水電站升船機(jī)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)因素與對(duì)策分析

方元芳

（福建水口發(fā)電集團(tuán)有限公司，福建福州 350004）

0 引言

水口水電站位于福建閩清縣境內(nèi)的閩江干流下游，上游距離南平市94 km，下游距離福州市84 km。航運(yùn)過(guò)壩建筑物位于樞紐右岸，設(shè)有一線3級(jí)船閘和一線垂直升船機(jī)。其中，2×500 t級(jí)垂直升船機(jī)于2004年底投用，具有過(guò)壩速度快、不耗水等優(yōu)點(diǎn)。

水口升船機(jī)采用濕運(yùn)全平衡鋼絲繩卷?yè)P(yáng)式垂直提升機(jī)型，承船廂通過(guò)鋼絲繩、卷筒及滑輪組與兩側(cè)平衡重相連，在主電氣傳動(dòng)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)牽引下實(shí)現(xiàn)垂直升降。為確保承船廂安全穩(wěn)定運(yùn)行，全平衡式升船機(jī)平衡系統(tǒng)配置有轉(zhuǎn)矩平衡重、可控平衡重和重力平衡重等3種平衡重，平衡重的總重量等于承船廂及其設(shè)備自重、額定水深時(shí)的水體重量之和，其中轉(zhuǎn)矩平衡重和可控平衡重的重量約為1.7倍承船廂內(nèi)0.4 m誤載水體重量。

1 現(xiàn)狀與問(wèn)題

1.1 下游水位持續(xù)下降

多年來(lái)，水口水電站受下游河道長(zhǎng)年持續(xù)挖沙、上游河沙補(bǔ)給減少及下游河道受水流沖刷等多種因素影響，同流量下游水位持續(xù)下降。從2000年至2017年，為滿足通航要求，通航流量抬高至2800 m3/s，為原設(shè)計(jì)流量的9倍多，使?jié)M足通航要求的壓力不斷加大。出庫(kù)流量的加大同時(shí)影響升船機(jī)上、下游水位變幅、水位變率和涌浪等，不同程度地影響船只在進(jìn)出船廂過(guò)程中承船廂的水深度。因此，通航流量的抬高加大了船閘及升船機(jī)的通航安全風(fēng)險(xiǎn)，為此，水口升船機(jī)在現(xiàn)行條件下增加電站出口流量，對(duì)升船機(jī)的安全運(yùn)行沒(méi)能起到積極有效的作用。

1.2 水位與流量關(guān)系

水口電站下游河道水位下切每年各不相同，甚至一年比一年惡化。為更好地分析電站下泄基荷流量相應(yīng)的相對(duì)準(zhǔn)確現(xiàn)狀水位，根據(jù)實(shí)測(cè)與調(diào)查水位與相應(yīng)水口出庫(kù)流量及實(shí)測(cè)斷面分析，繪制北溪壩址水尺斷面水位流量關(guān)系曲線（圖1）。水口水電站單臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)最大流量467.7 m3/s，最小流量196 m3/s，嵩灘埔單臺(tái)機(jī)組額定流量50.5 m3/s。

從前期水口電站壩下不同位置天然水位—流量關(guān)系曲線、單站平均水位年統(tǒng)計(jì)表及北溪下壩線水位流量關(guān)系曲線可以看出，水口壩下及下游壩壩軸線位置相應(yīng)水口水電站出庫(kù)流量下游下切水位變化較大，其中7臺(tái)機(jī)組滿發(fā)，2臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷下游水位下降約1 m；7臺(tái)機(jī)組滿發(fā)，4臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷下游水位下降約2 m。

圖1 北溪壩址水尺斷面水位流量關(guān)系曲線

隨著時(shí)間的推移，河床的沖沙不斷惡化而上游又不能提供很好地補(bǔ)給，將直接導(dǎo)致下游水位變率加大，為此，可以推斷現(xiàn)階段升船機(jī)下游出口水位受河床斷面等因素影響，其實(shí)際水位變化不會(huì)比下游壩址位置水位變率小。

1.3 升船機(jī)下游水位降幅實(shí)時(shí)檢驗(yàn)試驗(yàn)

鑒于水口水電站因下游河床下切造成的水口水電站下游及升船機(jī)引航道水位、流量已發(fā)生很大變化，直接威脅到升船機(jī)的安全運(yùn)行，特別是水位變率加快，可能導(dǎo)致船廂傾覆事故危及人身安全，曾就7臺(tái)機(jī)組滿發(fā)通航時(shí)，按突發(fā)設(shè)備事故，2臺(tái)機(jī)組甩負(fù)荷，出力驟降，進(jìn)行升船機(jī)下游水位降幅實(shí)時(shí)檢測(cè)試驗(yàn)（發(fā)電機(jī)組負(fù)荷變化曲線見(jiàn)圖2，升船機(jī)下游水位降幅曲線見(jiàn)圖3，水位降幅曲線橫坐標(biāo)設(shè)定為某一時(shí)間為零點(diǎn)）。從試驗(yàn)及水位降幅曲線可以看出，機(jī)組調(diào)降負(fù)荷開(kāi)始約2 min，升船機(jī)下游引航道水位開(kāi)始下降，其中：約過(guò)4 min升船機(jī)下游引航道水位下降約41 cm；約過(guò)5 min升船機(jī)下游引航道水位下降46 cm；約過(guò)15 min升船機(jī)下游引航道水位下降55 cm；約過(guò)29 min后升船機(jī)下游引航道水位下降69 cm；以上數(shù)據(jù)為模擬工況下測(cè)量所得，若遇機(jī)組實(shí)際保護(hù)動(dòng)作切機(jī)甩負(fù)荷，升船機(jī)下游引航道水位變幅可能會(huì)更快。

圖2 發(fā)電機(jī)組負(fù)荷變化曲線

圖3 升船機(jī)下游水位降幅曲線

升船機(jī)在下游對(duì)接工況下的對(duì)接停留時(shí)間約為15 min，顯然，在當(dāng)前下游河道斷面發(fā)生極大變化的情況下，特別是機(jī)組滿發(fā)時(shí)，一旦2臺(tái)機(jī)組突然發(fā)生故障時(shí)，升船機(jī)下游引航道15 min內(nèi)水位降幅已大大超出了升船機(jī)原設(shè)計(jì)要求的船廂最大允許誤載水深±0.4 m，下游引航道水位下降變率也遠(yuǎn)超原設(shè)計(jì)要求的0.5 m/h。盡管發(fā)生上述事故的概率極小，但由于上述事故的隨機(jī)性，對(duì)升船機(jī)安全運(yùn)行的影響程度目前尚不可預(yù)測(cè)。

水口水電站升船機(jī)目前實(shí)際情況是一方面在升船機(jī)下游特定水位區(qū)域，通航時(shí)需要7臺(tái)機(jī)組滿發(fā)的流量才能使下游水位滿足通航要求；另一方面由于下游水位的下切，7臺(tái)機(jī)滿發(fā)時(shí)如遇2臺(tái)或4臺(tái)機(jī)甩負(fù)荷事故，升船機(jī)下游引航道水位下降速率將大大超出升船機(jī)設(shè)計(jì)值，給升船機(jī)的安全運(yùn)行帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)。

2 措施及對(duì)策

（1）根據(jù)升船機(jī)集中控制室已有電站負(fù)荷顯示，在電站調(diào)峰運(yùn)行期末，升船機(jī)應(yīng)盡量避開(kāi)下游對(duì)接運(yùn)行。

（2）升船機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中，對(duì)承船廂與下游擋水閘門(mén)對(duì)接時(shí)段，一旦電站機(jī)組發(fā)生故障時(shí)，增加緊急關(guān)閉承船廂下游臥倒閘門(mén)的程序。其與原設(shè)計(jì)的“當(dāng)航道實(shí)時(shí)水位下降0.3 m時(shí)，將隨即啟動(dòng)承船廂下游臥倒閘門(mén)關(guān)閉程序”的差異在于緊急關(guān)閉承船廂臥倒閘門(mén)的指令是根據(jù)電站機(jī)組的故障情況，而不是根據(jù)下游航道實(shí)時(shí)水位條件。

（3）承船廂下游臥倒閘門(mén)啟閉機(jī)在下游對(duì)接時(shí)段，液壓泵組在完成各項(xiàng)操作后應(yīng)運(yùn)行在卸荷狀態(tài)而不停機(jī)，另外現(xiàn)地增設(shè)手動(dòng)緊急關(guān)門(mén)操作開(kāi)關(guān)，以便在航道水位出現(xiàn)驟降時(shí)，現(xiàn)地能緊急關(guān)閉臥倒閘門(mén)，防止承船廂內(nèi)水體快速流失。因此，承船廂上必須有運(yùn)行值班人員，承擔(dān)現(xiàn)場(chǎng)指揮和操作任務(wù)。

（4）調(diào)整承船廂下行運(yùn)行時(shí)的廂內(nèi)水深允許偏差始終為正的最大值。

（5）承船廂對(duì)接工況的最大負(fù)水深允許誤差是誘發(fā)承船廂縱向傾覆的主要因素，在當(dāng)前的下游水位運(yùn)行情況下，最大限度地增加最大負(fù)水深允許誤差，使承船廂在下游對(duì)接運(yùn)行時(shí)段一旦遇到水位驟降，能有一定的時(shí)間以完成船舶駛離門(mén)區(qū)和關(guān)閉承船廂下游通航閘門(mén)的操作。

（6）增加承船廂與閘首對(duì)接工況的最大允許誤載水深的同時(shí)，為不改變升船機(jī)主提升容量，同時(shí)滿足升船機(jī)全平衡條件，可調(diào)整平衡系統(tǒng)平衡重的配置，也即增加轉(zhuǎn)矩平衡重和可控平衡重重量，以提高承船廂抗縱向傾覆的能力。

（7）增加承船廂與閘首對(duì)接工況的最大允許誤載水深及增加轉(zhuǎn)矩平衡重和可控平衡重重量的同時(shí)，應(yīng)相應(yīng)對(duì)升船機(jī)安全制動(dòng)器進(jìn)行改造，提高安全制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)力矩，以滿足升船機(jī)轉(zhuǎn)矩平衡重和可控平衡重重量增加后的制動(dòng)要求。

（8）對(duì)承船廂的撐緊裝置進(jìn)行改造，適當(dāng)提高撐緊力，以提高承船廂處于與上、下游擋水閘門(mén)對(duì)接工況時(shí)的垂直支承阻力，從而提高承船廂的抗縱向傾覆能力。

（9）修訂升船機(jī)下游對(duì)接時(shí)下游水位突降事故現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處理方案，并加強(qiáng)應(yīng)急處置演練。

3 結(jié)語(yǔ)

升船機(jī)承船廂水位穩(wěn)定是升船機(jī)安全運(yùn)行重要因素,特別是與下游對(duì)接時(shí)下游水位突降將引發(fā)不可逆的重大事故,要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置的提升及通過(guò)設(shè)備有針對(duì)性升級(jí)來(lái)提升安全系數(shù),確保安全運(yùn)行。