清遠抽水蓄能電站尾水事故閘門設計特點

【摘要】抽水蓄能電站機組吸出高程大、安裝高程低，廠房埋深處于下水庫正常蓄水位以下百米以上的深度。尾水事故閘門能夠及時阻斷下水庫及尾水隧洞的水流，以便于機組的檢修，在緊急情況下可動水關(guān)閉，防止下水庫水流淹沒廠房。如何合理地設計尾水事故閘門，使其成為廠房名副其實的擋水墻，是抽水蓄能電站金屬結(jié)構(gòu)設計成功與否的關(guān)鍵所在。清遠抽水蓄能電站尾水事故閘門的設計特點可供類似工程參考。

【關(guān)鍵詞】抽水蓄能電站；尾水事故閘門；定輪；水柱；旁通管；

Abstract： Due to a high suction head and low setting position of the pumped-storage unit， the underground plant should usually be buried in 100 meters and above below the normal pool level of lower reservoir. The tail water emergency gate can timely block flow from lower reservoir and tailrace tunnel for normally facilitate the unit maintenance， and closing in dynamic water flow to prevent water submerged plant in emergency. So， how to rational design tail water emergency gate to worthy the name of water retaining wall of plat is the key to the success of the pumped-storage power station metal structure design. The design characteristics of tail water emergency gate in Qingyuan pumped storage power plant can be a reference for other similar projects.

Keywords： Qingyuan pumped storage power station， tail water emergency gate， fixed wheel， water column， by-pass pipe

1、概述

清遠抽水蓄能電站位于廣東省清遠市清新區(qū)太平鎮(zhèn)境內(nèi)，地處珠江三角洲西北部，距廣州直線距離75km，距清遠市32km，是一座日調(diào)節(jié)的純抽水蓄能電站。工程2008年3月開工，2015年10月首臺機組投入試運行。清遠抽水蓄能電站由上、上水庫、輸水系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)等部分組成。地下廠房內(nèi)安裝4臺立式單級混流可逆式水泵水輪機—發(fā)電電動機機組，單機容量（發(fā)電工況）320MW，總裝機容量1280MW。

2、尾水事故閘門布置

輸水系統(tǒng)采用1洞4機長尾水系統(tǒng)的布置方式。每臺機組尾水肘管與調(diào)壓井之間設尾水事故閘門，閘門孔口尺寸為3.6m×4.5m（寬×高），門型采用平面定輪閘門，頂止水為Ω型，側(cè)止水采用實心P60型，止水材料采用橡塑復合。門槽為高壓閘閥式，采用整體加工的小門槽結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)與常規(guī)平面閘門殼體類似，材料采用Q345B。門槽結(jié)構(gòu)由門槽段、腰箱和密封蓋三大部分組成。門槽密封蓋上布置液壓啟閉機、進人孔、機械鎖定及限位器、排氣閥等可拆卸部件，并設置了可靠的密封裝置。閘門啟閉設備采用液壓啟閉機，容量2500kN/800kN，行程為4.85m，采用陶瓷活塞桿，液壓缸座通過螺栓聯(lián)接在門槽密封蓋上。閘門與機組進水球閥安全互鎖，全開全關(guān)不控制流量。正常情況操作要求閘門靜水啟閉，事故情況利用水柱動水閉門，啟門時通過旁通閥平壓后靜水起吊。

為便于安裝、檢修閘門和液壓啟閉機，在尾水閘門廊道的上部布置1臺500kN/100kN天車，跨度6.0m，揚程20m（其中尾閘地面揚程9m），軌頂高程49.0m。

尾水事故閘門金屬結(jié)構(gòu)主要參數(shù)及技術(shù)性能詳見表1。

3、尾水閘門設計中的關(guān)鍵點

3.1 閘門支承型式設計

由我院設計廣蓄、惠蓄的尾水事故閘門都采用平面定輪閘門，雙曲滾輪簡支支承。清遠抽水蓄能電站尾水事故閘門共設8個雙曲滾輪，滾輪承壓按2800kN設計，滾輪材料為42CrMo直徑為Φ650mm，踏面寬180mm弧面半徑3500mm，輪軸材料40Cr直徑為Φ240mm，軸承為鋼基銅塑自潤滑滑動軸承。

采用定輪支承有如下優(yōu)勢，1）定輪閘門能有效的降低摩擦阻力，從而有效的減小啟閉機容量，若選用平面滑動閘門則啟閉機容量為5000kN，液壓系統(tǒng)及配電負荷都明顯增大，投資顯著提高。2） 每個主輪位置對應設置一個彈性材料反輪，即上游側(cè)為定輪與門槽接觸為剛性-剛性接觸，下游側(cè)與門槽接觸為彈性-剛性接觸，通過調(diào)整反輪的預壓力，使閘門均勻卡在門槽內(nèi)，從而減少閘門在尾水內(nèi)的振動。同時降低主輪和軌道損壞風險，減少后期維護工作量。

相對線接觸定輪而言，采用點接觸的雙曲滾輪能有效消去制造安裝缺陷（如變形撓曲），在水壓作用下，上下左右4個主輪能自我調(diào)整適應保證都能與軌道接觸，減少受力均勻不均勻現(xiàn)象。該閘門的門葉結(jié)構(gòu)設計分上、下兩節(jié)，節(jié)間邊柱斷開，門葉結(jié)構(gòu)整體熱處理消去焊接殘余應力，每節(jié)門葉分別邊柱定位軸孔，工廠內(nèi)安裝好主輪。待運至工地后，將面板連接起來，門背側(cè)采用背拉板調(diào)整上下兩節(jié)。通過斷開邊柱，使上下節(jié)邊柱受力明確，各輪的輪壓差減小，改善了閘門翹曲變形。通過尾水隧洞充水試驗時觀察，閘門水頭承受75m時，水封基本不漏水。

以目前的制造水平來看，直徑在Φ700mm左右，承壓3000kN的輪子及軌道已不是技術(shù)難點。從廣蓄一期尾水事故閘門成功運行20年多年，而無主輪缺陷大修的情況來看，采用定輪支承是比較經(jīng)濟可行的。

3.2 減振及意外承受上水庫水壓時的自動泄壓機制

通常認為，只有在進水閥處于關(guān)閉狀態(tài)下，該事故閘門才能進行啟閉操作和處于閉門擋水狀態(tài)。如意外情況閘門非正常下落，或閘門正常下落而進水閥、導葉漏水嚴重，閘門將承受上水庫水壓，輕則閘門破壞，重則導致機組抬機事故。

前述，尾水事故閘門下游方向設置8個復合材料彈性反輪，通過螺栓緊固在門葉結(jié)構(gòu)上。閘門全開時，通過預壓力，結(jié)合主輪，側(cè)輪保證閘門被彈壓在門槽腰箱內(nèi)。在復雜工況轉(zhuǎn)換下，減小閘門振動對液壓啟閉機的影響。閉門過程中，一旦進水閥未提前關(guān)閉，上游水壓高于下游水壓，致反輪彈簧壓縮量變大，閘門向下游移動，門上的反向制動塊卡在門槽上矩型齒條上，避免閘門進一步下落，實現(xiàn)泄壓，保護閘門及其他設備的安全。

廣蓄二期的尾水事故閘門，原設計中有反向泄壓拍門，但因長期處復雜水流中致拍門脫落，后該在旁通管上并聯(lián)反向逆止閥作為泄壓裝置。在2012年的改造設計中也采用了本文方案。

3.3 水柱作用點的設計

尾水事故閘門存在動水閉門工況，而在高水頭下動水閉門的摩擦阻力是驚人的。如前述，采用定輪支承能及其有效減少摩擦阻力，而采用定輪必須加工邊柱軸孔，若按常規(guī)布置面板在下水庫側(cè)（即擋水側(cè)），水柱作用在主梁腹板上，則軸孔配合的加工和安裝精度高，且在設計上就存在孔隙射水的可能性，必須設置密封措施進行補救。清遠抽水蓄能電站尾水事故閘門將面板同頂側(cè)水封均布置在機組側(cè)，底主梁在最底主輪下部，水柱作用點在底主梁上。這樣除了避免高水頭射水外，還有如下好處：1）除底主梁為復雜的雙向壓彎構(gòu)件外，其它主梁均為純彎構(gòu)件，受力簡單明確。而閘門底緣在結(jié)構(gòu)上為滿足擴散角30°的規(guī)范要求，底主梁通常設計為箱型，強度、剛度穩(wěn)定性均能滿足要求。2）水柱作用點為閘門形心下方，單液壓缸操作閘門動水閉門時更平穩(wěn)。

3.4 旁通管路的設計

據(jù)調(diào)查，國內(nèi)各抽水蓄能電站尾水事故閘門的充水平壓裝置均采用旁通閥型式，旁通管上布置工作閥和檢修閥為閘門平壓的操作系統(tǒng)，同時在門槽上游側(cè)布置高速排氣閥。為避免運行時旁通工作閥的閥芯產(chǎn)生振動，應將旁通管的進口和出口布置在壓力大體相當?shù)奈恢?。此外，在充水時，出口為高速水流，如不采取有效措施降低過閥流速，閥門易振動破壞，嚴重時還加劇閘門的振動。

清遠抽水蓄能電站尾水事故閘門旁通管采用DN300mm，設置手動閘閥和電動蝶閥。排氣管采用DN200mm，同時在門槽密封蓋、鎖定裝置及限位器專設小型排氣閥以解決了密封蓋局部小體積氣體的排放問題。旁通閥進口和出口以門槽對稱位置布置在尾水支管的頂部，進口處設置防污罩，出口管內(nèi)焊接DN80mm的錐孔節(jié)流孔板，通過設置這一節(jié)流孔板，將過閥流速降低至出口的0.07倍約4m/s，極其有效的改善了閥門的工作條件，擴大了工作閥門的選型范圍，從而降低了投資。

4、結(jié)語

本文以清遠抽水蓄能電站為例，介紹我院在抽水蓄能電站尾水事故閘門的總體布置和主要技術(shù)特點。抽水蓄能電站尾水事故閘門在設計時需要重點注意的幾點有：

（1）閘門結(jié)構(gòu)型式合理，支承結(jié)構(gòu)簡單。盡量減少后期維護。

（2）尾水閘門整體布置應充分考慮尾水管中的復雜水流引起閘門振動問題，應設置可靠的側(cè)反向支承，同時設置可靠的的泄壓裝置。

（3）利用水柱閉門的定輪閘門，水壓作用的主梁腹板宜在底部主輪以下。

（4）宜降低旁通管上閥門的過閥流速，減少閥門振動破壞。

參考文獻：

[1] 水電站機電設計手冊編寫組.水電站機電設計手冊 金屬結(jié)構(gòu)（一）[M].北京：水利電力出版社.1988

[2] 劉細龍等. 廣蓄電站尾水事故閘門的設計總結(jié)[J].水利水電.2001.02

[3] 黃峻等.抽水蓄能電站尾水事故閘門靜動力特性研究[J].華電技術(shù).2012.12.

作者簡介：

陶云冬 （1984-），男，工程師，工學碩士，主要從事水工金屬結(jié)構(gòu)設計及安全鑒定與評價。