鹽官泵站快速工作閘門振動分析研究

周偉豐，羅林峰

（1.嘉興市杭嘉湖南排工程鹽官樞紐管理所（海寧河道站），浙江 海寧 314411；2.浙江省水利科技推廣服務(wù)中心，浙江 杭州 310012）

1 概 況

鹽官排澇樞紐工程位于海寧市鹽官度假區(qū)占鰲塔以東500 m 處的環(huán)城南路與錢塘江北岸海塘之間，于1995 年2 月開工興建，1998 年11 月底竣工投入運行。樞紐工程由排澇泵站和排澇閘組成，樞紐主體工程建筑物呈“一字型”布置，中間以分隔墩隔開，西為排澇閘，東為排澇泵站，全長180.13 m。排澇泵站安裝3650ZXQ50-2.97 型斜式15°軸流泵4 臺，配T 3000-8/1430 型3 000 kW 同步電動機4 臺套。泵站總裝機容量12 000 kW，設(shè)計排澇流量200 m3/s。工程投入運行以來，發(fā)揮了巨大的防洪減災效益。

2 泵站快速閘門及啟閉機運行情況分析

在泵站中，特別是以排澇、泄洪為主的排澇泵站中，為了防止水泵運行后停機時水倒流入機組，必須采用斷流裝置，常用的斷流裝置有拍門、快速閘門和真空破壞閥[1]。水泵機組起動、停泵的可靠性是泵站安全運行的重要保障。現(xiàn)在大型泵站常用液壓快速閘門斷流，快速閘門斷流的顯著優(yōu)點是閘門可以全開，阻力損失很小。

2.1 鹽官泵站閘門及啟閉機布置情況

鹽官排澇泵站出口采用快速工作閘門、小拍門斷流和快速事故閘門。水泵正常斷流采用出水流道的快速工作閘門，當失電情況發(fā)生時，斷流采用出水流道的事故閘門。鹽官泵站快速工作閘門設(shè)有小拍門，停機前可先將快速閘門關(guān)至閘門高度2/3 處再停機，但需注意拍門斷流的撞擊力?？焖俟ぷ鏖l門為潛孔式、單吊點、平面定輪鋼閘門，設(shè)計水頭15 m，每扇工作閘門設(shè)置2 扇小拍門。鹽官排澇泵站設(shè)有8 套QPKY-1×400 kN-6.03 m 快速工作閘門液壓啟閉機、8 套QPKY-1×800 kN-6.03 m 快速事故閘門液壓啟閉機，閉門力為閘門自重。每條流道的2 扇快速工作閘門、2 扇快速事故閘門液壓啟閉機共用1 套液壓泵站，共4 套液壓站。油缸均為豎式單吊點布置，中部法蘭固定，豎直安裝在液壓啟閉機機架上（見圖1）。

圖1 快速工作閘門液壓油缸布置圖

2.2 快速工作閘門運行振動情況

2020 年7 月3 日 至8 月7 日，鹽 官 泵 站 進 行試運行和應(yīng)急排澇運行期間，外江快速工作閘門出現(xiàn)振動晃動大、撞擊聲響、反輪螺栓松動、緩沖橡皮脫落等情況，特別是1#、3#、5#工作閘門及油缸啟閉機振動晃動相對較嚴重，相關(guān)緊固件已松動脫落（見表1）。

表1 鹽官泵站試運行和應(yīng)急排澇運行期間快速工作閘門運行情況表

2.3 快速工作閘門振動晃動原因分析

2.3.1 工作閘門開度不夠無法完全脫離水流

鹽官泵站快速工作閘門最高開度和油缸工作行程受限（見圖2），實際運行在設(shè)計開度4.7 m 時工作閘門底緣或小拍門還沒提出水面，甚至運行開度提到5.6 m 時還有水流波浪沖擊閘門或小拍門。

圖2 快速工作閘門開度5.6 m 時的狀態(tài)圖

2.3.2 水流流態(tài)不利因素影響

大型泵站出水流道寬度大，內(nèi)設(shè)的中隔墻將流道分為左孔和右孔，由于水泵出流環(huán)量和出水彎管2 次流共同作用造成出水流道偏流，揚程越高越明顯，導致1#、3#、5#工作閘門及油缸啟閉機振動晃動較大。

在機組啟動時，工作閘門、拍門除了要承受短暫的水流沖開拍門時的沖擊力及停機時拍門隨水流下拍斷流時的下拍力以外，歷時最長的承受力還是機組運行期間不規(guī)則水流帶來的不同方向的力。水流在旋轉(zhuǎn)葉片產(chǎn)生的升力作用下上升，經(jīng)導葉體進入彎管，彎管再將旋轉(zhuǎn)的直升水流以一定角度引導至漸擴管出水流道，最后沖開拍門進入出水池。這時的流態(tài)有旋轉(zhuǎn)型、直線型、與拍門撞擊后形成的回旋型，與受流道形狀所限在某個角落產(chǎn)生的回流型等各種水流混合在一起，使拍門在水中交叉出現(xiàn)上下浮動、左右晃動、前后沖撞等不規(guī)則動作。小拍門的振動晃動加劇閘門振動，甚至產(chǎn)生強力撞擊。劇烈振動有可能引起金屬構(gòu)件疲勞變形，焊縫開裂或緊固件松動，造成支座螺栓、柱銷等金屬零件疲勞損壞。閘門振動還會導致油缸晃動，銅基球形自潤滑軸承磨損，油缸密封部件磨損，機架螺栓松動等情況，影響啟閉機使用壽命和工程安全運行。

2.3.3 工作閘門、小拍門及啟閉機結(jié)構(gòu)影響

鹽官泵站工作閘門為單吊點，油缸的下吊頭內(nèi)裝銅基鑲嵌自潤滑球面滑動軸承，門葉豎直懸掛。由于門槽、胸墻尺寸限制，拍門無法設(shè)計成小傾斜角，靠自重分力壓在門體上，小拍門為鉸座自由式拍門，也是豎直懸掛，導致閘門體特別是拍門自由度大，容易晃動?？焖匍l門閉門速度較快，若緩沖裝置失效，將沖擊閘門底坎，長期運行使定輪、側(cè)輪、反輪、鉸座、銷軸等部件松動，構(gòu)件變形損壞，進而引發(fā)閘門運行時的振動和噪音，嚴重時無法啟閉閘門。

2.4 快速工作閘門減緩振動調(diào)試

針對上述問題，采用改變閘門運行開度及在高開度利用鎖定梁鎖定閘門等措施，在2020 年7 月25—26 日進行快速工作閘門減緩振動調(diào)試，情況見表2。

表2 快速閘門調(diào)試情況表 m

由表2 可知，改變閘門運行開度可以減小振動，由于行程范圍限制，效果不理想；而在高開度利用鎖定梁鎖定閘門對防止振動晃動效果較好，大大減小振動幅度。

3 快速工作閘門振動的應(yīng)對措施

3.1 調(diào)整運行全開位設(shè)計高度

閘門振動除了短暫的開機停機時間段，大部分時間是由閘門在全開位時的水流擾動引起。最理想的狀態(tài)是閘門全開完全脫離水流沖擊。但由于水流在工作閘門處流態(tài)很不穩(wěn)定，產(chǎn)生的擾動水流遠高于門孔高度，鹽官泵站工作閘孔尺寸4.0 m×5.0 m，孔口高度5.00 m，閘門及啟閉機設(shè)計工作行程4.70 m，油缸最大行程6.03 m，閘門實際最大安全高度5.60 m。實際運行在5.60 m 開度還是受水流擾動沖擊。由于門槽、油缸機架平臺、油缸行程等因素限制，工作閘門要完全提出水面，改造量非常大，不符合實際。現(xiàn)行應(yīng)對措施建議設(shè)計閘門全開為5.60 m，同時管理運行單位根據(jù)實際運行情況可以調(diào)整開度以減小振動。

3.2 增設(shè)磁鐵座和油壓推桿擱門器

在每扇工作閘門的2 扇小拍門上安裝適當磁力的磁鐵座，閘門全開后靠磁鐵磁力與門體吸合，限制拍門受水流擾動而晃動。

在工作閘門門槽與事故閘門門槽中間的7.26 m高程平臺上安裝2 個液壓推桿擱門器，閘門兩側(cè)各1 個，在工作閘門全開正常運行時，雙側(cè)鎖定閘門，限制門體自由度，減小閘門振動晃動。擱門器運行方式可以聯(lián)動和手動，根據(jù)口門淤積、閘門振動等情況選擇是否投入鎖定裝置。工作閘門以鎖定方式運行時，正常關(guān)機前先打開鎖定裝置，然后進入正常停機程序關(guān)閉工作閘門斷流；發(fā)生事故停機時由快速事故閘門斷流，同時工作閘門鎖定裝置聯(lián)動打開進行關(guān)閘，保證工程安全。油壓擱門器較電動擱門器速度快，可以利用現(xiàn)有油壓源，無需另設(shè)電動機，相對室外和涌潮區(qū)較為安全可靠，擱門器也便于閘門投鎖進行日常檢查維護，液壓推桿擱門器需另行設(shè)計。鹽官泵站采用人工抬扛的鎖定梁（見圖3）。

圖3 快速工作閘門人工鎖定梁鎖定圖

3.3 加強維護管理

維護工作是搞好設(shè)備管理、保證安全運行的重要手段。在主機組啟動前應(yīng)全面檢查快速閘門控制系統(tǒng)，確認快速閘門能按規(guī)定程序啟閉。停機較長重新開機時，開機前應(yīng)檢查閘門、拍門，附近有無淤積、雜物，拍門的螺栓、銷軸、鉸座固定可靠，轉(zhuǎn)動靈活，工作閘門定輪、側(cè)輪、反輪轉(zhuǎn)動是否靈活，間隙是否正常，門體無明顯裂縫和嚴重變形，止水良好，無漏水現(xiàn)象[2]。運行期間，進行巡視檢查，觀察閘門、拍門、油缸等是否正常，停機后全面檢查[3]。按技術(shù)規(guī)程維修養(yǎng)護好閘門、拍門、導向支撐、轉(zhuǎn)動銷軸、閘門連接桿等，保持清潔、潤滑良好，各部件連接緊固。汛前、汛期、汛后按運行管理規(guī)程做好檢查試運行等工作。

4 結(jié) 語

目前，用油壓啟閉機或卷揚式啟閉機控制的快速閘門+拍門斷流方式應(yīng)用越來越普遍，快速閘門在整個泵站水工建筑物中起著舉足輕重的作用?？焖匍l門、拍門的形式，啟閉時間、速度、開度都應(yīng)該根據(jù)水泵機組性能和實際工況決定?？焖匍l門、拍門在開啟、運行、關(guān)閉時產(chǎn)生不同程度的振動現(xiàn)象也較常見。文中快速工作閘門振動應(yīng)對措施具有很強的實用性和借鑒意義，可為減緩快速工作閘門振動提供參考，同時運行管理單位應(yīng)加強檢查、監(jiān)測，及時排除隱患，確保工程安全運行。