位变幅同步；

当水库水位变幅大于单层叠梁门高度时，活动叠梁门停止升降，在多层叠梁门上提取或放置一层叠梁门，随后继续根据水库水位变幅调节活动叠梁门的升降，使活动叠梁门（5）的升降与水库水位变幅同步；

当水库水位保持稳定时，根据尾水水温控制活动叠梁门的升降，使下泄水温维持在生态环境所要求的温度范围内，并减小水头损失。

有益效果

与现有技术相比，本发明所提供的一种叠梁门控制系统及控制方法，在水电站正常运行时通过控制多层叠梁门和活动叠梁门来稳定淹没水深，当水库水位变幅不超过单层叠梁门高度时，通过控制活动叠梁门的升降使水库水位变幅与活动叠梁门升降同步，以维持淹没深度不变，使得引用水仍为表层一定范围内的水，在水库水位上升时避免了下泄水温降低对生态环境的影响，在水库水位下降时保证了进水口流态稳定，减小了水头损失；当水库水位稳定时，通过尾水水温控制活动叠梁门的升降使下泄水温维持在生态环境所需温度范围内，进一步避免了下泄水温对生态环境的影响。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明背景技术中传统分层取水叠梁门示意图；

图2是本发明实施例中叠梁门控制系统的示意图；

图3是本发明实施例中活动叠梁门与多层叠梁门的示意图；

图4是本发明实施例中图3的俯视图；

图5是本发明实施例中图3的纵剖面图；

图6是本发明实施例中活动叠梁门的结构示意图；

其中，1-拦污栅门槽，2-多层叠梁门槽，3-多层叠梁门，4-活动叠梁门槽，5-活动叠梁门，501-主挡水板，502-侧挡水板，503-导流结构，6-水位传感器，7-水位数据反馈模块，8-动力装置，9-检修门槽，10-事故门槽，11-温度传感器，12-温度数据反馈模块，13-混流装置，14-通气孔，A-电站死水位（在正常运用情况下，允许水库消落的最低水位）。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图2所示，本发明所提供的一种叠梁门控制系统，包括多层叠梁门槽2、设于多层叠梁门槽2内的多层叠梁门3、水位监测单元、下泄水温监测单元、叠梁门升降控制单元以及活动叠梁门装置；水位监测单元、下泄水温监测单元分别与叠梁门升降控制单元电连接；活动叠梁门装置包括活动叠梁门槽4、以及设于活动叠梁门槽4内的活动叠梁门5，多层叠梁门3、活动叠梁门5沿水流方向依次设置（或者活动叠梁门5、多层叠梁门3沿水流方向依次设置），且活动叠梁门5的顶部高于多层叠梁门3的顶部（活动叠梁门5的下半部与多层叠梁门3的上半部存在重叠，该重叠部分相互贴合，减少渗水的可能性），如图3-5所示，水流方向是指从水库经进水口至下游的方向。多层叠梁门3、活动叠梁门5均设在进水口处。

水位监测单元包括水位传感器6和水位数据反馈模块7，下泄水温监测单元包括温度传感器11和温度数据反馈模块12，叠梁门升降控制单元包括控制模块、数据接收模块、动力装置8、以及导轨和制动器；水位传感器6与水位数据反馈模块7电连接，温度传感器11与温度数据反馈模块12电连接，水位数据反馈模块7、温度数据反馈模块12分别与数据接收模块电连接，数据接收模块、动力装置8分别与控制模块电连接，动力装置8分别与导轨、制动器连接，且动力装置设于活动叠梁门槽4的顶部。水位传感器6的安装高程在水电站死水位A以下，且位于库水面平稳处，保证在电站不同水位条件下水位传感器6均可监测水库内的水位，并将该水位数据传输给水位数据反馈模块7；温度传感器11设于尾水隧洞出口处，用于监测尾水的水温（尾水是指经水轮机出来后的水），并将水温数据发送给温度数据反馈模块12；数据接收模块接收到水位数据和水温数据并传输给控制模块，控制模块根据水位数据和水温数据控制动力装置8，动力装置8为设于活动叠梁门槽4内的导轨和制动器提供动力，从而控制活动叠梁门3在活动叠梁门槽4内的升降。本实施例中，叠梁门升降控制单元为现有技术，类似于升降电梯控制系统，活动叠梁门类似于升降电梯，控制模块可以采用PLC控制模块。

如图6所示，活动叠梁门5包括主挡水板501、侧挡水板502以及导流结构503；侧挡水板502设于主挡水板501的两侧，且侧挡水板502嵌入在活动叠梁门槽4内，侧挡水板502与导轨固定连接，通过动力装置8提供的动力带动活动叠梁门5做升降运动；导流结构503设于主挡水板501的顶部，通过导流结构503使水流过活动叠梁门更加平顺，可以有效地减小局部水头损失，水头损失是指水流在运动过程中单位质量液体的机械能的损失，水流速度越平稳，水头损失越小。本实施例中，导流结构503的横截面呈半圆形。

如图5所示，主挡水板501的高度等于两层叠梁门的高度，即b=2a，b为主挡水板501的高度，a为单层或一层叠梁门的高度，保证了水位上升幅度和下降幅度不超过a时都可以通过调节活动叠梁门5来使淹没水深维持稳定，使得引用水仍为表层一定范围内的水，在水库水位上升时避免了下泄水温降低对生态环境的影响，在水库水位下降时保证了进水口流态稳定，减小了水头损失，同时由于导流结构503的存在，可以保证多层叠梁门3的顶部和活动叠梁门5的底部始终存在部分重叠且贴合紧密，减小了渗水的可能性。主挡水板501在水位变幅的过程中始终在多层叠梁门3的上方，电站关闸和开闸过程承受压力均较小，所以活动叠梁门槽4的槽宽d小于多层叠梁门槽2的槽宽c（即活动叠梁门5的厚度小于多层叠梁门3的厚度），工程造价较小。

活动叠梁门5的初始位置为活动叠梁门5比多层叠梁门3高出一层叠梁门的高度a，本发明叠梁门控制系统的具体工作过程如下：

当水位传感器6检测到水库水位上升且上升幅度不超过一层或单层叠梁门高度a时，控制活动叠梁门5上升，且活动叠梁门5的上升幅度与水库水位的上升幅度同步，当水库水位停止上升时（即水库水位稳定时），根据温度传感器11检测到的尾水水温继续控制活动叠梁门5的升降，以使尾水水温维持在生态环境所需温度范围内，具体的，当尾水水温小于生态环境所需温度范围的下限值时（或大于生态环境所需温度范围的上限值时），控制活动叠梁门5上升（或控制活动叠梁门5下降），直到尾水水温处于生态环境所需温度范围内，在水库水位上升时避免了下泄水温降低对生态环境的影响，同时在水库水位稳定且下泄水温大于生态环境所需温度范围的上限值时，通过活动叠梁门5的下降（增大取水深度）来进一步减小了水头损失，下泄水温是指从水库或上游往下游泄水的温度。

当水库水位上升幅度大于单层叠梁门高度a时，活动叠梁门5停止上升，在多层叠梁门3上放置一层叠梁门，随后继续根据水库水位上升幅度调节活动叠梁门5的同步上升。

当水位传感器6检测到水库水位下降且下降幅度不超过一层或单层叠梁门高度a时，控制活动叠梁门5下降，且活动叠梁门5的下降幅度与水库水位的下降幅度同步，当水库水位停止下降时（即水库水位稳定时），根据温度传感器11检测到的尾水水温继续控制活动叠梁门5的升降，以使尾水水温维持在生态环境所需温度范围内，具体的，当尾水水温小于生态环境所需温度范围的下限值时（或大于生态环境所需温度范围的上限值时），控制活动叠梁门5上升（或控制活动叠梁门5下降），直到尾水水温处于生态环境所需温度范围内，在水库水位下降时保证了进水口流态稳定，减小了水头损失，在水库水位稳定且下泄水温大于生态环境所需温度范围的上限值时，通过活动叠梁门5的下降（增大取水深度）来进一步减小了水头损失。

当水库水位下降幅度大于单层叠梁门高度a时，活动叠梁门5停止下降，在多层叠梁门3上放置一层叠梁门，随后继续根据水库水位下降幅度调节活动叠梁门5的同步下降。

图2中的通气孔14一般位于电站进水口事故闸门后，通气孔14的主要作用是引水道充水时用以排气，事故闸门紧急关闭放空引水道时，用以补气以防出现有害真空，其天井结构在水力学上类似于侧压管，在机组引用流量一定的情况下，通气孔14处断面平均流速为定值，其流速水头则为定值，所以其总水头取决于通气孔14水位。当水库水位传感器6处于库水面平稳处时，流速水头可忽略，水库的总水头仅取决于水库的水位，因此，还可以通过通气孔14水位与水库水位对比来获得进水口的水头损失，从而可以监测到水头损失，也可以根据该水头损失来调节活动叠梁门5的升降。

本发明中，水位监测单元还可以是具有数据远程在线传输功能的水位传感器，水位测量精度为0.1米，工作深度范围可达200米，水位数据记录频次可在10min～3h区间内任意设置，该水位传感器采用电池作为电源，采用仅0.2mm壁厚的不锈钢外壳封装，蓄热量极小，灵敏度高，具有抗冲击碰撞、抗强压、抗腐蚀和抗老化等特性。下泄水温监测单元还可以是具有数据远程在线传输功能的水温传感器，水温测量分辨率为0.01℃，精度为0.1℃，范围为-40～100℃，水温数据记录频次可在10min～3h区间内任意设置，该水温传感器采用电池作为电源，采用仅0.2mm壁厚的不锈钢外壳封装，蓄热量极小，灵敏度高，具有抗冲击碰撞、抗强压、抗腐蚀和抗老化等特性。与水位监测单元、下泄水温监测单元对应的叠梁门升降控制单元则包括控制模块。动力装置、导轨和制动器，控制模块采用PLC模块，可以直接接受到水位传感器和水温传感器的数据，再根据处理后的数据控制动力装置。

本发明还提供一种叠梁门控制方法，包括沿水流方向依次设置的多层叠梁门和活动叠梁门，具体控制步骤为：

步骤1：获取水库水位数据和尾水水温数据；

步骤2：当水库水位变幅小于或等于单层叠梁门高度时，控制活动叠梁门的升降，使活动叠梁门的升降与水库水位变幅同步；

当水库水位变幅大于单层叠梁门高度时，活动叠梁门停止升降，在多层叠梁门上提取或放置一层叠梁门，随后继续根据水库水位变幅调节活动叠梁门的升降，使活动叠梁门（5）的升降与水库水位变幅同步；

当水库水位保持稳定时，根据尾水水温控制活动叠梁门的升降，使下泄水温维持在生态环境所要求的温度范围内，并减小水头损失。

以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种叠梁门控制系统，包括多层叠梁门槽（2）以及设于所述多层叠梁门槽（2）内的多层叠梁门（3），其特征在于，还包括：

活动叠梁门装置，其包括活动叠梁门槽（4），以及设于所述活动叠梁门槽（4）内的活动叠梁门（5），所述多层叠梁门槽（2）和活动叠梁门槽（4）相邻设置；

水位监测单元，用于监测水库水位，并将水库水位数据传输给叠梁门升降控制单元；

下泄水温监测单元，用于监测尾水水温，并将尾水水温数据传输给叠梁门升降控制单元；

叠梁门升降控制单元，设于活动叠梁门槽（4）内，用于根据所述水库水位数据和尾水水温数据对活动叠梁门（5）进行升降控制。

2.如权利要求1所述的一种叠梁门控制系统，其特征在于：所述叠梁门升降控制单元包括控制模块、以及分别与所述控制模块连接的数据接收模块和动力装置（8）；所述动力装置（8）分别与导轨、制动器连接；所述导轨和制动器均设于所述活动叠梁门槽（4）的侧壁，且所述导轨与活动叠梁门（5）固定连接。

3.如权利要求1所述的一种叠梁门控制系统，其特征在于：所述水位监测单元包括水位传感器（6）和水位数据反馈模块（7）；

所述水位传感器（6）的安装高程在水电站死水位以下且位于库水面平稳处，水位传感器（6）用于监测水库内的水位，并将该水位数据传输给水位数据反馈模块（7）；

所述水位数据反馈模块（7），用于获取水库水位数据并反馈给所述叠梁门升降控制单元。

4.如权利要求1所述的一种叠梁门控制系统，其特征在于：所述下泄水温监测单元包括温度传感器（11）和温度数据反馈模块（12）；

所述温度传感器（11）设于尾水隧洞出口处，用于监测尾水的水温，并将所述水温数据发送给温度数据反馈模块（12）；

所述温度数据反馈模块（12），用于获取水温数据并反馈给所述叠梁门升降控制单元；

优选的，所述下泄水温监测单元还包括与所述叠梁门升降控制单元连接的混流装置（13），所述混流装置（13）设于尾水隧洞出口处。

5.如权利要求1所述的一种叠梁门控制系统，其特征在于：所述多层叠梁门（3）的上半部与活动叠梁门（5）的下半部存在重叠，所述重叠部分相贴合。

6.如权利要求1所述的一种叠梁门控制系统，其特征在于：所述活动叠梁门（5）包括主挡水板（501）、侧挡水板（502）以及导流结构（503）；所述侧挡水板（502）设于所述主挡水板（501）的两侧，且所述侧挡水板（502）嵌入在所述活动叠梁门槽（4）内；所述导流结构（503）设于所述主挡水板（501）的顶部。

7.如权利要求6所述的一种叠梁门控制系统，其特征在于：所述导流结构（503）的横截面呈半圆形。

8.如权利要求6所述的一种叠梁门控制系统，其特征在于：所述主挡水板（501）的高度等于两层叠梁门的高度。

9.如权利要求6所述的一种叠梁门控制系统，其特征在于：所述主挡水板（501）的厚度小于多层叠梁门（3）的厚度。

10.一种叠梁门控制方法，其特征在于：包括设于多层叠梁门槽（2）内的多层叠梁门（3）和设于活动叠梁门槽（4）内的活动叠梁门（5），所述多层叠梁门槽（2）和活动叠梁门槽（4）相邻设置，具体控制步骤为：

步骤1：获取水库水位数据和尾水水温数据；

步骤2：当水库水位变幅小于或等于单层叠梁门高度时，控制活动叠梁门（5）的升降，使活动叠梁门（5）的升降与水库水位变幅同步；

当水库水位变幅大于单层叠梁门高度时，活动叠梁门（5）停止升降，在多层叠梁门（3）上提取或放置一层叠梁门，随后继续根据水库水位变幅调节活动叠梁门（5）的升降，使活动叠梁门（5）的升降与水库水位变幅同步；

当水库水位保持稳定时，根据尾水水温控制活动叠梁门（5）的升降，使下泄水温维持在生态环境所要求的温度范围内，并减小水头损失。

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