深圳抽水蓄能電站上水庫進/出水口攔污柵設計

李珍祥

(廣東省水利電力規劃勘測設計研究院,廣東 廣州 510635)

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深圳抽水蓄能電站上水庫進/出水口攔污柵設計

李珍祥

(廣東省水利電力規劃勘測設計研究院,廣東 廣州 510635)

抽水蓄能電站的水道布置較為復雜,理想的進水口布置形式常受到輸水道條件、擴散段體型等諸多因素的影響和限制。深圳抽水蓄能電站上庫進/出水口的攔污柵的布置方式為將柵槽一側軌道做成斜面,對應的攔污柵支承滑塊與之保持對應的斜率,確保攔污柵放置入柵槽后柵葉上的支承滑塊與柵槽的軌道面之間沒有間隙的半固定式布置方式。實踐證明,該布置方式可以有效限制欄污柵在柵槽中的振動,并且可以確保攔污柵的檢修條件。

攔污柵設計；蓄能電站

1 工程概況

深圳抽水蓄能電站(下文中簡稱“深蓄”)位于廣東省深圳市,本工程樞紐建筑物主要有上水庫、下水庫、輸水系統、廠房系統和廠內永久公路等五大部分。上庫正常蓄水位為526.81 m,死水位為502.00 m,調節庫容為825.24萬m3。下庫正常蓄水位為80.00 m,死水位為60.00 m,調節庫容為1 625.24萬m3,其中發電調節庫容為825.24萬m3,供水調節庫容為800萬m3。本電站服務于廣東省電網,主要送電方向為深圳市，裝機容量為1 200 MW,平均水頭為448.30 m。

2 抽水蓄能電站進/出水口攔污柵的特點

攔污柵的布置是否合理直接影響到建筑物和攔污柵自身的安全運行,如果布置不合理會造成很大的損失經濟上和帶來運行管理的不便。常規電站、泵站的攔污柵僅承受單向水流作用,攔污柵通常不會因為水流的變化而產生振動。常規的電站或泵站在運行時僅有一種水流方向,抽水蓄能電站發電工況下的水流方向與抽水工況下的水流方向相反,且兩種工況頻繁交替變化。抽水蓄能電站攔污柵在頻繁交替變化的水流作用下常會出現振動的情況,柵葉也會由于振動疲勞等原因發生破壞。雙向水流問題對攔污柵的正常使用影響至關重要。根據國內外同行的多年設計經驗,通常采用在水工布置時采用合理的水工建筑物結構形式可有效防止攔污柵有害振動的產生。通常情況下,抽水蓄能電站的水道布置較為復雜,受到輸水道條件、擴散段體型等諸多因素的影響和限制,很難設計出理想的水工建筑物體形。為解決攔污柵振動問題,有些電站也采用固定攔污柵的布置形式,但是固定攔污柵有著明顯的檢修維護困難的缺點。因為抽水蓄能電站有抽水和發電工況下進/出水口具有不同的水流方向,與之對應的攔污柵工作條件復雜,目前還沒有一套成熟的攔污柵設計理論。

3 深蓄上庫進/出水口攔污柵設計

3.1 總體布置

深蓄上庫位于植被覆蓋良好、污物較少的地區,且集雨面積很小,年徑流量亦很小,下庫是當地飲用水源水庫,又都處在風景區,植被良好,污物較少,故而為盡量避免污物進入進水口威脅攔污柵的安全和水泵水輪機的安全運行,結合地形等有利條件,在上庫的進/出水口各設置1道攔污柵。且其進/出水口位于深水之下,其攔污柵受冰凍和污物堵塞的機會相對較少,不考慮設置機械清污設備；攔污柵在立面上亦可采用垂直布置形式,以達到縮短進水口建筑物的長度,減少建筑物的投資的效果。上庫進/出水口攔污柵布置于喇叭口最前端,共4孔,孔口尺寸均為8.5 m×14.75 m(寬×高,下同),每孔攔污柵分6節,每節高2.54 m。為方便安裝、檢修及更換,攔污柵型式采用活動格柵,雙向減震滑塊支承,結構按5 m水頭設計,靜水啟閉,并設置清污平臺。另外,參考國內已建同類工程經驗,攔污柵檢修的機會比較少,故未設置永久起吊設備,只是將其檢修平臺設在死水位以上,必要時可在檢修平臺上采用臨時設備起吊[1]。柵葉布置形式見圖1。

圖1 柵葉結構布置示意

3.2 設計中的關鍵問題

1) 柵葉與柵槽的配合

攔污柵的振動是抽水蓄能電站不可回避的問題,也是影響攔污柵正常使用的關鍵問題。雖然通過采用地腳螺栓將攔污柵柵葉與柵槽剛性連接在一起的固定式攔污柵可以有效避免振動的產生,但是在出現事故或需要檢修時極為不方便,此種布置形式不是很理想。為了避免攔污柵因水流方向改變而產生振動,同時滿足攔污柵的檢修要求,深蓄上庫進/出水口攔污柵在布置時將柵槽一側軌道做成150∶1的斜面,對應的攔污柵支承滑塊與之保持對應的斜率,確保攔污柵放置入柵槽后柵葉上的支承滑塊與柵槽的軌道面之間沒有間隙的半固定式布置方式。在安裝時,根據實際測量數據,采用1 mm厚的滑塊墊板調整滑塊高度,使攔污柵在重力的作用下能與柵槽緊密接觸,將攔污柵半固定于柵槽中,該種布置形式既可有效避免柵葉在柵槽內產生振動,又方便將柵葉提出孔口來維修、更換。抽水蓄能電站攔污柵較為常見的支承滑塊的形式有自潤滑材料滑塊和鑄鐵滑塊兩種。就鑄鐵滑塊而言,其成本低,但是摩擦系數大,攔污柵所需的啟吊力較大；而自潤滑材料滑塊成本相對鑄鐵滑塊略高,但是其摩擦系數小,攔污柵所需的啟吊力亦較小。深蓄上庫進/出水口攔污柵與柵槽之間采用半固定的楔型安裝方式,滑塊與柵槽軌道之間未留間隙。由于制造偏差或安裝誤差等原因,在吊起攔污柵時,攔污柵的柵葉與柵槽之間可能出現卡鎖狀態,該狀態可能會導致攔污柵所需啟吊力的增加。鑒于以上原因,深蓄上庫進/出水口攔污柵所用支承滑塊采用自潤滑材料滑塊[2]。

2) 柵葉的主要結構形式

攔污柵柵葉是由柵條、主梁、邊梁、導流板及隔板組成。為保證攔污柵的整體剛度,同時也簡化制造攔污柵的工藝流程,柵葉選用焊接結構,將主梁與邊梁等高焊接,柵條及導流板焊接于主梁上,支承隔板焊接固定于柵條之間。這種結構形式的在工程實踐中較常用。根據滿足雙向水流、減少水阻力的原則,深蓄上庫進/出水口攔污柵盡可能的采用近似流線的體形。為減小流經攔污柵時的水頭損失和水流引發的激振,深蓄上庫進/出水口攔污柵設計時,其主梁采用雙腹板截面,并在主梁翼板上焊接導流板(如附圖2所示)。

圖2 主橫梁結構型式示意

3) 柵條間距選擇

攔污柵的柵條間距不宜過大,過大則易通過有害物質；其間距也不宜過小,過小則會加大水頭損失。深蓄水輪機轉輪直徑D1=4.16 m,機組為混流式機組,根據《泵站設計規范》(GB 50265—2010)和《水利水電工程機電設計技術規范》(SL 511—2011)中軸流泵對應攔污柵柵條凈距取0.05倍水泵葉輪直徑,混流泵和離心泵對應攔污柵柵條凈距取0.03倍水泵葉輪直徑[3],對于軸流式和貫流式水輪機對應攔污柵柵條凈距按(120～130)D1計算(D1為輪輪機的轉輪直徑,下同),對于混流式水輪機對應攔污柵柵條凈距按(120～130)D1計算；且柵條最小凈距不宜小于50 mm,最大凈距不宜大于250 mm的要求[4],結合孔口尺寸和結構布置,確定攔污柵柵條凈距取為131 mm。

4) 柵條振動計算

從相關實驗可知,當水流流經類似于柵條等柱狀構件,并且對應的雷諾數數值增大到一定程度后,會有相當大范圍明顯的分離區在柱狀構件的尾部將出現,并伴有兩個旋轉方向相反的漩渦交替脫落、 又交替出現于構件尾部,進而引起水流激振和使構件振動。深蓄上庫進/出水口攔污柵布置于水流方向隨抽水和發電工況變化而變化的進/出水口,由于攔污柵的結構特點柵條垂直于水流方向的剛度較小,當過柵流速增大到某一范圍時,柵條尾部將出現交替的渦流脫落,往往會橫向產生共振而導致柵條破壞。攔污柵的破壞主要是由于單根柵條在垂直于水流方向上產生共振,所以應特別注意水流對柵條橫向的作用力頻率跟單根柵條的橫向作用力頻率的相互關系。雖然在順水流方向同樣存在由水流作用力,但是由于柵條順流向的剛度大, 固有頻率也高,一般情況下可不再另行計算[5]。

柵條的共振通常取決于過柵流速和攔污柵的結構形式(柵條截面形式、柵條間距、柵條之間的相互連接方式、柵條與框架的連接方式等)。通過改變攔污柵的結構形式使作用在柵條上的作用力頻率比柵條固有頻率出現較大的差距,可以有效減小產生共振的可能性,從而保證柵條在動荷載作用時的穩定性[6]。

渦流脫落產生的干擾頻率按式(1)計算：

(1)

式中 f為渦流脫落產生的干擾頻率,Hz；v為過柵流速,mm/s,有試驗時為實測最大過柵凈流速,否則采用2.25倍平均過柵流速；δ為柵條斷面厚度,mm；Sr為斯特勞哈爾數,無量綱系數,當迎水面為矩形時,宜采用0.19～0.23,流速大、高厚比大都取大值。

單根柵條的固有振動頻率按式(2)計算：

(2)

柵條在水中的有效重量按式3計算：

(3)

其中

V=1hδ

(4)

式中 W為柵條在水中的有效重量,N；V為柵條支點間的體積,mm3；Ws為柵條材料的容重,N/mm3；b為柵條凈距,mm；W0為水的容重,N/mm3；h為柵條斷面高度,mm。

按式(1)～(3)計算,深蓄上庫進/出水口攔污柵渦流脫落產生的干擾頻率為0.01Hz,單根柵條的固有振動頻率為0.46Hz。

(5)

渦流脫落產生的干擾頻率與單根柵條的固有振動頻率有較大的差別,攔污柵在運行過程過不會出現共振的情況。

4 結語

文章結合抽水蓄能電站攔污柵需要承受抽水和發電兩種工況下的雙向水流作用的工作特點,對深圳抽水蓄能電站上庫進/出水口的攔污柵設計進行了介紹。認為,在抽水蓄能電站攔污柵設計時,柵葉結構宜按5 m水頭進行設計；為有效避免柵葉在柵槽內振動,同時方便安裝、檢修及更換,攔污柵柵槽宜做成楔形,柵葉宜采用雙向減震滑塊支承形式的活動格柵,以應的滑塊宜采用自潤滑材料滑塊；抽水蓄能電站庫區通常植被覆蓋良好、污物較少的地區,且集雨面積很小,年徑流量亦很小,攔污柵受污物堵塞的機會相對較少,可以不考慮設置機械清污設備；參考國內已建同類工程經驗,攔污柵檢修的機會比較少,臨時設備起吊即可。在進行抽水蓄能電站攔污柵設計時,應根據過柵流速選擇合理的柵條截面形式、柵條間距、柵條之間的相互連接方式、柵條與框架的連接方式以使柵條在水流作用下的振動頻率與柵條固有頻率有較大的差距,避免共振發生,保證柵條在動荷載作用時的穩定性。

[1] 肖段龍,張巍.清遠抽水蓄能電站上庫進出水口攔污柵吊裝方案設計[J].廣東水利水電, 2014(2)：70-72．

[2] 李大偉,周兵.白山抽水蓄能電站攔污柵設計[J].東北水利水電, 2010(5)：11-12．

[3] 泵站設計規范：GB 50265—2010[S]．

[4] 水利水電工程機電設計技術規范：SL 511—2011[S]．

[5] 國家電力公司華東勘測設計研究院金屬結構所.天荒坪抽水蓄能電站上、下庫進/出水口攔污柵設計[J].華東水電技術, 2000(2)：227-29，245．

[6] 水利水電工程鋼閘門設計規范：SL 74—2013[S]．

(本文責任編輯 馬克俊)

Trash Rack Design of the Inlet/outlet Reservoir in Shenzhen Pumped Storage Power Station

LI Zhenxiang

(Guangdong Hydropower Planning &Design Institute, Guangzhou 510635,China)

Channel arrangement of pumped-storage power station is relatively complex, so the ideal water inlet arrangement type often is limited to two conditions. Design of diffusion section shape also has many limitations. The track of the trash rack in Shenzhen pumped storage power station is designed as slopes, and also kept the supporting slider of the trash rack to fit with the track to make sure the trash rack was semi-fixed in the channels. Practice has proved that this placement take effective at limiting the vibration of trash rack, and also kept the maintenance condition of the trash rack.

trash rack design; pumped storage power station

2016-03-31;

2016-04-19

李珍祥(1986),男,本科,工程師,從事水工金屬結構設計工作。

TV732+.2

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1008-0112(2016)03-0053-03