X型流道雙向泵站閘門操作運(yùn)行及設(shè)計(jì)要點(diǎn)

邸南思，丁 聰

（上海勘測(cè)設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(jié)制閘（5孔）、300 m3/s雙向泵站及Ⅵ級(jí)船閘（180.0 m×16.0 m×3.0 m）組成。主體建筑物（船閘外閘首、節(jié)制閘、泵站）在垂直水流方向按照一字型并列布置，總長(zhǎng)度約240 m。節(jié)制閘中心線與新孟河河道中心線重合，節(jié)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(shè)計(jì)流量300 m3/s，裝設(shè)9臺(tái)3450ZLKQ 33.4-2.75型開敞式液壓全調(diào)節(jié)立式軸流泵，單泵設(shè)計(jì)流量33.4 m3/s，葉輪直徑3450 mm，轉(zhuǎn)速100 r/min。主電機(jī)為立式同步電機(jī)，額定功率2000 kW，電壓10 kV，轉(zhuǎn)速100 r/min。水泵裝置流道型式為X型雙向流道，站身內(nèi)、外河均設(shè)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(jī)過程中配套閘門的操作運(yùn)行情況以及閘門的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

2 泵站閘門布置及作用

泵站站身順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)37.5 m，X型流道內(nèi)、外河側(cè)的上、下層流道各設(shè)1道快速閘門斷流，在水泵運(yùn)行時(shí)，下層流道為進(jìn)口流道，上層流道為出口流道，下層流道閘門與對(duì)側(cè)上層流道閘門配套使用[1]。為安全考慮，在每孔泵組進(jìn)水流道預(yù)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(shí)際運(yùn)行中根據(jù)使用情況配備。泵站金屬結(jié)構(gòu)布置見圖1。

圖1 X型流道雙向泵站金屬結(jié)構(gòu)布置

泵站閘門的設(shè)置從保證泵組運(yùn)行角度出發(fā)，主要作用有以下幾個(gè)方面：①在泵組非運(yùn)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(hù)創(chuàng)造條件；③在引水或排澇工況下，作為工作閘門配套調(diào)度，保證不同工況下泵組的正常運(yùn)行；④在引水或排澇工況下，在水泵停機(jī)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(guān)閉，截?cái)嗨鞅Ｗo(hù)泵組；若上層閘門閉門過程中發(fā)生故障未能快速動(dòng)水關(guān)閉，下層閘門（進(jìn)口流道閘門）作為備用能快速動(dòng)水閉門截?cái)嗨鞅Ｗo(hù)機(jī)組。

3 主泵組運(yùn)行及閘門配套調(diào)度

X型雙層流道立式軸流泵水泵本身為單向運(yùn)轉(zhuǎn)，通過雙層流道的四扇閘門啟閉的切換實(shí)現(xiàn)泵站雙向運(yùn)行。X型流道的優(yōu)點(diǎn)之一即是便于水泵啟動(dòng)，閘門的啟門、閉門操作根據(jù)主泵組的運(yùn)行要求進(jìn)行調(diào)度，主要有引排水起泵工況、停泵工況。由于本泵站揚(yáng)程相對(duì)變幅大、正反向設(shè)計(jì)揚(yáng)程差異大，但流量要相同，定漿式水泵難以實(shí)現(xiàn)此要求，泵站配有葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，因此泵組啟停時(shí)葉片調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)也需相應(yīng)動(dòng)作。通過葉片角度的調(diào)節(jié)，還可以改善水泵運(yùn)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(jī)前準(zhǔn)備檢查已完成，泵組葉片角度調(diào)至最大負(fù)角度，新孟河（大夾江）側(cè)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(dòng)水泵，實(shí)現(xiàn)內(nèi)循環(huán)，待電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，開啟大夾江（新孟河）側(cè)上層快速工作閘門，同時(shí)關(guān)閉新孟河（大夾江）側(cè)上層快速工作閘門，實(shí)現(xiàn)引水（排水），最后根據(jù)實(shí)際情況將葉片角度調(diào)至需要角度。泵組開機(jī)閘門配套動(dòng)作流程見圖2。

圖2 泵組開機(jī)閘門配套動(dòng)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(diào)到允許的最大正角度，關(guān)閉電機(jī)并同時(shí)在動(dòng)水條件下關(guān)閉出水口上層流道閘門，然后關(guān)閉進(jìn)水口下層流道閘門。泵組停機(jī)閘門配套動(dòng)作流程見圖3。

圖3 泵組停機(jī)閘門配套動(dòng)作流程圖

泵組的啟停是主機(jī)、閘門、電氣設(shè)備聯(lián)合調(diào)度的復(fù)雜過程，在這一過程中為避免運(yùn)行故障，需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和檢查各設(shè)備的運(yùn)行情況[1，2]。無(wú)論是引水還是排水工況，水泵均是在同側(cè)閘門開啟至上、下層水流平衡后啟動(dòng)，此種水泵啟動(dòng)方式，可以避免啟動(dòng)時(shí)電機(jī)超功率或水泵進(jìn)入不穩(wěn)定的馬鞍形區(qū)域問題，但是在出水側(cè)上層流道閘門和對(duì)側(cè)上層流道閘門交替開和關(guān)過程中，應(yīng)注意速度控制，避免在泵站兩側(cè)水位差過大時(shí)的倒流問題。在水泵停機(jī)過程中，則要注意快速閘門閉門速度，避免快速閘門對(duì)門槽底板產(chǎn)生過大撞擊力。

4 閘門設(shè)計(jì)及啟閉力計(jì)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(jié)構(gòu)采用三主橫梁，與兩側(cè)的邊梁共同形成主受力框架。主橫梁間設(shè)有水平次梁，兩側(cè)邊梁之間設(shè)有縱隔板，所有梁系均采用等高連接型式，面板位于泵組側(cè)。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(diǎn)，吊點(diǎn)距為6.0 m，固定卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)操作。

閘門整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并無(wú)太多特殊點(diǎn)，與普通平板直升門無(wú)異，但由于上、下層流道閘門作用不同，水封形式的設(shè)置有所不同。下層閘門單向止水，頂、側(cè)止水采用P型水封，底止水采用H型水封，均位于面板側(cè)，共同形成“□”型止水結(jié)構(gòu)。上層閘門雙向止水，頂止水采用P型水封，側(cè)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(cè)。下層閘門在運(yùn)行及擋水工況下，閘門外側(cè)（遠(yuǎn)離泵組側(cè)）水位始終高于泵組側(cè)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(cè)（遠(yuǎn)離泵組側(cè)）水位高于泵組側(cè)水位，閘門擋外側(cè)水位；泵組運(yùn)行時(shí)，進(jìn)口流道下層閘門和出口流道上層閘門開啟，此時(shí)進(jìn)口流道側(cè)上層閘門需下閘封堵，而此時(shí)閘門外側(cè)（遠(yuǎn)離泵組側(cè)）水位低于泵組側(cè)水位，閘門擋泵組側(cè)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(jié)構(gòu)強(qiáng)度根據(jù)檢修工況下外河大夾江側(cè)下層閘門驗(yàn)算，外河水位6.02 m時(shí)泵組側(cè)無(wú)水，而啟閉力的計(jì)算則需根據(jù)閘門操作運(yùn)行要求，選擇極端工況進(jìn)行計(jì)算。啟門力、閉門力計(jì)算的制約工況不同，這也是在此類泵站閘門設(shè)計(jì)中應(yīng)特別注意的要點(diǎn)。

上、下層流道的閘門重量均約為29 t，閉門力計(jì)算按泵組停機(jī)后最不利工況考慮，即外河大夾江側(cè)為最高運(yùn)行水位7.23 m、對(duì)應(yīng)新孟河側(cè)為最低運(yùn)行水位4.30 m，按水封壓縮4 mm、水封摩阻力系數(shù)取0.5計(jì)算，閘門能夠在動(dòng)水條件下實(shí)現(xiàn)自重閉門。在泵組啟動(dòng)前先開啟上層流道閘門向流道內(nèi)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(jì)算。上層流道閘門以新孟河側(cè)最高排澇水位6.29 m、泵組內(nèi)為上次引水的最低水位1.50 m為計(jì)算依據(jù)，啟門力約為51.5 t。從工程統(tǒng)一性及經(jīng)濟(jì)性角度考慮，上、下層流道閘門的啟閉機(jī)容量均選用2×320 kN。泵組的啟、停機(jī)過程對(duì)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(jī)的一項(xiàng)重要參數(shù)。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(shí)間約2.5 min，閉門時(shí)間約1.5 min，滿足機(jī)組運(yùn)行要求。

5 結(jié)語(yǔ)

X型流道雙向泵站的發(fā)展已有多年歷史，尤其在我國(guó)華東沿江地區(qū)，長(zhǎng)江側(cè)水位與內(nèi)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(yùn)轉(zhuǎn)功能的泵站運(yùn)用較多[3]。由于X型流道雙向泵站配備閘門數(shù)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(dú)運(yùn)行或聯(lián)合調(diào)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(shè)計(jì)中的重點(diǎn)關(guān)注問題，合理、優(yōu)化的閘門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及啟閉機(jī)選擇為閘門穩(wěn)定運(yùn)行提供保證，可有效避免泵組出現(xiàn)連續(xù)負(fù)揚(yáng)程運(yùn)行及“飛逸”現(xiàn)象。