貫流式機(jī)組電站閘門布置設(shè)計與研究

李 崗，邢怡芳

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

在低水頭水力資源開發(fā)利用中，貫流式水輪發(fā)電機(jī)組與立軸式機(jī)組相比具有能量指標(biāo)高、投資省、運(yùn)行性能優(yōu)等優(yōu)勢，在近年的水電開發(fā)中被廣泛應(yīng)用［1］。對于立軸式機(jī)組，通常要求在進(jìn)口設(shè)置檢修閘門和事故閘門(或快速閘門)，但貫流式電站流道短，上游閘門至機(jī)組首部距離很近，閘門動水閉門過程形成的射流直沖燈泡體，容易引起振動，流道內(nèi)產(chǎn)生的渦流容易導(dǎo)致負(fù)壓氣蝕、導(dǎo)葉損壞。而將工作閘門移置尾水管上能消除這種惡劣條件對機(jī)組的不利影響，尤其是要求電站作為泄洪通道和控制航運(yùn)水位變幅時，則必須將工作閘門布置在機(jī)組的下游。另外由于貫流式機(jī)組流道平直，機(jī)組上下游閘門的設(shè)計水頭和操作水頭相差不大，從經(jīng)濟(jì)角度上來看，尾水閘門亦具備作為工作閘門的條件［2］。因此，貫流式機(jī)組電站系統(tǒng)閘門通常采用進(jìn)水口設(shè)置檢修閘門，尾水管設(shè)置事故閘門的布置方式。本文按照現(xiàn)行規(guī)范要求，對貫流式機(jī)組流道進(jìn)出水口閘門的各種布置方案進(jìn)行比較分析，提出各方案的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍。并對目前貫流式機(jī)組電站中采用的廠頂過流方式及尾水事故閘門設(shè)計中需注意的問題進(jìn)行了討論。

1 貫流式機(jī)組進(jìn)出口閘門布置方案

DL/T 5039—95《水利水電工程鋼閘門設(shè)計規(guī)范》規(guī)定:“對貫流式機(jī)組電站，進(jìn)水口宜設(shè)置攔污柵、檢修閘門(或事故閘門)，尾水出口宜設(shè)置事故閘門(或檢修閘門)［3］。”按照規(guī)范要求，貫流式機(jī)組進(jìn)出水口閘門布置共有4種可行的組合方案。

1.1 方案一

在機(jī)組流道進(jìn)水口處設(shè)置1道檢修閘門，尾水管出口設(shè)置1道事故閘門。與立軸式機(jī)組相比，將事故閘門置于機(jī)組之后，可避免動水閉門過程中水流可能對燈泡體造成的沖擊或損壞。另外由于貫流式機(jī)組流道平直，機(jī)組上下游閘門的設(shè)計水頭和操作水頭相差不大，從經(jīng)濟(jì)角度考慮采用尾水事故閘門亦不會增加太多成本。本方案沿水流方向布置兩道閘門，結(jié)構(gòu)緊湊，經(jīng)濟(jì)合理，此方案即為目前貫流式機(jī)組設(shè)計中常用的閘門布置方式。

1.2 方案二

在機(jī)組流道進(jìn)水口處設(shè)置1道事故閘門，尾水管出口設(shè)置1道檢修閘門。根據(jù)規(guī)范DL/T 5039—95，此布置方案可行。但正如方案一所述，由于貫流式機(jī)組流道短，進(jìn)口閘門距機(jī)組燈泡體很近，若將事故閘門布置于進(jìn)口，動水閉門過程中的射流可能沖擊燈泡體，引起震動，流道內(nèi)產(chǎn)生的渦流容易導(dǎo)致負(fù)壓氣蝕、導(dǎo)葉損壞。因此方案二不適用于貫流式機(jī)組電站。

1.3 方案三

在機(jī)組流道進(jìn)水口處依次設(shè)置1道檢修閘門和1道事故閘門，尾水管出口設(shè)置1道檢修閘門。本方案相當(dāng)于在方案二的基礎(chǔ)上，進(jìn)口增加1道檢修閘門，以對事故閘門門槽和兩道閘門之間流道進(jìn)行檢修。但同樣存在方案二中所述的問題，進(jìn)口布置事故閘門不適用于貫流式機(jī)組。且沿流道設(shè)置3道閘門，壩體厚度增加，工程量和工程投資都將增加，影響電站經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。此方案常應(yīng)用于引水式地下廠房電站。且當(dāng)機(jī)組有快速閉門保護(hù)要求時，事故閘門應(yīng)具備快速閉門的功能。

1.4 方案四

在機(jī)組流道進(jìn)水口處設(shè)置1道檢修閘門，尾水管出口依次設(shè)置1道事故閘門和1道檢修閘門。此方案相當(dāng)于在方案一的基礎(chǔ)上，在尾水增加1道檢修閘門。雖然能夠?yàn)槲菜鹿书l門門槽提供檢修條件，更加安全可靠。但同樣由于沿水流方向增加1道閘門，導(dǎo)致壩體厚度增加，混凝土工程量和工程投資都將增加，影響電站經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。且貫流式機(jī)組電站運(yùn)行水頭較低，尾水事故閘門門槽破壞概率極低，且一旦發(fā)生破壞，亦具備水下修復(fù)施工的可行性。因此從經(jīng)濟(jì)和安全方面綜合考慮，方案四安全、可行但不夠經(jīng)濟(jì)。

綜上所述，方案二、三由于在進(jìn)口設(shè)置事故閘門容易引起機(jī)組燈泡體振動，導(dǎo)葉破壞，不適用于貫流式機(jī)組。方案四雖然更加安全，但與方案一相比，不夠經(jīng)濟(jì)合理。因此，對于貫流式機(jī)組電站，閘門典型布置方式為在機(jī)組進(jìn)口設(shè)置1道檢修閘門，在尾水管出口設(shè)置1道事故閘門。

2 國內(nèi)貫流機(jī)組電站閘門布置情況

對國內(nèi)已建貫流式機(jī)組電站進(jìn)行了資料收集，并對閘門布置情況進(jìn)行了歸納總結(jié)，結(jié)果見表1。由表1可見，已建電站均采用了方案一。其中炳靈水電站和蜀河水電站受電站壩址處地形所限，創(chuàng)新性采用了廠房頂層泄流布置方式。

表1 國內(nèi)已建貫流式機(jī)組電站閘門布置情況

3 廠房頂層泄流布置設(shè)計及工程實(shí)例

當(dāng)水電站壩址區(qū)河道狹窄，岸坡陡峭，洪峰流量很大時，樞紐的布置如果采用常規(guī)的廠房段+泄流段布置，土石方開挖和邊坡處理工程量非常大，工程造價急劇增加。近些年在國內(nèi)一些貫流式機(jī)組電站設(shè)計中，采用了在廠房頂層設(shè)置泄流表孔的布置方式，大大減少了邊坡開挖，縮短了工期，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

3.1 黃河炳靈水電站

炳靈水電站位于甘肅省永靖縣和積石山縣交界處，是黃河上游梯級開發(fā)的中型水電站之一。上游距大河家水電站29.5 km，下游距劉家峽水電站44.5 km。工程裝機(jī)容量5×48 MW，設(shè)計多年平均發(fā)電量9.74億kW·h。該電站于2006年11月1日動工興建，2009年7月1日最后一臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。安裝了國內(nèi)目前單機(jī)容量最大的貫流式燈泡機(jī)組，首次采用了廠頂泄洪溢流和庫尾(劉家峽)建壩蓄水設(shè)計方案［4］。炳靈水電站機(jī)組剖面示意見圖1。

引水發(fā)電系統(tǒng)依次布置有主攔污柵、副攔污柵(與檢修閘門共槽)、檢修閘門、檢修閘門門槽頂柵、泄洪表孔工作閘門、尾水出口布置有尾水事故閘門［6］。由于泄洪表孔布置于機(jī)組流道上層，為減小壩體厚度，副攔污柵、機(jī)組進(jìn)水口檢修閘門、泄洪表孔檢修閘門同槽布置，且機(jī)組進(jìn)水口檢修閘門兼作泄洪表孔檢修閘門。為防污物從機(jī)組進(jìn)水口檢修門門槽上方進(jìn)入機(jī)組，在泄洪表孔流道與機(jī)組進(jìn)水口檢修閘門門槽交界處設(shè)置了頂柵。電站設(shè)計尾水位低于廠頂過流面高程，機(jī)組檢修時由上游表孔工作門擋水，因此下游未設(shè)置尾水檢修閘門。機(jī)組流道上層設(shè)有泄洪表孔，每臺機(jī)組設(shè)有2個檢修用吊物孔。在吊物孔處設(shè)置密封鋼蓋板，蓋板頂面與泄洪表孔底板平齊，保證泄洪時水流平順。

圖1 炳靈水電站貫流機(jī)組剖面示意(高程:m，尺寸:mm)

3.2 漢江蜀河水電站

蜀河水電站工程位于陜西省旬陽縣境內(nèi)的漢江干流上，壩址在旬陽縣蜀河鎮(zhèn)上游約1 km處，距旬陽縣城51 km，距上游已建成的安康水電站約120 km，距下游已建成的丹江口水電站約200 km，是漢江上游梯級開發(fā)規(guī)劃中的第6個梯級電站。電站裝機(jī)6臺46 MW的貫流機(jī)組，年平均發(fā)電量9.53億kW·h。2010年10月，全部機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。

蜀河水電站同樣采用了廠頂泄流的布置方式［7］，機(jī)組中心線剖面見圖2。引水發(fā)電系統(tǒng)閘門布置與炳靈水電站基本一致。主要區(qū)別有3點(diǎn):①炳靈水電站廠頂泄洪表孔工作閘門采用頂升柱塞式液壓啟閉機(jī)［8］，蜀河水電站采用了固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)操作廠頂泄洪表孔工作閘門，因此在進(jìn)水口壩頂門機(jī)與廠房之間增加了混凝土排架，用于布置固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。②蜀河電站進(jìn)水口布置1道攔污柵，且和進(jìn)水口檢修閘門共槽。在攔污柵前設(shè)置了清污機(jī)導(dǎo)槽，采用液壓清污抓斗清污。炳靈水電站采用兩道攔污柵，副柵與檢修門共槽，采用的是提柵清污方式。③由于蜀河電站設(shè)計尾水位高于廠頂泄洪表孔底板高程，因此設(shè)置了1道下游檢修閘門，用于機(jī)組檢修時擋下游水。

3.3 廠房頂層泄流布置與設(shè)計中應(yīng)關(guān)注的問題

當(dāng)廠房頂層表孔泄洪時，進(jìn)口水流流態(tài)較為復(fù)雜，進(jìn)口攔污柵及閘門設(shè)計必須考慮橫向和豎向水流的作用力，可通過試驗(yàn)驗(yàn)證確定。蜀河水電站由于在進(jìn)口處設(shè)置了1道攔沙坎，2011年特大洪水采用廠頂表孔泄洪時，水流通過攔沙坎后跌落至進(jìn)口前，而后再升至廠頂表孔底坎高程，導(dǎo)致攔污柵受到了豎直向上的水流脈動作用力，水流將攔污柵振動、破壞，解體后沖至尾水渠，造成了經(jīng)濟(jì)損失。

廠房頂層表孔流道內(nèi)機(jī)組檢修吊物孔密封鋼蓋板不僅要求承受表孔泄洪時水流的荷載，并嚴(yán)密封水，防止水淹廠房;而在機(jī)組檢修時還能夠順利拆卸。鋼蓋板止水的設(shè)計是關(guān)鍵，炳靈和蜀河水電站的密封鋼蓋板采用了兩道封水的形式。兩道封水之間的埋件底部設(shè)有漏水槽，可將第一道水封漏水排走，目前運(yùn)行良好。設(shè)計時還要考慮通過試驗(yàn)確定表孔泄流時，密封鋼蓋板處是否會產(chǎn)生負(fù)壓和共振，以確保運(yùn)行安全。

圖2 蜀河水電站機(jī)組中心剖面示意(單位:m)

4 尾水事故閘門設(shè)計及施工的關(guān)鍵問題

由于尾水事故閘門在機(jī)組出現(xiàn)事故時，需動水閉門擋上游庫水，機(jī)組檢修時，靜水閉門擋下游尾水，因此尾水事故閘門需雙向止水，且上、下游支承均為主支承。尾水事故閘門設(shè)計必須解決如下的關(guān)鍵問題。

(1)動水閉門水頭和設(shè)計擋水水頭的確定。貫流式機(jī)組電站為低水頭徑流式，水庫無調(diào)節(jié)能力，機(jī)組運(yùn)行水頭受下游水位影響較大。分析電站運(yùn)行水頭組合情況，考慮機(jī)組的安全，尾水事故閘門應(yīng)能在最大運(yùn)行水頭情況下實(shí)現(xiàn)動水閉門。因此，建議按照正常蓄水位與最低尾水位的差值作為尾水事故閘門的動水閉門水頭。至于閘門的設(shè)計擋水水頭，結(jié)合機(jī)組檢修計劃，可采用設(shè)計尾水位作為閘門擋水水頭。

(2)雙向支承的選擇。機(jī)組檢修工況時，尾水事故閘門靜水啟閉，上游支承承受靜水壓力，為減少啟閉機(jī)容量，宜采用低摩阻力滑道。而機(jī)組事故動水閉門工況時，下游支承承受動荷載和移動摩阻力，為了保證動水閉門，應(yīng)盡量減少閉門阻力，因此宜采用滾動支承。

(3)雙向止水設(shè)計。由于尾水閘門具有動水閉門過程壓力方向指向下游，擋水檢修時壓力方向指向上游的雙向承壓工況，須設(shè)置雙向止水。止水設(shè)計遵循操作過程阻力小，擋水時止水嚴(yán)密的原則。為結(jié)構(gòu)緊湊，布置合理，可選用雙P型止水。

(4)尾水事故閘門入槽后施工期的防護(hù)。對于河床貫流式機(jī)組電站，通常采用河床分期導(dǎo)流的方式進(jìn)行施工，這就要求在河床二次截流前，機(jī)組進(jìn)口和尾水閘門要入槽擋水，而此時廠房及尾水平臺上部均在施工，若不對尾水事故門槽孔口上方進(jìn)行防護(hù)，容易導(dǎo)致雜物或混凝土掉入門槽內(nèi)，發(fā)生卡阻，導(dǎo)致無法正常提門。漢江蜀河水電站和黃河烏金峽水電站尾水事故閘門設(shè)計結(jié)構(gòu)型式基本相同，根據(jù)相關(guān)資料，閘門制造、安裝及無水調(diào)試均未發(fā)現(xiàn)異常。待初期擋水后，機(jī)組正式投產(chǎn)發(fā)電時，卻同樣出現(xiàn)尾水事故閘門無法提起的現(xiàn)象。后經(jīng)事故調(diào)查處理，原因就是由于閘門入槽擋水后，未對孔口進(jìn)行防護(hù)，導(dǎo)致了雜物掉入門槽內(nèi)，與閘門支承定輪發(fā)生卡阻。

因此尾水事故閘門入槽擋水后，若尾水平臺施工未完成，必須對孔口上方進(jìn)行防護(hù)。同時閘門主輪可采用偏心軸設(shè)計，便于在門槽安裝完成、二期混凝土澆筑后根據(jù)實(shí)測情況，適當(dāng)調(diào)整閘門上、下游支承與門槽接觸面的間隙。主輪裝配的止軸板可設(shè)置在孔口內(nèi)側(cè)，一旦閘門發(fā)生卡阻后，可水下進(jìn)行偏心軸調(diào)節(jié)，以保證閘門正常運(yùn)行。

5 結(jié)語

(1)針對在低水頭水資源開發(fā)中應(yīng)用廣泛的貫流式機(jī)組電站，結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范要求和近年來已建的工程實(shí)例，討論了引水發(fā)電系統(tǒng)閘門布置方案。在進(jìn)口布置檢修閘門，出口布置事故閘門的方案經(jīng)濟(jì)、合理，為推薦方案。

(2)對在河谷狹窄的壩址區(qū)，修建河床式貫流機(jī)組電站宜采用的廠房頂層溢流布置方式，根據(jù)工程實(shí)例，論述了閘門布置方案，及設(shè)計中應(yīng)關(guān)注的問題。

(3)鑒于貫流式機(jī)組電站的尾水事故閘門具有機(jī)組事故和檢修雙重工況，提出了尾水事故閘門設(shè)計中關(guān)于設(shè)計水頭、雙向支承及雙向止水等關(guān)鍵問題的設(shè)計思路和方法。同時結(jié)合實(shí)際工程中出現(xiàn)的問題，提出了應(yīng)對施工期已入槽擋水的尾水事故閘門進(jìn)行防護(hù)的要求。

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