豐寧抽水蓄能電站下水庫(kù)進(jìn)/出水口攔污柵啟閉方式設(shè)計(jì)優(yōu)化

余健 劉蕊 錢(qián)玉英 何敏

1 工程概況

豐寧抽水蓄能電站位于河北省豐寧滿族自治縣境內(nèi)，工程規(guī)模為一等大（1）型，總裝機(jī)容量3 600 MW，電站具有周調(diào)節(jié)性能，建成后在京津及冀北電網(wǎng)系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用任務(wù)。樞紐工程主要由上、下水庫(kù)，一、二期工程輸水系統(tǒng)和地下廠房系統(tǒng)等主要建筑物組成[1]。下水庫(kù)進(jìn)/出水口位于下水庫(kù)的左岸，一、二期工程分開(kāi)獨(dú)立布置，距下水庫(kù)攔河壩分別約2.5 km和2.2 km。下水庫(kù)進(jìn)/出水口采用岸邊側(cè)式，攔污柵清污采用提柵清污方式，本工程原設(shè)計(jì)方案采用永久門(mén)機(jī)方式提柵，門(mén)機(jī)布置在1 069 m高程攔污柵檢修平臺(tái)上。對(duì)于下水庫(kù)泥沙淤積問(wèn)題，在下水庫(kù)庫(kù)尾設(shè)置攔沙壩，將下水庫(kù)分成蓄能專(zhuān)用庫(kù)和攔沙庫(kù)。灤河上游的污物被攔沙壩擋在攔沙庫(kù)內(nèi)，經(jīng)分析，下水庫(kù)進(jìn)/出水口攔污柵處污物較少，攔污柵基本不需要提柵清污。本文研究攔污柵啟閉方式及排架體型的設(shè)計(jì)優(yōu)化，有利于節(jié)省工程投資和縮短建設(shè)工期。

2 門(mén)機(jī)提柵方案

2.1 攔污柵排架布置

下水庫(kù)進(jìn)/出水口采用岸邊側(cè)式，進(jìn)/出水口沿抽水水流方向依次為防渦梁段、調(diào)整段、擴(kuò)散段，全長(zhǎng)為63.15 m，底板高程為1 026.0 m。每個(gè)進(jìn)/出水口設(shè)3個(gè)分流墩，將進(jìn)/出水口分成4孔。為防止污物進(jìn)入機(jī)組，在防渦梁段與調(diào)整段之間設(shè)置攔污柵，攔污柵排架為混凝土框架結(jié)構(gòu)，高31.5 m，排架上方布置攔污柵檢修平臺(tái)，平臺(tái)高程為1 069 m，檢修平臺(tái)兩側(cè)各設(shè)置1座交通橋與2號(hào)公路連接，4座橋梁的橋跨布置均為單跨25 m簡(jiǎn)支預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋。下水庫(kù)進(jìn)/出水口原設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

2.2 攔污柵檢修及清污方式

汛期下水庫(kù)會(huì)存留一定的天然污物，為防止在抽水工況時(shí)污物進(jìn)入流道，影響機(jī)組運(yùn)行，在下水庫(kù)進(jìn)/出水口設(shè)1道攔污柵。每個(gè)下水庫(kù)進(jìn)/出水口由隔墩分成4孔，一、二期共6個(gè)下水庫(kù)進(jìn)/出水口，共24孔，每孔設(shè)1扇攔污柵，另配置2扇備用攔污柵，共設(shè)置26扇攔污柵。

由于抽水蓄能電站攔污柵受雙向水流作用，攔污柵的設(shè)計(jì)除需滿足強(qiáng)度和剛度要求外，還需滿足抗振要求。攔污柵采用平面滑動(dòng)楔緊方式支承，即將攔污柵槽設(shè)計(jì)成單邊“V”形，通過(guò)滑塊與“V”形槽的楔緊力將攔污柵緊固，這種緊固方式可以提高攔污柵整體的自振頻率，最大限度地減小攔污柵產(chǎn)生振動(dòng)的可能性[2]。根據(jù)運(yùn)輸要求，將攔污柵沿高度方向分為3個(gè)運(yùn)輸單元，節(jié)間采用連接板鉸接，每扇攔污柵自重約25 t。其中備用攔污柵分為2節(jié)懸掛在2孔口上方檢修平臺(tái)處。攔污柵柵槽采用I型門(mén)槽，設(shè)有主軌、反軌、副軌、側(cè)底坎等埋件。攔污柵清污采用提柵清污方式，在1 069.00 m檢修平臺(tái)上設(shè)置1臺(tái)630 kN單向門(mén)式啟閉機(jī)配合自動(dòng)掛脫梁起吊攔污柵，單向門(mén)機(jī)總揚(yáng)程為39 m，其中軌上揚(yáng)程為9 m，攔污柵整體起吊分兩節(jié)吊運(yùn)。門(mén)機(jī)的操作方式為現(xiàn)地操作[3]。

3 攔污柵提柵方式設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1 下水庫(kù)污物來(lái)源分析

豐寧抽水蓄能電站下水庫(kù)污物一般為混合物，主要發(fā)生在汛期和初期蓄水期，汛期漂浮物主要來(lái)自于陸地面被雨水沖刷后帶入灤河中的雜物；初期蓄水期的漂浮物則主要是來(lái)源于蓄水期間被淹沒(méi)的專(zhuān)用庫(kù)兩岸植被等。水庫(kù)的污物主要可以分為兩部分：一部分是浮在水面、可順?biāo)髁飨蚝惋L(fēng)向飄動(dòng)的漂浮物，主要包括地表植物莖葉、農(nóng)作物秸稈、生活垃圾、工業(yè)廢棄物、家畜尸體及水生植物等，這部分污物占污物總量的80%左右；另一部分是懸浮在水中，可隨水流游弋的懸浮物，主要包括枯木、樹(shù)根等。

3.2 攔污柵門(mén)機(jī)取消可行性研究

下水庫(kù)進(jìn)/出水口原設(shè)計(jì)方案在攔污柵平臺(tái)設(shè)置門(mén)式啟閉機(jī)，主要作用是可根據(jù)進(jìn)/出水口處污物的聚集情況，隨時(shí)通過(guò)起吊攔污柵對(duì)進(jìn)/出水口前的污物進(jìn)行清理，避免較大污物進(jìn)入機(jī)組影響發(fā)電。攔污柵清污的頻率根據(jù)運(yùn)行期下水庫(kù)和進(jìn)/出水口前污物的數(shù)量，結(jié)合運(yùn)行的要求分時(shí)分階段進(jìn)行清污[4]。其優(yōu)點(diǎn)主要是不受水位限制，可隨時(shí)進(jìn)行提柵檢修。根據(jù)國(guó)內(nèi)已建抽水蓄能電站實(shí)際運(yùn)行實(shí)例，目前已建的十三陵、天荒坪、西龍池、瑯琊山、張河灣、蒲石河、宜興、呼蓄等抽水蓄能電站的攔污柵大部分沒(méi)有進(jìn)行檢修或1～2次提柵試運(yùn)行，也就是說(shuō)攔污柵實(shí)際檢修頻率很低。

若取消門(mén)機(jī)，從清污方面來(lái)說(shuō)，需要采用其它方法對(duì)污物進(jìn)行清理，可通過(guò)對(duì)下水庫(kù)污物的監(jiān)控。在汛期，分析下水庫(kù)污物的來(lái)源，從源頭進(jìn)行清理措施，攔截一部分污物不進(jìn)入下庫(kù)。對(duì)于進(jìn)入下水庫(kù)的污物，要根據(jù)其分布情況，適時(shí)地進(jìn)行清理，防止污物在攔污柵前聚集，進(jìn)而影響機(jī)組的運(yùn)行；在通過(guò)攔沙庫(kù)溢洪道補(bǔ)水前，也需要對(duì)攔沙庫(kù)的污物進(jìn)行清理。上述污物清理，可通過(guò)人工或采用機(jī)器人清污的方式進(jìn)行。從攔污柵檢修和維護(hù)方面來(lái)說(shuō)，需要根據(jù)調(diào)度和運(yùn)行的需要，將庫(kù)水位降低到某一高程，在檢修平臺(tái)攔污柵孔口上方采用臨時(shí)起重設(shè)備（含架子及起吊設(shè)備）通過(guò)鎖定在檢修平臺(tái)的拉桿，將攔污柵分節(jié)提出檢修平臺(tái)，并將攔污柵運(yùn)送到檢修平臺(tái)右側(cè)端部，再通過(guò)汽車(chē)起重機(jī)將攔污柵吊送至1 069 m平臺(tái)進(jìn)行檢修維護(hù)。然后再將備用攔污柵通過(guò)上述過(guò)程放置于孔口內(nèi)，防止抽水工況時(shí)污物進(jìn)入流道。

綜上，下庫(kù)的污物是必然存在的，無(wú)論是否采用門(mén)機(jī)，為保證電站機(jī)組的正常運(yùn)行，都需要對(duì)下庫(kù)的污物進(jìn)行清理，是方法問(wèn)題，不存在技術(shù)問(wèn)題。

4 臨時(shí)提柵方案

4.1 攔污柵排架布置

豐寧抽水蓄能電站下水庫(kù)進(jìn)/出水口攔污柵提柵方式經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化取消永久門(mén)機(jī)后，為保障后期攔污柵具備檢修條件，攔污柵孔口上方仍保留檢修平臺(tái)。根據(jù)豐寧抽水蓄能電站可行性研究階段設(shè)計(jì)成果，電站上水庫(kù)、下水庫(kù)每周均放空1次，蓄滿1次。電站下水庫(kù)最低蓄水位為死水位1 042 m。下水庫(kù)水損備用庫(kù)容為120萬(wàn)m3，冰凍庫(kù)容為243萬(wàn)m3，考慮水損備用庫(kù)容與冰凍庫(kù)容持續(xù)蓄在死水位以上，則下水庫(kù)發(fā)電最低水位為1 043.99 m。電站建成投產(chǎn)后，上、下水庫(kù)的水位狀態(tài)與實(shí)際調(diào)度運(yùn)用情況密切相關(guān)[5]?？裳须A段應(yīng)用電源優(yōu)化程序?qū)ωS寧抽水蓄能電站設(shè)計(jì)水平年2025年在京津及冀北電網(wǎng)中進(jìn)行了運(yùn)行模擬，模擬時(shí)間為1年52周，每周168 h，共8 736個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，豐寧抽水蓄能電站下水庫(kù)的水位出現(xiàn)頻次及發(fā)生概率詳見(jiàn)表1。

表1 下水庫(kù)的水位出現(xiàn)頻次及發(fā)生概率統(tǒng)計(jì)表

結(jié)合下水庫(kù)進(jìn)/出水口布置，攔污柵兩側(cè)開(kāi)挖邊坡以1 047 m高程為界，以上為1∶0.5坡比，以下為直立邊坡。綜合表1中下水庫(kù)各個(gè)水位在運(yùn)行期中出現(xiàn)的頻率，平臺(tái)高程擬定為1 047 m，取消檢修平臺(tái)與2號(hào)公路之間的交通橋，后期檢修時(shí)需采用臨時(shí)措施將設(shè)備送到檢修平臺(tái)。同時(shí)利用現(xiàn)有開(kāi)挖邊坡，結(jié)合貼坡混凝土設(shè)置簡(jiǎn)易的步道，方便檢修人員到達(dá)檢修平臺(tái)上進(jìn)行檢修工作。檢修平臺(tái)和簡(jiǎn)易步道上設(shè)置活動(dòng)欄桿，保證工作人員的人身安全。

4.2 攔污柵吊裝所用汽車(chē)起重機(jī)選型

一期工程下水庫(kù)進(jìn)/出水口攔污柵軸線方向在1 068.8 m平臺(tái)上設(shè)計(jì)跨度為103.64 m，根據(jù)目前實(shí)測(cè)資料，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖完成后實(shí)際跨度為121.42 m，左側(cè)、右側(cè)平臺(tái)至1 047 m攔污柵檢修平臺(tái)的直立邊墻距離分別為25.3 m和14.1 m。二期工程下水庫(kù)進(jìn)/出水口攔污柵軸線方向在1 068.8 m平臺(tái)上設(shè)計(jì)跨度為114.54 m，根據(jù)目前實(shí)測(cè)資料，現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖完成后實(shí)際跨度為149.19 m，左側(cè)、右側(cè)平臺(tái)至1 047 m攔污柵檢修平臺(tái)的直立邊墻距離分別為35.3 m和32.0 m。下水庫(kù)進(jìn)/出水口攔污柵吊裝可通過(guò)1 068.8 m平臺(tái)至1 045 m攔污柵檢修平臺(tái)的直立邊墻的距離較短的一邊進(jìn)行檢修。

一期工程下水庫(kù)進(jìn)/出水口汽車(chē)起重機(jī)參數(shù)需滿足起吊幅度超過(guò)14.1 m（右側(cè)較短邊），起吊最大質(zhì)量約8 t。參考100 t汽車(chē)起重機(jī)資料，全配置作業(yè)情況下，臂長(zhǎng)38.2 m，在起吊幅度為16 m時(shí)，起吊質(zhì)量為9.4 t，基本能夠滿足一期工程下水庫(kù)進(jìn)/出水口攔污柵吊裝要求；參考150 t汽車(chē)起重機(jī)資料，全配置作業(yè)情況下，臂長(zhǎng)50.26 m，在起吊幅度為32 m時(shí)，起吊質(zhì)量為8 t，則150 t汽車(chē)起重機(jī)能夠滿足下水庫(kù)一期進(jìn)/出水口攔污柵在左、右側(cè)平臺(tái)吊裝要求?？紤]必要的保證率，將攔污柵分節(jié)（攔污柵共分為3節(jié)，單節(jié)重約8 t）提出檢修平臺(tái)，建議采用150 t汽車(chē)起重機(jī)。

二期工程下水庫(kù)進(jìn)/出水口汽車(chē)起重機(jī)參數(shù)需滿足起吊幅度超過(guò)32 m（右側(cè)較短邊），起吊最大質(zhì)量約8 t。參考200 t汽車(chē)起重機(jī)資料，在配重55 t支腿全伸情況下，臂長(zhǎng)52.71 m，在起吊幅度為38 m時(shí)，起吊質(zhì)量為9 t；所以200 t汽車(chē)起重機(jī)能夠滿足下水庫(kù)二期進(jìn)/出水口攔污柵吊裝要求。如采用150 t汽車(chē)起重機(jī)，則需在二期右側(cè)平臺(tái)向進(jìn)/出水口方向澆筑直立牢固混凝土邊墻約5 m?？紤]到攔污柵提柵的頻率較低，將攔污柵分節(jié)（攔污柵共分為3節(jié)，單節(jié)質(zhì)量約8 t）提出檢修平臺(tái)，建議采用200 t汽車(chē)起重機(jī)。

4.3 攔污柵檢修及清污方式

豐寧抽水蓄能電站下水庫(kù)進(jìn)/出水口攔污柵提柵方式經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化調(diào)整后取消門(mén)機(jī)，但攔污柵的布置型式保持不變，門(mén)槽頂高程由原來(lái)的1 069 m降低為1 047 m，在高程1 047 m處設(shè)置檢修平臺(tái)?？紤]到1 047 m平臺(tái)長(zhǎng)期位于水下，不適合在檢修平臺(tái)處存放備用攔污柵，因此需要另設(shè)倉(cāng)庫(kù)存放備用攔污柵，而攔污柵的檢修和維護(hù)均采用臨時(shí)起吊設(shè)備操作。

根據(jù)污物來(lái)源分析可知，電站運(yùn)行期可能會(huì)有少部分污物隨水流直接聚集在進(jìn)/出水口水下部分的攔污柵前，抽水工況時(shí)便會(huì)有極少部分污物掛在攔污柵柵條上。因此電站投運(yùn)后應(yīng)對(duì)水下運(yùn)行的攔污柵污物情況進(jìn)行定期觀測(cè)，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果并綜合考慮調(diào)度和運(yùn)行需要，對(duì)攔污柵進(jìn)行清污并檢查[6]。清污前需要將庫(kù)水位降至1 047 m以下，通過(guò)汽車(chē)起重機(jī)把所需設(shè)備運(yùn)送到1 047 m檢修平臺(tái)，然后在檢修平臺(tái)搭建排架并安裝臨時(shí)起吊設(shè)備后，將攔污柵起吊分節(jié)進(jìn)行清污，若發(fā)現(xiàn)攔污柵柵葉受損（變形、損壞、掉漆等）則需要將分節(jié)后的攔污柵運(yùn)送至檢修平臺(tái)右側(cè)端部，通過(guò)汽車(chē)起重機(jī)將攔污柵吊運(yùn)至1 069 m平臺(tái)進(jìn)行檢修維護(hù)。然后通過(guò)上述方式將備用攔污柵送至1 047 m檢修平臺(tái)并放置于孔口，防止抽水工況時(shí)污物進(jìn)入流道。按此方式對(duì)24孔攔污柵逐次進(jìn)行檢修和維護(hù)。該方案攔污柵的檢修時(shí)間可能比較長(zhǎng)，但可最大程度減少由于攔污柵的檢修對(duì)電站運(yùn)行帶來(lái)的影響。

5 工程投資分析

河北豐寧抽水蓄能電站下水庫(kù)進(jìn)/出水口攔污柵門(mén)機(jī)提柵方案布置包括攔污柵排架及平臺(tái)、連接交通橋、金屬結(jié)構(gòu)（門(mén)機(jī)、軌道、攔污柵柵葉、柵槽及鎖定梁）設(shè)備費(fèi)和安裝費(fèi)等，臨時(shí)提柵方案包括攔污柵排架及平臺(tái)、金屬結(jié)構(gòu)（攔污柵柵葉、柵槽、拉桿及鎖定梁）設(shè)備費(fèi)和安裝費(fèi)。2種攔污柵提柵方案工程投資對(duì)比情況見(jiàn)表2。

表2 下水庫(kù)進(jìn)/出水口攔污柵工程2種提柵方式投資分析對(duì)比表 萬(wàn)元

由表2的投資對(duì)比情況可知，攔污柵檢修由門(mén)機(jī)提柵方案調(diào)整為臨時(shí)提柵方案，可以節(jié)省工程投資2 714.02萬(wàn)元，同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工工期是有利的。

6 結(jié)語(yǔ)

從豐寧抽水蓄能電站下水庫(kù)專(zhuān)用蓄能庫(kù)的污物來(lái)源分析，采取相應(yīng)的隔離和清污措施，可保證下水庫(kù)進(jìn)/出水口處污物較少，攔污柵污物清理頻次較低，攔污柵啟閉方式經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化取消門(mén)式啟閉機(jī)起吊方案是可行的。攔污柵檢修采用臨時(shí)起吊方案，一期采用150 t汽車(chē)起重機(jī)，二期采用200 t汽車(chē)起重機(jī)，滿足清污及檢修條件；另外攔污柵排架從1 069 m降至1 047 m，取消工作橋的施工，節(jié)省投資2 714.02萬(wàn)元，大幅降低工程造價(jià)成本，提高了施工企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)加快了下水庫(kù)進(jìn)/出水口的施工進(jìn)度，縮短了項(xiàng)目建設(shè)工期，其成果可為國(guó)內(nèi)大型蓄能電站下水庫(kù)進(jìn)/出水口攔污柵啟閉方式提供工程實(shí)例和技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。