清遠(yuǎn)抽水蓄能電站尾水事故閘門設(shè)計(jì)特點(diǎn)

【摘要】抽水蓄能電站機(jī)組吸出高程大、安裝高程低，廠房埋深處于下水庫正常蓄水位以下百米以上的深度。尾水事故閘門能夠及時(shí)阻斷下水庫及尾水隧洞的水流，以便于機(jī)組的檢修，在緊急情況下可動(dòng)水關(guān)閉，防止下水庫水流淹沒廠房。如何合理地設(shè)計(jì)尾水事故閘門，使其成為廠房名副其實(shí)的擋水墻，是抽水蓄能電站金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成功與否的關(guān)鍵所在。清遠(yuǎn)抽水蓄能電站尾水事故閘門的設(shè)計(jì)特點(diǎn)可供類似工程參考。

【關(guān)鍵詞】抽水蓄能電站；尾水事故閘門；定輪；水柱；旁通管；

Abstract： Due to a high suction head and low setting position of the pumped-storage unit， the underground plant should usually be buried in 100 meters and above below the normal pool level of lower reservoir. The tail water emergency gate can timely block flow from lower reservoir and tailrace tunnel for normally facilitate the unit maintenance， and closing in dynamic water flow to prevent water submerged plant in emergency. So， how to rational design tail water emergency gate to worthy the name of water retaining wall of plat is the key to the success of the pumped-storage power station metal structure design. The design characteristics of tail water emergency gate in Qingyuan pumped storage power plant can be a reference for other similar projects.

Keywords： Qingyuan pumped storage power station， tail water emergency gate， fixed wheel， water column， by-pass pipe

1、概述

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站位于廣東省清遠(yuǎn)市清新區(qū)太平鎮(zhèn)境內(nèi)，地處珠江三角洲西北部，距廣州直線距離75km，距清遠(yuǎn)市32km，是一座日調(diào)節(jié)的純抽水蓄能電站。工程2008年3月開工，2015年10月首臺(tái)機(jī)組投入試運(yùn)行。清遠(yuǎn)抽水蓄能電站由上、上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)等部分組成。地下廠房內(nèi)安裝4臺(tái)立式單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)—發(fā)電電動(dòng)機(jī)機(jī)組，單機(jī)容量（發(fā)電工況）320MW，總裝機(jī)容量1280MW。

2、尾水事故閘門布置

輸水系統(tǒng)采用1洞4機(jī)長尾水系統(tǒng)的布置方式。每臺(tái)機(jī)組尾水肘管與調(diào)壓井之間設(shè)尾水事故閘門，閘門孔口尺寸為3.6m×4.5m（寬×高），門型采用平面定輪閘門，頂止水為Ω型，側(cè)止水采用實(shí)心P60型，止水材料采用橡塑復(fù)合。門槽為高壓閘閥式，采用整體加工的小門槽結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)與常規(guī)平面閘門殼體類似，材料采用Q345B。門槽結(jié)構(gòu)由門槽段、腰箱和密封蓋三大部分組成。門槽密封蓋上布置液壓啟閉機(jī)、進(jìn)人孔、機(jī)械鎖定及限位器、排氣閥等可拆卸部件，并設(shè)置了可靠的密封裝置。閘門啟閉設(shè)備采用液壓啟閉機(jī)，容量2500kN/800kN，行程為4.85m，采用陶瓷活塞桿，液壓缸座通過螺栓聯(lián)接在門槽密封蓋上。閘門與機(jī)組進(jìn)水球閥安全互鎖，全開全關(guān)不控制流量。正常情況操作要求閘門靜水啟閉，事故情況利用水柱動(dòng)水閉門，啟門時(shí)通過旁通閥平壓后靜水起吊。

為便于安裝、檢修閘門和液壓啟閉機(jī)，在尾水閘門廊道的上部布置1臺(tái)500kN/100kN天車，跨度6.0m，揚(yáng)程20m（其中尾閘地面揚(yáng)程9m），軌頂高程49.0m。

尾水事故閘門金屬結(jié)構(gòu)主要參數(shù)及技術(shù)性能詳見表1。

3、尾水閘門設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 閘門支承型式設(shè)計(jì)

由我院設(shè)計(jì)廣蓄、惠蓄的尾水事故閘門都采用平面定輪閘門，雙曲滾輪簡支支承。清遠(yuǎn)抽水蓄能電站尾水事故閘門共設(shè)8個(gè)雙曲滾輪，滾輪承壓按2800kN設(shè)計(jì)，滾輪材料為42CrMo直徑為Φ650mm，踏面寬180mm弧面半徑3500mm，輪軸材料40Cr直徑為Φ240mm，軸承為鋼基銅塑自潤滑滑動(dòng)軸承。

采用定輪支承有如下優(yōu)勢，1）定輪閘門能有效的降低摩擦阻力，從而有效的減小啟閉機(jī)容量，若選用平面滑動(dòng)閘門則啟閉機(jī)容量為5000kN，液壓系統(tǒng)及配電負(fù)荷都明顯增大，投資顯著提高。2） 每個(gè)主輪位置對(duì)應(yīng)設(shè)置一個(gè)彈性材料反輪，即上游側(cè)為定輪與門槽接觸為剛性-剛性接觸，下游側(cè)與門槽接觸為彈性-剛性接觸，通過調(diào)整反輪的預(yù)壓力，使閘門均勻卡在門槽內(nèi)，從而減少閘門在尾水內(nèi)的振動(dòng)。同時(shí)降低主輪和軌道損壞風(fēng)險(xiǎn)，減少后期維護(hù)工作量。

相對(duì)線接觸定輪而言，采用點(diǎn)接觸的雙曲滾輪能有效消去制造安裝缺陷（如變形撓曲），在水壓作用下，上下左右4個(gè)主輪能自我調(diào)整適應(yīng)保證都能與軌道接觸，減少受力均勻不均勻現(xiàn)象。該閘門的門葉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分上、下兩節(jié)，節(jié)間邊柱斷開，門葉結(jié)構(gòu)整體熱處理消去焊接殘余應(yīng)力，每節(jié)門葉分別邊柱定位軸孔，工廠內(nèi)安裝好主輪。待運(yùn)至工地后，將面板連接起來，門背側(cè)采用背拉板調(diào)整上下兩節(jié)。通過斷開邊柱，使上下節(jié)邊柱受力明確，各輪的輪壓差減小，改善了閘門翹曲變形。通過尾水隧洞充水試驗(yàn)時(shí)觀察，閘門水頭承受75m時(shí)，水封基本不漏水。

以目前的制造水平來看，直徑在Φ700mm左右，承壓3000kN的輪子及軌道已不是技術(shù)難點(diǎn)。從廣蓄一期尾水事故閘門成功運(yùn)行20年多年，而無主輪缺陷大修的情況來看，采用定輪支承是比較經(jīng)濟(jì)可行的。

3.2 減振及意外承受上水庫水壓時(shí)的自動(dòng)泄壓機(jī)制

通常認(rèn)為，只有在進(jìn)水閥處于關(guān)閉狀態(tài)下，該事故閘門才能進(jìn)行啟閉操作和處于閉門擋水狀態(tài)。如意外情況閘門非正常下落，或閘門正常下落而進(jìn)水閥、導(dǎo)葉漏水嚴(yán)重，閘門將承受上水庫水壓，輕則閘門破壞，重則導(dǎo)致機(jī)組抬機(jī)事故。

前述，尾水事故閘門下游方向設(shè)置8個(gè)復(fù)合材料彈性反輪，通過螺栓緊固在門葉結(jié)構(gòu)上。閘門全開時(shí)，通過預(yù)壓力，結(jié)合主輪，側(cè)輪保證閘門被彈壓在門槽腰箱內(nèi)。在復(fù)雜工況轉(zhuǎn)換下，減小閘門振動(dòng)對(duì)液壓啟閉機(jī)的影響。閉門過程中，一旦進(jìn)水閥未提前關(guān)閉，上游水壓高于下游水壓，致反輪彈簧壓縮量變大，閘門向下游移動(dòng)，門上的反向制動(dòng)塊卡在門槽上矩型齒條上，避免閘門進(jìn)一步下落，實(shí)現(xiàn)泄壓，保護(hù)閘門及其他設(shè)備的安全。

廣蓄二期的尾水事故閘門，原設(shè)計(jì)中有反向泄壓拍門，但因長期處復(fù)雜水流中致拍門脫落，后該在旁通管上并聯(lián)反向逆止閥作為泄壓裝置。在2012年的改造設(shè)計(jì)中也采用了本文方案。

3.3 水柱作用點(diǎn)的設(shè)計(jì)

尾水事故閘門存在動(dòng)水閉門工況，而在高水頭下動(dòng)水閉門的摩擦阻力是驚人的。如前述，采用定輪支承能及其有效減少摩擦阻力，而采用定輪必須加工邊柱軸孔，若按常規(guī)布置面板在下水庫側(cè)（即擋水側(cè)），水柱作用在主梁腹板上，則軸孔配合的加工和安裝精度高，且在設(shè)計(jì)上就存在孔隙射水的可能性，必須設(shè)置密封措施進(jìn)行補(bǔ)救。清遠(yuǎn)抽水蓄能電站尾水事故閘門將面板同頂側(cè)水封均布置在機(jī)組側(cè)，底主梁在最底主輪下部，水柱作用點(diǎn)在底主梁上。這樣除了避免高水頭射水外，還有如下好處：1）除底主梁為復(fù)雜的雙向壓彎構(gòu)件外，其它主梁均為純彎構(gòu)件，受力簡單明確。而閘門底緣在結(jié)構(gòu)上為滿足擴(kuò)散角30°的規(guī)范要求，底主梁通常設(shè)計(jì)為箱型，強(qiáng)度、剛度穩(wěn)定性均能滿足要求。2）水柱作用點(diǎn)為閘門形心下方，單液壓缸操作閘門動(dòng)水閉門時(shí)更平穩(wěn)。

3.4 旁通管路的設(shè)計(jì)

據(jù)調(diào)查，國內(nèi)各抽水蓄能電站尾水事故閘門的充水平壓裝置均采用旁通閥型式，旁通管上布置工作閥和檢修閥為閘門平壓的操作系統(tǒng)，同時(shí)在門槽上游側(cè)布置高速排氣閥。為避免運(yùn)行時(shí)旁通工作閥的閥芯產(chǎn)生振動(dòng)，應(yīng)將旁通管的進(jìn)口和出口布置在壓力大體相當(dāng)?shù)奈恢谩４送猓诔渌畷r(shí)，出口為高速水流，如不采取有效措施降低過閥流速，閥門易振動(dòng)破壞，嚴(yán)重時(shí)還加劇閘門的振動(dòng)。

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站尾水事故閘門旁通管采用DN300mm，設(shè)置手動(dòng)閘閥和電動(dòng)蝶閥。排氣管采用DN200mm，同時(shí)在門槽密封蓋、鎖定裝置及限位器專設(shè)小型排氣閥以解決了密封蓋局部小體積氣體的排放問題。旁通閥進(jìn)口和出口以門槽對(duì)稱位置布置在尾水支管的頂部，進(jìn)口處設(shè)置防污罩，出口管內(nèi)焊接DN80mm的錐孔節(jié)流孔板，通過設(shè)置這一節(jié)流孔板，將過閥流速降低至出口的0.07倍約4m/s，極其有效的改善了閥門的工作條件，擴(kuò)大了工作閥門的選型范圍，從而降低了投資。

4、結(jié)語

本文以清遠(yuǎn)抽水蓄能電站為例，介紹我院在抽水蓄能電站尾水事故閘門的總體布置和主要技術(shù)特點(diǎn)。抽水蓄能電站尾水事故閘門在設(shè)計(jì)時(shí)需要重點(diǎn)注意的幾點(diǎn)有：

（1）閘門結(jié)構(gòu)型式合理，支承結(jié)構(gòu)簡單。盡量減少后期維護(hù)。

（2）尾水閘門整體布置應(yīng)充分考慮尾水管中的復(fù)雜水流引起閘門振動(dòng)問題，應(yīng)設(shè)置可靠的側(cè)反向支承，同時(shí)設(shè)置可靠的的泄壓裝置。

（3）利用水柱閉門的定輪閘門，水壓作用的主梁腹板宜在底部主輪以下。

（4）宜降低旁通管上閥門的過閥流速，減少閥門振動(dòng)破壞。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：

陶云冬 （1984-），男，工程師，工學(xué)碩士，主要從事水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安全鑒定與評(píng)價(jià)。