某電站快速閘門充水方式的優(yōu)化改造設(shè)計

■龔洪波，萬紅雁 ■中工武大設(shè)計研究有限公司，湖北 武漢 430074

電站快速閘門是當(dāng)引水鋼管破裂或機(jī)組發(fā)生飛逸等異常情況時，為避免事故擴(kuò)大需在規(guī)定的時間內(nèi)快速關(guān)閉的閘門，快速閘門能動水關(guān)閉，宜在靜水中開啟，通常采用充水閥充滿引水鋼管實(shí)現(xiàn)靜水操作條件。某電站快速閘門在目前庫水位275m條件下充水時間較長，各機(jī)組管道充滿時間約為30～90小時。為提高發(fā)電效益，現(xiàn)對快速閘門充水方式進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，通過計算比較，建議采取臨時補(bǔ)水措施以縮短快速閘門充水時間。

1 設(shè)計條件

1.1 閘門基本參數(shù)

某電站快速閘門孔口尺寸:10×14.168m(寬×高)，為平板滑動鋼閘門，利用水柱動水關(guān)閉閘門，充水平壓后開啟閘門(按規(guī)范考慮了4m水頭差)。

底坎高程:254.6m

充水閥管直徑:400mm

充水閥管長度(包括90°彎管):1400mm

充水閥管出口高程:267.725m

充水閥蓋行程:300mm

啟閉機(jī)容量3000/6000KN(啟門力/持住力)

1.2 引水壓力管道

1#引水壓力管道:直徑14.0～9.74m，長約422m，總?cè)莘e量約62500m3。

2#引水壓力管道:直徑14.0～9.74m，長約366m，總?cè)莘e量約53800m3。

3#引水壓力管道:直徑14.0～9.74m，長約310m，總?cè)莘e量約45500m3。

4#引水壓力管道:直徑12.5～9.74m，長約246m，總?cè)莘e量約28800m3。

5#引水壓力管道:直徑10.5～9.74m，長約188m，總?cè)莘e量約22000m3。

1.3 水輪發(fā)電機(jī)組漏水量

(1)電站水輪發(fā)電機(jī)組及附屬設(shè)備合同文件。新投入機(jī)組在水頭67m時，通過關(guān)閉的導(dǎo)葉的最大漏水量不超過0.9 m3/s，運(yùn)行8000h后通過關(guān)閉的導(dǎo)葉的最大漏水量不超過1.5m3/s。

(2)規(guī)程規(guī)范。《水輪機(jī)基本技術(shù)條件》(GB/T15468－2006)5.7.1條在額定水頭下圓柱式導(dǎo)葉漏水量不應(yīng)大于額定流量的3‰。

2 充水閥管過流流量計算

充水閥管過流量計算公式為武漢大學(xué)水電學(xué)院主編中國水利水電出版社出版的《水力計算手冊》

(1)充水閥自由出流，即引水洞管道充滿水前充水流量(水位在267.725m以下)

由于充水閥管長度只有1.4m，為短管λ≈0

Σζ=進(jìn)口水頭損失系數(shù)+彎管水頭損失系數(shù)

垂直進(jìn)口水頭損失系數(shù)考慮充水閥蓋及閘門吊耳結(jié)構(gòu)，對進(jìn)口補(bǔ)水有影響，取0.8;

在不同上游水位下，充水閥自由出流流量(m3/s):

設(shè)計水位293.0m Q1=1.99

設(shè)計死水位278.0m Q1=1.27

現(xiàn)水位275.0m Q1=1.06

(2)各機(jī)組引水管道充滿水所需要的時間(h):

設(shè)計水位293.0m T=5.61～15.92

設(shè)計死水位278.0m T=16.52～46.92

現(xiàn)水位275.0m T=32.16～91.37

注:機(jī)組導(dǎo)葉漏水量均按額定水頭下漏水量0.90m3/s計。

(3)引水管道充滿水后平壓前各水頭差時的充水流量

c=0.71 A=0.1257 m2

在不同上下游水頭差Z0，充水閥淹沒出流流量(m3/s):

由上可知，快速門前后水頭差在5m左右達(dá)到充漏平衡。

3 計算結(jié)論

(1)按“新投入機(jī)組在水頭67m時，通過關(guān)閉的導(dǎo)葉的最大漏水量不超過0.9 m3/s”，在設(shè)計水位(293m)時各機(jī)組引水道充滿水時間分別為5.6(5#機(jī))～15.9(1#機(jī))小時;約在5m水頭差時達(dá)到充漏平衡。在目前庫水位275m條件下充水時間較長，各機(jī)組約為30～90小時。故建議采取臨時補(bǔ)水措施以縮短充水時間。

現(xiàn)機(jī)組調(diào)試條件尾水水位215m，對應(yīng)機(jī)組額定水頭上游水位應(yīng)為為282m，現(xiàn)上游水位為275m，此時的允許最大漏水量應(yīng)小于0.9 m3/s，在充水閥出口267.725m水位，允許最大漏水量約為0.80 m3/s。)

(2)按“運(yùn)行8000h后通過關(guān)閉的導(dǎo)葉的最大漏水量不超過1.5m3/s”，在正常設(shè)計水位293m;時各機(jī)組引水道充滿水時間分別為12.5(5#機(jī))～35(1#機(jī))小時;在死水位278m和現(xiàn)水位275m均不能滿足充水要求;需采取補(bǔ)水措施。

4 建議改進(jìn)措施

(1)根據(jù)目前實(shí)際情況，快速閘門設(shè)計啟門條件為4m水頭差，但由于啟門力與閘門上下游水頭差和閘門支承摩阻力系數(shù)有關(guān)，支承材料摩擦系數(shù)技術(shù)要求為0.07～0.11，對應(yīng)在不同水頭差和不同摩阻力系數(shù)下啟門力:

Z0=3m時，啟門力FQ=2541～2749 kN

Z0=4m時，啟門力FQ=2838～3115 kN

Z0=5m時，啟門力FQ=3134～3481 kN

Z0=6m時，啟門力FQ=3430～3846kN

Z0=7m時，啟門力FQ=3726～4212 kN

Z0=8m時，啟門力FQ=4023～4578 kN根據(jù)上面計算，6m水頭差下啟門力約為3900kN左右，啟閉機(jī)的持住力為6000kN，適當(dāng)增加啟門水頭差是可行的。

(2)增加臨時旁通管結(jié)合，在滿足水輪機(jī)組1.5m3/s漏水量的條件下，提高閘門開啟水頭。將開啟閘門水頭提高到6m，此時充水閥淹沒 出流流量為0.97m3/s，需增加2臺揚(yáng)程32m、功率90KW、直徑300mm的水泵，流量約2×1000m3/h。

(3)增加充水閥的閘門改造方案，即在閘門頂部原有充水閥兩側(cè)再增加兩個充水閥，使充水流量增加至3倍，同時可使改動工作量和對閘門結(jié)構(gòu)的影響盡量減小，不影響閘門結(jié)構(gòu)安全。閘門改造過程中可利用檢修門擋水，將快速門提到閘門鎖定平臺(283.5高程)實(shí)施改造。

考慮到機(jī)組調(diào)試及發(fā)電和閘門充水閥改造的工期安排，建議近期仍采用增加臨時水泵旁通管充水，并適時安排閘門充水閥改造方案。

［1］全國水輪機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.水輪機(jī)基本技術(shù)條件(GB/T 15468－2006)［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［2］李煒.水力計算手冊［M］.北京:中國水利電力出版社，2006.