烏江泵站大型拍門斷流裝置改造分析

陳開金　方寶平　劉曉盼

【摘要】本文針對烏江泵站多扉式拍門存在的主要問題及其原因進行了分析，根據實際情況對拍門改造方案進行比選，確定結合主水泵改造，采用大口徑節能型側翻式拍門，介紹了節能型側翻式拍門主要結構、技術特點、改造安裝及改造后的初步運行情況。

【關鍵詞】多扉式拍門；大口徑節能型側翻式拍門；改造安裝

Analysis of Renovation of Large-scale Flap Breakage Device in Wujiang Pumping Station

CHEN Kaijin， FANG Baoping，LIU xiaopan

Citation River Project of Simashan Administrative Division of Anhui Province ， Maanshan 238251， China

Abstract：there are main problems and reasons of many leaf type door of wujiang river pumping station renovation was analyzed in this paper， and according to the actual situation of flap valve reconstruction scheme comparison， combining with the main pump is determined， using large diameter energy-saving rollover type door， this paper introduces the energy-saving rollover type flap valve reconstruction of main structure， technical characteristics， installation and after the initial operation.

Key words：The multi-title type pats the door； Large caliber energy saving type side flip door； Modify installation

引言

拍門是泵站工程中主要的斷流裝置，由于工作簡單、維修方便、節省投資、便于啟動，從在上個世紀六十年代開始廣泛運用，但是泵站拍門斷流也存在兩大缺陷：一是出口損失偏大；二是停機時在水壓和拍門自重作用下產生較大的撞擊力，對拍門本身和水工建筑物會造成較大的危害。本文以烏江泵站為例，為解決該泵站出口損失和撞擊力過大的問題，對該泵站水泵機組斷流裝置多扉式拍門斷流方式進行研究改造。

1、存在的主要問題及原因分析

1.1 存在的主要問題

烏江泵站是駟馬山灌區首級提水泵站，始建于1969年，設計裝機10臺，目前裝機6臺，單機容量1600kW，水泵為2.8CJ-70立式全調節軸流泵，設計揚程5.62m，設計流量21.0m3/s。烏江泵站每臺機組有兩個出水口，尺寸為2650×2700mm2，出水口中間有一400mm厚的橫梁，把出水口分成四個2650×1150mm2的孔（見圖1），每孔安裝兩個球墨鑄鐵門座（門座結合面用螺栓連接，一次安裝），每個門座安裝旋啟式1350×1250×200mm3鋼板浮箱拍門一只，每臺機組計有拍門8只，拍門在水中的比重為1.1。運行中主要存在以下問題：

1）機組運行時流道出口流速不均，出水流態紊亂，拍門受到水流的不均勻沖擊、振動較大，經常出現鉸座螺絲松動、疲勞斷裂，門體斜掛甚至出現被沖走的情況，導致停機時回水使機組發生倒轉，影響到機組的安全運行。

2）拍門開啟角度小，水力損失大。1978年駟馬山引江工程管理處對烏江抽水站拍門進行實測試驗，8扇拍門中最大開啟角度為70°，最小為45°。拍門在水中自由浮動與固定掛起比較，效率低約0.5%～3%。

3）拍門關閉時沖擊力較大，故障頻繁，檢修不便，門體及鐵附件銹蝕嚴重，日常維護費用高。

1.2 原因分析

根據多年的拍門實際運行情況，結合國內公開發表的一些技術文獻、著作進行分析、研究，主要原因有以下幾個方面：

1）由于軸流泵出流環量與出水彎管二次流的雙重作用，出水管內為復雜的螺旋流，整個出水管內水流都具有較大的環量，斷面軸向流速分布極不均勻。從平時機組運行情況來看，順水流方向左側出水孔流量較大，拍門張角大，右側出水孔流量較小，拍門張角小。

2）由于出水流道較短，水泵出口環量造成的流速不均未能在出水流道內得到充分調整，以致水流在沖開拍門后突然擴散，在拍門內外側發生水平方向和垂直方向的漩滾，出口水流擴散沖擊到胸墻（拍門水平中心線到胸墻的距離為1.5m），反射的水流又撞擊閘門，增強了水流漩滾的強度。拍門在漩滾水流的作用下產生振動與扭轉，在這種扭振慣性力長時間的作用下，鉸座螺絲等受力部件產生疲勞變形甚至斷裂。烏江泵站拍門較多，橫梁、門框阻水嚴重，加劇了出水水流的紊亂程度。

3）拍門關閉時過大的沖擊力使得拍門及其受力部件疲勞變形加劇，拍門的工作和受力條件與設計條件偏離越來越大，并呈現惡性循環關系，加速了拍門損壞的速度。

4）軸承孔與銷軸間隙較大，軸承材料為球墨鑄鐵，易銹蝕、磨損，隨著運行時間延長，軸承間隙越來越大，加劇了拍門振動與扭轉。

5）門框、鉸座及拐臂等部件采用球墨鑄鐵，檢修、加工困難，門體采用A3鋼板焊制，采用普通防腐涂料，防腐蝕效果差。

2、改造方案選擇

2.1 方案比選

對于直管岀流的泵站，目前斷流方式主要有快速閘門斷流、液控蝶閥斷流和拍門斷流三種。下面綜合各方案的優缺點，進行方案必選：

1）快速閘門斷流。烏江泵站每臺機組設有2扇出口檢修門，2003年將其改成液壓快速閘門，并增設了一套液壓啟閉系統，從運行的情況看，該系統啟閉速度慢，無法做到快速斷流。

2）液控蝶閥斷流。不僅具有施工容易，土建工程量小等直管式流道的所有優點，而且具有水頭損失小（運行時液控蝶閥全開），效率較高，運行費用低；液控蝶閥結構簡單，安全可靠，檢修容易，關閉時撞擊力小，但烏江泵站出水池空間狹小，如安裝布置液控蝶閥需進行大量的水工建筑物改造，這顯然是不現實的，且該設備價格昂貴，故該方案也不適用。

3）拍門斷流。在駟馬山灌區工程中，烏江泵站采用多扉式拍門。滁河一級站采用帶緩沖裝置的大型空心拍門，存在拍門開啟角度小，關閉時撞擊力大，緩沖裝置容易失效等。滁河二級站采用雙節拍門，雙節拍門有浮箱式和液壓操作式，浮箱式拍門阻力大，開啟角度小，關閉時撞擊力大，下節拍門在水中抖動厲害，運行中存在的問題也比較多，液壓操作拍門投資較大，且液壓部件故障率高。

4）節能型側翻式拍門。近年來在中小型泵站應用較多，主要利用門瓣傾斜，門重的部分分力作為閉門的動力。自由側翻式拍門的結構簡單，無附加設備，便于改造安裝。

2.2 節能型側翻式拍門主要結構及技術特點

節能型側翻式拍門結構與普通拍門類似，即由閥瓣（門瓣）、鉸軸、門框和密封件組成，門瓣通過鉸軸安裝在門框上，靠橡膠密封止水。大型拍門根據需要還設有緩沖器。根據力學原理，將門瓣鉸軸豎向布置，并向內傾斜一定角度，利用門瓣的自重水平分力作為閉門動力，以達到減小拍門開啟阻力和自動閉門的目的（見圖2）。節能型側翻式拍門主要有以下幾個方面的技術特點：

1）安全穩定，節能高效。阻力系數小于0.1，水頭損失0.04m，拍門開啟角度可達到80°以上，消除了出水產生的漩渦。

2）結構簡單可靠，拍門啟閉自如。不僅撞擊力小，而且消除了水錘。

3）設計水頭15m以上的拍門，只需要增加一種簡單可靠、無需人工操作的無極調速緩沖裝置，即可達到拍門快開緩閉，運行安全可靠，又能消除撞擊力和水錘的目的。

4）拍門主體為碳鋼材料，鉸軸為不銹鋼材料加碳鋼，軸套為石墨基體的鑲嵌式銅合金自潤滑軸承，配合偶件不會生銹，使用壽命可達30年以上。

經過多次現場勘測，并對其主要性能進行了論證，采用大口徑節能型側翻式拍門改造，可保持出水流道結構和過流斷面基本不變，改造工程量小，能夠保證出水流道平滑過渡。

3、大口徑節能型側翻式拍門改造安裝

3.1 出水口改造施工

本次改造每臺機組選用2套2900×2200mm2（拍門孔口面積）對開式側翻拍門，與原出水孔口有差異，需要對出水口進行改造，除需要鑿除橫梁外，還需在流道側墻澆筑部分二期鋼筋砼，保證側翻拍門孔口與原出水流道平滑過渡。

1）老混凝土鑿除尺寸應嚴格按照圖紙進行，確保二期混凝土有足夠的斷面尺寸和體積。新老混凝土結合面需要鑿毛處理，錨筋應嚴格按照圖紙規定的規格尺寸和數量施工，混凝土標號嚴格按照設計要求控制，確保二期混凝土有足夠的強度。

2）拍門二期砼澆筑時要保證通氣孔暢通，斷面尺寸與原狀相同。

3.2 拍門改造

3.2.1 老拍門拆除

1）老拍門拆除過程中，應使用人工風鎬拆除，嚴禁使用大型破除機械進行破壞性拆除，以免出水流道混凝土結構遭受破壞。

2）拆除后老混凝土中的主筋應露出足夠的長度，確保與錨筋、新拍門有足夠的焊接長度。

3）由于施工場地狹小、封閉，施工過程中產生的煙塵不易排出，應采取強排措施，加強空氣流通，并做好其他安全防護措施，施工垃圾應清理外運，嚴禁將施工垃圾倒入機組流道中。

3.2.2 新拍門安裝

拍門門框的錨筋每套36個，四周均布，與原混凝土中的鋼筋焊牢，拍門安裝應在廠家的指導下進行。

1）起吊。拍門起吊前應確認門葉已經固定牢靠，防止起吊時門葉打開與周圍物體發生碰撞。拍門起吊時將鋼絲繩安裝在門框的吊環上，根據拍門的自重選擇汽吊進行吊裝。

2）定位。拍門門座（門框）面靠攏木模，底部放在底檻支撐座上，拍門錨筋與老混凝土露出的鋼筋搭住點焊，同時兩側面打吊線確定好傾斜角度，兩側面傾斜角度誤差不超過0.5°，底部用水平測量儀調水平，保證拍門門框底部與出水口孔口底部在同一平面上，誤差控制在4mm。

3）加固。定位無誤后，拍門錨筋與老混凝土鋼筋、拍門門座以及底檻支撐座與拍門等所有連接處焊接牢固，為防止焊接過程中形變，應采用對稱焊接，并隨時復測拍門傾斜角度和水平度，及時調整。

4、初步運行情況

從2013年7月10日5#機組安裝完工后，各改造機組陸續投入運行，運行情況良好。2014年12月8日完成全部6臺機組啟動驗收后，又陸續投入抗旱運行，至2016年8月30日，結合抗旱抽水，6臺新改造機組共啟動機組31次，累計運行996.5臺時，抽水約8280萬m3（見表1）。

改造后的拍門運行正常，停機時拍門4扇門葉先后關閉，關閉撞擊聲音正常，其中6#機組停機時最大凈揚程達6.5m。

圖3是6#機組2013年11月10日16時出水池運行情況，由于拍門淹沒在水面以下，無法觀察到其運行情況，從出水池運行聲音判斷，無拍門撞擊聲。

圖4是8#機組停機后于2014年1月16日15時出水池檢查情況，8#機組于2014年1月13日16時停機，液壓檢修門即時關閉，機組停機時上游水位約為8.5m，出水池檢修平臺高程8.50m，基本上出水池水位與抽水站上游河道水位持平，水面平靜，無漩渦，無水流聲音，說明拍門關閉可靠，密封良好。

結論：

本文根據該泵站工程實際進行充分分析論證，節能型側翻式拍門是一項創新型的拍門斷流技術，目前在中小型泵站中得到了廣泛應用，但在大型泵站改造中尚不多見，從本次改造后初步運行情況來看，取得了較好的效果，對大型低揚程泵站拍門斷流裝置改造有一定的借鑒作用，具有一定的推廣應用意義。

參考文獻：

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