X型流道雙向泵站閘門操作運行及設計要點

邸南思，丁 聰

（上海勘測設計研究院有限公司，上海 200434）

1 工程概況

界牌水利樞紐位于江蘇省新孟河入長江的交匯處，是新孟河延伸拓浚工程重要的引、排水口門，斜向與大夾江交匯，河道中心線與江堤的夾角約為57.8°。主要建筑物由閘孔總凈寬80 m節制閘（5孔）、300 m3/s雙向泵站及Ⅵ級船閘（180.0 m×16.0 m×3.0 m）組成。主體建筑物（船閘外閘首、節制閘、泵站）在垂直水流方向按照一字型并列布置，總長度約240 m。節制閘中心線與新孟河河道中心線重合，節制閘布置在中間，船閘布置在西岸，泵站布置在東岸。

泵站總設計流量300 m3/s，裝設9臺3450ZLKQ 33.4-2.75型開敞式液壓全調節立式軸流泵，單泵設計流量33.4 m3/s，葉輪直徑3450 mm，轉速100 r/min。主電機為立式同步電機，額定功率2000 kW，電壓10 kV，轉速100 r/min。水泵裝置流道型式為X型雙向流道，站身內、外河均設置快速工作閘門各2扇，共36扇。本文主要探討X型流道雙向泵站在泵組啟、停機過程中配套閘門的操作運行情況以及閘門的設計要點。

2 泵站閘門布置及作用

泵站站身順水流方向長37.5 m，X型流道內、外河側的上、下層流道各設1道快速閘門斷流，在水泵運行時，下層流道為進口流道，上層流道為出口流道，下層流道閘門與對側上層流道閘門配套使用[1]。為安全考慮，在每孔泵組進水流道預留安全攔污柵柵槽1道，可兼做檢修門槽，暫不配備攔污柵及檢修閘門，后期在工程實際運行中根據使用情況配備。泵站金屬結構布置見圖1。

圖1 X型流道雙向泵站金屬結構布置

泵站閘門的設置從保證泵組運行角度出發，主要作用有以下幾個方面：①在泵組非運行期間，滿足擋水要求；②在泵組檢修期間，閘門擋水為水泵的檢修維護創造條件；③在引水或排澇工況下，作為工作閘門配套調度，保證不同工況下泵組的正常運行；④在引水或排澇工況下，在水泵停機或事故斷電后，上層閘門（出口流道閘門）作為事故閘門可快速關閉，截斷水流保護泵組；若上層閘門閉門過程中發生故障未能快速動水關閉，下層閘門（進口流道閘門）作為備用能快速動水閉門截斷水流保護機組。

3 主泵組運行及閘門配套調度

X型雙層流道立式軸流泵水泵本身為單向運轉，通過雙層流道的四扇閘門啟閉的切換實現泵站雙向運行。X型流道的優點之一即是便于水泵啟動，閘門的啟門、閉門操作根據主泵組的運行要求進行調度，主要有引排水起泵工況、停泵工況。由于本泵站揚程相對變幅大、正反向設計揚程差異大，但流量要相同，定漿式水泵難以實現此要求，泵站配有葉片調節機構，因此泵組啟停時葉片調節機構也需相應動作。通過葉片角度的調節，還可以改善水泵運行工況，提高水泵裝置效率。

（1）工況1：引排水起泵。引排水起泵工況的程序是：開機前準備檢查已完成，泵組葉片角度調至最大負角度，新孟河（大夾江）側上、下層流道的快速工作閘門均開啟至全開位置（先開啟上層閘門），再啟動水泵，實現內循環，待電機轉速達到額定轉速后，開啟大夾江（新孟河）側上層快速工作閘門，同時關閉新孟河（大夾江）側上層快速工作閘門，實現引水（排水），最后根據實際情況將葉片角度調至需要角度。泵組開機閘門配套動作流程見圖2。

圖2 泵組開機閘門配套動作流程圖

（2）工況2：停泵。停泵正常工作程序是：泵組葉片角度調到允許的最大正角度，關閉電機并同時在動水條件下關閉出水口上層流道閘門，然后關閉進水口下層流道閘門。泵組停機閘門配套動作流程見圖3。

圖3 泵組停機閘門配套動作流程圖

泵組的啟停是主機、閘門、電氣設備聯合調度的復雜過程，在這一過程中為避免運行故障，需實時監測和檢查各設備的運行情況[1，2]。無論是引水還是排水工況，水泵均是在同側閘門開啟至上、下層水流平衡后啟動，此種水泵啟動方式，可以避免啟動時電機超功率或水泵進入不穩定的馬鞍形區域問題，但是在出水側上層流道閘門和對側上層流道閘門交替開和關過程中，應注意速度控制，避免在泵站兩側水位差過大時的倒流問題。在水泵停機過程中，則要注意快速閘門閉門速度，避免快速閘門對門槽底板產生過大撞擊力。

4 閘門設計及啟閉力計算

上、下層流道的閘門孔口尺寸（寬×高）均為9.5 m×4.4 m，下層流道底檻高程為-7.00 m，上層流道的底檻高程為-1.50 m。閘門均為潛孔直升門，門葉結構采用三主橫梁，與兩側的邊梁共同形成主受力框架。主橫梁間設有水平次梁，兩側邊梁之間設有縱隔板，所有梁系均采用等高連接型式，面板位于泵組側。閘門采用懸臂輪支撐，每扇閘門4只，輪徑Φ 1000 mm。閘門采用雙吊點，吊點距為6.0 m，固定卷揚式啟閉機操作。

閘門整體結構設計并無太多特殊點，與普通平板直升門無異，但由于上、下層流道閘門作用不同，水封形式的設置有所不同。下層閘門單向止水，頂、側止水采用P型水封，底止水采用H型水封，均位于面板側，共同形成“□”型止水結構。上層閘門雙向止水，頂止水采用P型水封，側止水采用P+L型組合止水，底止水采用H型水封，均位于面板側。下層閘門在運行及擋水工況下，閘門外側（遠離泵組側）水位始終高于泵組側水位，所以下層閘門采用單向止水即可滿足要求。上層閘門在擋水工況下，閘門外側（遠離泵組側）水位高于泵組側水位，閘門擋外側水位；泵組運行時，進口流道下層閘門和出口流道上層閘門開啟，此時進口流道側上層閘門需下閘封堵，而此時閘門外側（遠離泵組側）水位低于泵組側水位，閘門擋泵組側水位，防止水流回流，因此上層流道快速閘門需采用雙向止水形式。

閘門的結構強度根據檢修工況下外河大夾江側下層閘門驗算，外河水位6.02 m時泵組側無水，而啟閉力的計算則需根據閘門操作運行要求，選擇極端工況進行計算。啟門力、閉門力計算的制約工況不同，這也是在此類泵站閘門設計中應特別注意的要點。

上、下層流道的閘門重量均約為29 t，閉門力計算按泵組停機后最不利工況考慮，即外河大夾江側為最高運行水位7.23 m、對應新孟河側為最低運行水位4.30 m，按水封壓縮4 mm、水封摩阻力系數取0.5計算，閘門能夠在動水條件下實現自重閉門。在泵組啟動前先開啟上層流道閘門向流道內充水，下層閘門可視為靜水啟門，因此閘門啟門力按上層閘門計算。上層流道閘門以新孟河側最高排澇水位6.29 m、泵組內為上次引水的最低水位1.50 m為計算依據，啟門力約為51.5 t。從工程統一性及經濟性角度考慮，上、下層流道閘門的啟閉機容量均選用2×320 kN。泵組的啟、停機過程對閘門速度均有較高要求，因此啟門速度與閉門速度也是啟閉機的一項重要參數。本工程中啟門速度為1.8 m/min，閉門速度為4.0 m/min，即啟門時間約2.5 min，閉門時間約1.5 min，滿足機組運行要求。

5 結語

X型流道雙向泵站的發展已有多年歷史，尤其在我國華東沿江地區，長江側水位與內河水位相差不是很大、且交替頻繁，此種具有排水、引水雙向運轉功能的泵站運用較多[3]。由于X型流道雙向泵站配備閘門數量多，且閘門在不同工況下要分別作為檢修閘門、工作閘門、事故閘門使用，閘門單獨運行或聯合調度，厘清閘門在不同工況下的操作方式，有利于把握住閘門設計中的重點關注問題，合理、優化的閘門結構設計及啟閉機選擇為閘門穩定運行提供保證，可有效避免泵組出現連續負揚程運行及“飛逸”現象。