蘇阿皮蒂水電站工程啟閉機械技術特點綜述

黃河勘測規劃設計研究院有限公司 河南 鄭州 450003

1 工程概況

蘇阿皮蒂水利樞紐位于幾內亞孔庫雷河中游,距離首都科納克里市約135km,是孔庫雷河梯級開發中的第二級電站。工程涉及的金屬結構設備主要布置在泄洪底孔、電站和導流底孔,承擔泄洪、導流和電站引水的水流控制任務。全部設備包括平面鋼閘門17扇、攔污柵12扇、弧形閘門2扇、泄洪底孔鋼襯2套、液壓啟閉機6臺、固定卷揚式啟閉機4臺、壩頂門機1臺、清污抓斗1臺和尾水門機1臺。

2 啟閉機械布置設計

2.1 引水發電系統(地面廠房) 電站為壩后式電站,裝有4臺混流式水輪發電機組,發電洞進口依次設攔污柵、檢修閘門和快速閘門,尾水設置檢修閘門。

電站進水口布置1臺1600k N/320k N雙向門式啟閉機。主起升機構啟閉容量為1600k N,揚程61.0m,回轉吊啟閉容量為320k N,揚程75.0m。主起升機構主要用于操作電站進水口檢修閘門和電站進水口攔污柵,也可用于快速門液壓啟閉機的檢修。回轉吊主要用于操作清污抓斗以及壩面零星物品的吊運。門機還配有2套液壓自動掛脫梁。

電站進口快速門共4扇,采用一門一機布置,每臺液壓啟閉機的啟閉容量為2500k N/1000k N,行程6.8m,運用方式為動閉靜啟。機組發出事故信號時快速閉門,啟門時采用小開度提門充水平壓,收到平壓信號后閘門提升至全開位置。啟閉機為垂直固定式安裝。

廠房尾水布置1臺2x250k N單向門式啟閉機,用于操作廠房尾水檢修閘門。門機起升機構啟閉容量為2x250k N,揚程30.0m。門機還配有1套液壓自動掛脫梁。

2.2 導流系統 導流洞共4條,靠近廠房的2條為高位導流洞,靠近泄洪底孔的2條為低位導流洞。高位導流洞不設閘門,2臺固定卷揚式啟閉機用于啟閉低位導流封堵閘門,揚程分別為25m和87m,其中1臺揚程為25m的為臨時設備,導流洞封堵后就不再使用。另一臺揚程87m、啟閉力為2×3200k N的固定卷揚式啟閉機,在導流洞封堵后,會拆分為2臺啟閉力為3200k N的固定卷揚式啟閉機,用于泄洪底孔事故檢修門的啟閉。

2.3 泄洪系統 泄洪任務主要由2條泄洪底孔承擔,同時兼作水庫排沙任務。泄洪底孔的進口設事故檢修門,出口設弧形工作門,布置形式均為一門一機。事故檢修閘門采用導流洞拆下來的3200k N固定卷揚式啟閉機操作。弧形工作閘門采用液壓啟閉機操作,啟閉容量為3200k N/1000k N,行程6.8m,運行方式為動水啟閉,且有局部開啟要求。啟閉機形式為雙作用搖擺式。

3 主要技術特點

3.1 永臨結合固定卷揚式啟閉機 目前,國內外小型水電工程導流隧洞閘門一般采用臨時起吊設備操作,大中型水電工程導流洞閘門一般采用“一門一機”方案,即一臺固定卷揚啟閉機操作一扇封堵閘門[1]。傳統設計中,導流洞封堵后,啟閉機的使命也就完成,拆除后的啟閉機只能長期被閑置或當廢鐵處理,造成資源的浪費。

本工程導流洞封堵門的單吊點啟閉容量和泄洪底孔事故檢修門的啟閉容量相同,只是揚程不同,故可考慮兩處閘門共用同一啟閉機的方案,即先用一臺雙吊點啟閉機將導流洞封堵,然后再拆分為2臺單吊點啟閉機用于泄洪底孔事故檢修門的啟閉。這需要將2孔2×3200kN導流洞封堵門啟閉機的揚程分別按25m和87m設計,并將揚程高的啟閉機用于導流洞的封堵,之后拆分為2臺單吊點的啟閉機,移至泄洪底孔事故檢修門的啟閉機機房內,作為泄洪底孔事故檢修門的永久啟閉設備。

不同閘門共用啟閉機時需要注意兩個問題,一是鋼絲繩纏繞偏角要在兩個揚程情況下都能滿足規范要求,盡量讓第一層鋼絲繩纏繞能滿足25m揚程,單層纏繞許用偏角大,宜滿足要求,87m揚程多層纏繞;二是卷筒壁厚要能滿足87m多層纏繞時的強度和穩定性要求。

3.2 壩頂門式啟閉機設計布置 電站廠房共裝有4臺混流式水輪發電機組,每條發電洞進口依次設攔污柵、檢修閘門和快速閘門(見圖1),每條發電洞的進口前端設3道攔污柵,12套攔污柵在下游相互連通。4扇電站進口快速門利用4臺液壓啟閉機啟閉。而1扇檢修閘門、12套攔污柵的啟閉,以及攔污柵的清污和快速門液壓啟閉機的檢修均需要門式啟閉機來操作。由于需要起吊的設備種類較多,設計中對門式啟閉機的設計布置進行了多方案比選。

方案一為并行雙門機方案,即在壩頂平行布置兩臺小跨度的門式啟閉機,一臺用于起吊檢修門和快速門液壓啟閉機的維護,另一臺專用于起吊攔污柵和柵前清污。但由于受壩面空間限制,布置兩臺門機困難較大。

方案二為單門機雙小車方案,即在壩面設置一臺大跨度的帶有兩個起升小車的門式啟閉機,其作業面可覆蓋所有閘門起吊、攔污柵起吊和清污以及快速門液壓啟閉機的檢修維護。其中,兩個小車一主一副,主小車起吊檢修門及檢修液壓啟閉機,副小車起吊攔污柵。

方案三為單門機單小車方案。門機只設置一個小車,起吊檢修門、攔污柵及液壓啟閉機檢修和柵前清污等均由此小車完成。

方案一由于為雙門機,造價較高,且受壩面空間限制,為避免門機相互干擾,必須縮窄前面一臺門機的軌距,導致門機運行時側向不穩定,存在一定安全風險。為消除這種風險,需在門機上增加配重和采取其他防傾覆措施,這將進一步加大設備生產成本和后期維護成本。方案二優點是主、副小車各司其職,運行效率高,缺點是造價高,且需要設置防止主、副小車碰撞的安全裝置。方案三優點是結構簡單,造價相對較低,后期運行、維護和管理都較簡便,缺點是當起吊檢修門或檢修油缸時,不能進行清污作業。考慮到檢修門使用頻率和液壓啟閉機的檢修頻率都比較低,通過合理安排,不會影響整個工程的正常運行。因此推薦采用方案三。

選擇一臺門式啟閉機且設置一個小車,需要注意以下問題:1.小車起升機構揚程需能滿足所有起吊設備的最高揚程;2.小車起升機構的啟閉荷載需能滿足所有起吊設備的最大荷載;3.由于起吊攔污柵,小車運行至門架懸臂端,故需考慮最不利條件下門機的抗傾覆穩定性問題[2];4.起吊不同的閘門需配置好相應的液壓自動抓梁[3]。

圖1 電站進口金屬結構設備布置圖

由于此門機還兼有清污功能,故需設置回轉吊,配置清污抓斗,常規門機在靠近攔污柵一側的兩條門腿選一條安裝回轉吊。本電站進口攔污柵共十二扇,柵前均需清污,運行頻率高,且由于軌道長度的限制,若只安裝一個回轉吊,總會發生門機運行至某一端軌道盡頭時,在門機一側門腿設置的回轉吊不能清理最端頭的攔污柵,故在門機上游兩腿外側各設一套回轉吊,從而能夠清理軌道兩端盡頭的柵前污物,設置雙回轉吊后,運行效率也相應提升。

3.3 電站進口快速門液壓啟閉機布置 電站進口快速門通過液壓啟閉機啟閉,對于快速門要求出現事故時,能夠快速下門,這就要求液壓油能夠及時補給。常規的快速門液壓啟閉機,油箱與液壓啟閉機機座布置在同一平臺,然后在油缸上部端頭布置補油箱,從而能夠滿足快速閉門時的補油。

本工程對此種布置方式進行了改進。液壓啟閉機機架和控制閥組布置在171m高程平臺,泵站及油箱布置在210.5m高程平臺(見圖1),由于泵站高于啟閉機39.5m,具有很大的勢能,所以啟閉機不再設置補油箱,同時控制閥組和啟閉機在一個高程,可以實現快速補油。而且由于壩面高程為215.5m,啟閉機高程為171m,按照常規布置,操作啟閉機需要從壩面下到171m高程,高度達44.5m,為此需要設置樓梯和電梯等,造價高,操作時間較長。改進后的布置,人員只需從壩面到210.5m高程,共5m,人員操作非常方便,且把油箱和泵組放在上部平臺,利于防潮。

3.4 啟閉設備的檢修 國內早期建設的一些工程中,由于受當時經濟條件的限制,對啟閉設備的后期維護不夠重視,一些啟閉機機房往往不考慮設置永久檢修設備。近年來,在一些涉外工程中,外國咨詢工程師對此問題較為重視,都要求為啟閉設備考慮設置永久檢修設備。

本工程,在設計之初,就充分考慮啟閉設備的檢修。對于前節介紹的雙向門式啟閉機,在跨度內就考慮了液壓啟閉機的檢修,門機機房內設有電動單梁橋式起重機,便于機房內設備的檢修。對于泄洪底孔,給起吊事故門的3200k N固卷搭建了啟閉機房,并在啟閉機上方設置了移動式電動葫蘆用于檢修固卷的部件;對于起吊底孔工作弧門的3200/1000k N液壓啟閉機,在其上方布置了檢修橋機,便于液壓啟閉機的檢修。尾水單向門機機房內同樣設置了電動單梁橋式起重機。對于啟閉機設備在設計之初充分考慮檢修設備,便于設備的后期檢修與維護,大大提高了后期工程移交業主后的管理效率,對以后的國內外工程有借鑒價值。

4 結語

蘇阿皮蒂水電站工程啟閉機械種類齊全,囊括了雙向門式啟閉機、單向門式啟閉機、固定卷揚式啟閉機、液壓啟閉機和清污機以及液壓掛脫梁。在設計時,充分考慮水工建筑物及閘門的布置特點,合理并創新的布置這些啟閉設備,并充分考慮后期的檢修維護,從而提高了設備運行性能和安全度,同時也節約了啟閉機設備造價,為整個工程的安全運行奠定了堅實的基礎。