閘門異常下滑監(jiān)測裝置結構改造研究

李 兵

（安徽績溪抽水蓄能有限公司，安徽 宣城245300）

0 引言

抽水蓄能電站尾水水位較高，機組安裝高程很低，下水庫水位變幅往往較大，尾水隧洞一般也較長，因此每臺機組下游處一般各設置1 扇尾水事故閘門。該閘門的設置為滿足事故情況下可動水閉門，保障水輪發(fā)電機組的安全。事故閘門在正常運行過程中一般處于開啟狀態(tài)，為防止閘門異常下滑，會在閘門處設置異常下滑吊軸監(jiān)測裝置。閘門異常下滑吊軸監(jiān)測裝置一般由電氣部分和機械部分組成，電氣部分由限位開關及其相應電纜組成，機械部分由配重塊、連桿、支架等幾部分組成。

某在運抽水蓄能電站在機組運行過程中出現(xiàn)了零部件脫落的缺陷，事故對該電站造成一定影響。為研究該事故發(fā)生的原因并為防止類似事故發(fā)生，研究了一種新的配重塊設置方式。本文對吊軸監(jiān)測裝置配重塊結構改造設計及應用研究進行了分析介紹。

1 閘門吊軸監(jiān)測裝置傳統(tǒng)設計

為保障水輪發(fā)電機組安全，尾閘及啟閉機會設置異常墜落保護，一般會設置限位開關，全開、全開限位開關各1 只，除此之外還將設置異常下滑位置開關，以保證到閘門異常下滑時將信號傳至PLC，實現(xiàn)閘門自動回升的功能。一般設計為：當閘門在全開位因意外滑落至280 mm 或340 mm 時，上下2 個行程開關動作且遠方控制室及現(xiàn)地控制柜均發(fā)出聲光報警信號，并將信號引至計算機監(jiān)控系統(tǒng)，機組及球閥緊急關閉。

因抽水蓄能電站機組安裝高程均安裝較低，尾閘門槽結構多采用封閉式結構（由腰箱、頂板、側板、頂蓋等組成封閉體）。封閉式門槽結構示意圖如下頁圖1 所示。

如圖1所示，閘門門槽由頂蓋（3項）、側槽板（5～6項等）、底板（15～17 項）、側板（13～19 項）、腰箱（9～10項等）、頂板（11～21 項等）以及頂蓋等部分組成，各部分組合成一個封閉空間。

為監(jiān)測該結構型式的閘門是否出現(xiàn)異常下滑，一般采用將位置開關固定于閘門頂蓋上，并設置1個連桿隨閘門上下移動來監(jiān)測閘門上升或下降情況；為保證連桿可靠隨閘門上下，需克服水壓上浮力等，一般利用配重塊來實現(xiàn)對該連桿的下壓力。吊軸監(jiān)測裝置設置如圖2 所示。

8 項為支架，通過螺栓9、底板11 與閘門把合在一起，當閘門起升或下降時，8 項隨著上升或下降。當閘門提出孔口并達到一定高程后，8 項與21項（桿）接觸并推動項21 向上起升。當閘門在全開位置異常下落時，21 項在自身重力及配重塊重力作用下向下運動，連桿隨閘門一起向下，向下運動過程中接觸位置開關，位置開關動作并將信號傳至監(jiān)控系統(tǒng)，進而實現(xiàn)發(fā)出聲光報警、實現(xiàn)事故落球閥等功能。

圖1 閘門門槽結構示意圖

圖2 吊軸監(jiān)測裝置

2 采用傳統(tǒng)設計遇到的問題及對策分析

2.1 遇到的問題

某在運抽水蓄能電站采用上述傳統(tǒng)的吊軸監(jiān)測裝置結構后，在水電站正常運行過程中出現(xiàn)配重塊零部件脫落問題。零部件掉落入尾閘門槽，事故對該電站造成一定影響。通過圖2 可以看出，配重塊同連桿之間僅通過螺栓限位。在日常運行過程中螺栓長期受力出現(xiàn)疲勞或螺栓生銹等原因均有可能導致配重塊及螺栓脫落。

配重塊脫落后將極有可能落入尾閘門槽，抽水蓄能電站均為雙向水流（發(fā)電時水流自上庫流向下庫、抽水時水流自下庫流向上庫），在抽水工況時即有可能將配重塊或螺栓帶入機組流道內(nèi)部，進而損壞轉輪等過流部件。轉輪、活動導葉等過流部件均造價較高，且檢修極為復雜，一旦出現(xiàn)損壞將不得不啟動較大的檢修，對水電站正常運行造成極大影響。

2.2 對策分析

要避免此類現(xiàn)象發(fā)生，最簡便快捷的方法是將配重塊位置上移，采用將配重塊設置于吊軸監(jiān)測裝置軸頭部的方案。將配重塊設置于監(jiān)測裝置上部，配重塊相對監(jiān)測桿對稱布置，其余位置開關位置等不變，具體如圖3 所示。

3 改進方案及應用

某新的抽水蓄能電站閘門啟閉機相關參數(shù)如下：

圖3 配重塊設置于軸頭部位示意圖

閘門型式：平面滑動鋼閘門

閘門設計水頭：190 m

閘門操作條件：動水閉、靜水啟

啟閉機型式：液壓啟閉機

啟閉機容量（持住力/啟門力）：4 500 kN/1 000 kN

為避免上述類似事故的發(fā)生，該新的抽水蓄能電站決定對吊軸監(jiān)測裝置結構形式進行變更設計。

3.1 改進措施

采用圖3 所示需兩套配重塊左右對稱布置，該結構對兩套配重對稱性要求極高、否則可能出現(xiàn)監(jiān)測桿受力不均、彎曲等現(xiàn)象；同時兩套配重對稱布置要求支撐梁寬度較大，這就要求閘門的頂蓋上有足夠空間來設置該支撐梁。

經(jīng)綜合分析，決定仍然采用將配重塊連于監(jiān)測軸上的方案，相對圖2 的不同之處在于將配重塊位置上移，配置塊設置于閘門頂蓋上方、監(jiān)測軸頭部。

如圖4 所示，改進的方案將配重塊設置與閘門頂蓋上部，配重塊與頂蓋之間通過導向桿隔開。這樣一來就通過導向桿、閘門頂蓋機頂蓋上方的緩沖墊等將配重塊與輸水流道隔離開來，徹底避免了配重塊掉入流道中的風險。

3.2 復核計算

后續(xù)為進一步驗證該方案的可行性，對所配置的配重塊及壓桿進行了進一步的復核計算，復核情況如下：

圖4 改進版吊軸監(jiān)測裝置

3.2.1 基本參數(shù)

底部峰值水壓P=2 MPa

配重塊重量M=518 kg

監(jiān)測桿直徑d=50 mm

工作行程H=400 mm

監(jiān)測桿壓桿長度L=1000 mm

3.2.2 配重重量校核

水壓上浮力：

配重塊重力：

密封件摩阻力估值：

配重量符合要求。

3.2.3 監(jiān)測軸壓桿穩(wěn)定要求

按照中部支撐的歐拉公式進行壓桿臨界載荷計算：

壓桿穩(wěn)定性滿足要求。

3.3 應用情況

該結構改造后在實際應用過程中結構穩(wěn)定，運行過程平穩(wěn)、無卡阻。該結構自投運以來，能夠?qū)崿F(xiàn)設計的功能，應用情況良好。

4 結束語

吊軸監(jiān)測裝置為防止閘門異常下滑以及下滑監(jiān)控的關鍵裝置，要求其運行必須可靠、安全。本文通過對吊軸監(jiān)測裝置配重塊位置進行變更，研究了一種新的配重塊設置方式并進行了實際應用，可靠避免了配重塊異常落入尾閘門槽進而進入流道的風險。該結構形式經(jīng)過實際運行驗證，能夠很好實現(xiàn)最初設想，滿足設計要求。