水電站升船機運行風險因素與對策分析

方元芳

（福建水口發電集團有限公司，福建福州 350004）

0 引言

水口水電站位于福建閩清縣境內的閩江干流下游，上游距離南平市94 km，下游距離福州市84 km。航運過壩建筑物位于樞紐右岸，設有一線3級船閘和一線垂直升船機。其中，2×500 t級垂直升船機于2004年底投用，具有過壩速度快、不耗水等優點。

水口升船機采用濕運全平衡鋼絲繩卷揚式垂直提升機型，承船廂通過鋼絲繩、卷筒及滑輪組與兩側平衡重相連，在主電氣傳動控制系統驅動牽引下實現垂直升降。為確保承船廂安全穩定運行，全平衡式升船機平衡系統配置有轉矩平衡重、可控平衡重和重力平衡重等3種平衡重，平衡重的總重量等于承船廂及其設備自重、額定水深時的水體重量之和，其中轉矩平衡重和可控平衡重的重量約為1.7倍承船廂內0.4 m誤載水體重量。

1 現狀與問題

1.1 下游水位持續下降

多年來，水口水電站受下游河道長年持續挖沙、上游河沙補給減少及下游河道受水流沖刷等多種因素影響，同流量下游水位持續下降。從2000年至2017年，為滿足通航要求，通航流量抬高至2800 m3/s，為原設計流量的9倍多，使滿足通航要求的壓力不斷加大。出庫流量的加大同時影響升船機上、下游水位變幅、水位變率和涌浪等，不同程度地影響船只在進出船廂過程中承船廂的水深度。因此，通航流量的抬高加大了船閘及升船機的通航安全風險，為此，水口升船機在現行條件下增加電站出口流量，對升船機的安全運行沒能起到積極有效的作用。

1.2 水位與流量關系

水口電站下游河道水位下切每年各不相同，甚至一年比一年惡化。為更好地分析電站下泄基荷流量相應的相對準確現狀水位，根據實測與調查水位與相應水口出庫流量及實測斷面分析，繪制北溪壩址水尺斷面水位流量關系曲線（圖1）。水口水電站單臺機組設計最大流量467.7 m3/s，最小流量196 m3/s，嵩灘埔單臺機組額定流量50.5 m3/s。

從前期水口電站壩下不同位置天然水位—流量關系曲線、單站平均水位年統計表及北溪下壩線水位流量關系曲線可以看出，水口壩下及下游壩壩軸線位置相應水口水電站出庫流量下游下切水位變化較大，其中7臺機組滿發，2臺機組甩負荷下游水位下降約1 m；7臺機組滿發，4臺機組甩負荷下游水位下降約2 m。

圖1 北溪壩址水尺斷面水位流量關系曲線

隨著時間的推移，河床的沖沙不斷惡化而上游又不能提供很好地補給，將直接導致下游水位變率加大，為此，可以推斷現階段升船機下游出口水位受河床斷面等因素影響，其實際水位變化不會比下游壩址位置水位變率小。

1.3 升船機下游水位降幅實時檢驗試驗

鑒于水口水電站因下游河床下切造成的水口水電站下游及升船機引航道水位、流量已發生很大變化，直接威脅到升船機的安全運行，特別是水位變率加快，可能導致船廂傾覆事故危及人身安全，曾就7臺機組滿發通航時，按突發設備事故，2臺機組甩負荷，出力驟降，進行升船機下游水位降幅實時檢測試驗（發電機組負荷變化曲線見圖2，升船機下游水位降幅曲線見圖3，水位降幅曲線橫坐標設定為某一時間為零點）。從試驗及水位降幅曲線可以看出，機組調降負荷開始約2 min，升船機下游引航道水位開始下降，其中：約過4 min升船機下游引航道水位下降約41 cm；約過5 min升船機下游引航道水位下降46 cm；約過15 min升船機下游引航道水位下降55 cm；約過29 min后升船機下游引航道水位下降69 cm；以上數據為模擬工況下測量所得，若遇機組實際保護動作切機甩負荷，升船機下游引航道水位變幅可能會更快。

圖2 發電機組負荷變化曲線

圖3 升船機下游水位降幅曲線

升船機在下游對接工況下的對接停留時間約為15 min，顯然，在當前下游河道斷面發生極大變化的情況下，特別是機組滿發時，一旦2臺機組突然發生故障時，升船機下游引航道15 min內水位降幅已大大超出了升船機原設計要求的船廂最大允許誤載水深±0.4 m，下游引航道水位下降變率也遠超原設計要求的0.5 m/h。盡管發生上述事故的概率極小，但由于上述事故的隨機性，對升船機安全運行的影響程度目前尚不可預測。

水口水電站升船機目前實際情況是一方面在升船機下游特定水位區域，通航時需要7臺機組滿發的流量才能使下游水位滿足通航要求；另一方面由于下游水位的下切，7臺機滿發時如遇2臺或4臺機甩負荷事故，升船機下游引航道水位下降速率將大大超出升船機設計值，給升船機的安全運行帶來一定的風險。

2 措施及對策

（1）根據升船機集中控制室已有電站負荷顯示，在電站調峰運行期末，升船機應盡量避開下游對接運行。

（2）升船機監控系統中，對承船廂與下游擋水閘門對接時段，一旦電站機組發生故障時，增加緊急關閉承船廂下游臥倒閘門的程序。其與原設計的“當航道實時水位下降0.3 m時，將隨即啟動承船廂下游臥倒閘門關閉程序”的差異在于緊急關閉承船廂臥倒閘門的指令是根據電站機組的故障情況，而不是根據下游航道實時水位條件。

（3）承船廂下游臥倒閘門啟閉機在下游對接時段，液壓泵組在完成各項操作后應運行在卸荷狀態而不停機，另外現地增設手動緊急關門操作開關，以便在航道水位出現驟降時，現地能緊急關閉臥倒閘門，防止承船廂內水體快速流失。因此，承船廂上必須有運行值班人員，承擔現場指揮和操作任務。

（4）調整承船廂下行運行時的廂內水深允許偏差始終為正的最大值。

（5）承船廂對接工況的最大負水深允許誤差是誘發承船廂縱向傾覆的主要因素，在當前的下游水位運行情況下，最大限度地增加最大負水深允許誤差，使承船廂在下游對接運行時段一旦遇到水位驟降，能有一定的時間以完成船舶駛離門區和關閉承船廂下游通航閘門的操作。

（6）增加承船廂與閘首對接工況的最大允許誤載水深的同時，為不改變升船機主提升容量，同時滿足升船機全平衡條件，可調整平衡系統平衡重的配置，也即增加轉矩平衡重和可控平衡重重量，以提高承船廂抗縱向傾覆的能力。

（7）增加承船廂與閘首對接工況的最大允許誤載水深及增加轉矩平衡重和可控平衡重重量的同時，應相應對升船機安全制動器進行改造，提高安全制動系統的制動力矩，以滿足升船機轉矩平衡重和可控平衡重重量增加后的制動要求。

（8）對承船廂的撐緊裝置進行改造，適當提高撐緊力，以提高承船廂處于與上、下游擋水閘門對接工況時的垂直支承阻力，從而提高承船廂的抗縱向傾覆能力。

（9）修訂升船機下游對接時下游水位突降事故現場應急處理方案，并加強應急處置演練。

3 結語

升船機承船廂水位穩定是升船機安全運行重要因素,特別是與下游對接時下游水位突降將引發不可逆的重大事故,要通過現場應急處置的提升及通過設備有針對性升級來提升安全系數,確保安全運行。