軸流轉槳式機組水電站事故閘門設置方式初探

陳祖嘉，方燕

（1.中國水電工程顧問集團成都勘測設計研究院，成都 610072；2.成都理工大學，成都 610059）

軸流轉槳式機組水電站事故閘門設置方式初探

陳祖嘉1，方燕2

（1.中國水電工程顧問集團成都勘測設計研究院，成都 610072；2.成都理工大學，成都 610059）

近年軸流轉槳式機組水電站進水口事故閘門有兩種布置方式，一門一機布置和多門一機布置。本文結合軸流轉槳式機組特性，闡述防止機組飛逸的保護措施。然后通過兩種布置方式的優(yōu)缺點比較，建議采用一門一機的方式。

大壩進水口；事故閘門；軸流轉槳式機組 防飛逸保護

1 概述

近年來國內(nèi)水電事業(yè)蓬勃興旺，在追求經(jīng)濟效益最大化的驅動下，人們時常將電站的安全可靠性排在了次要位置。國內(nèi)外已建和在建的水電站中，軸流轉槳式機組的水電站占了很大一部分，由于該型機組應用水頭低的先決條件決定了機組的外形及其流道尺寸很大，因此，軸流轉槳式機組水電站的安全性一直是水電行業(yè)研究的課題。

2 軸流轉槳式機組防飛逸的保護措施

水輪發(fā)電機組在正常運行時突然甩去部分負荷或全部負荷，發(fā)電機輸出功率為零，此時，若調速系統(tǒng)工作正常，當轉速上升到某一轉速，會自動回復到額定轉速；當水輪發(fā)電機組在最高水頭下運行而突然甩負荷，若水輪機調速系統(tǒng)故障或其他原因使導水機構不能正常關閉，導葉開度最大、水輪機轉速迅速升高，并達到某一穩(wěn)定的最大值，該轉速即為飛逸轉速。當水輪發(fā)電機組在飛逸轉速下運行，會對水輪機和發(fā)電機的各轉動部件及其連接件造成破壞，從而發(fā)生重大事故。

《大中型水輪發(fā)電機基本技術條件》（SL321－2005）規(guī)定“水輪發(fā)電機和與其直接或間接連接的輔機，在飛逸轉速下運轉5min不應產(chǎn)生有害變形和損壞”?！哆M口水輪發(fā)電機（發(fā)電/電動機）設備技術規(guī)范》（DL/T 730－2000）要求“水輪發(fā)電機（發(fā)電/電動機）和與其直接或間接連接的輔機應能在飛逸轉速下安全運行，其時間為5min”。

水輪發(fā)電機組防飛逸的保護措施通常有：機組進水口設置快速閘門、事故閘門；調速系統(tǒng)設置事故配壓閥、純機械過速保護裝置（當機組轉速升高至某一預先設定值而導葉不能關閉時，直接把壓力油引入導葉接力器的關閉腔，使導葉迅速關閉）；設置水輪機進水閥或圓筒閥（大型、巨型混流式機組），因蝸殼進口尺寸較大，不能設置進水閥，因此在活動導葉和固定導葉之間設置圓筒閥。圓筒閥具備動水關閉的功能，具有一定的防機組飛逸的能力，但其主要作用是用于機組關機時減少水輪機導葉漏水量，有效消除水輪機停機后導水機構間隙空蝕和磨損。圓筒閥的控制方式目前多采用電液同步方式，動作時對同步性的要求高，因此動水關閉時一般都要求圓筒閥與快速閘門配合使用，防止圓筒閥動水關閉時發(fā)卡、擴大事故等。

軸流轉槳式水輪機組由于其水頭較低，整體外形尺寸相對混流式機組更大，設置進水閥或圓筒閥技術上是很困難的，經(jīng)濟上是很不合算的。因此，只能夠利用其他保護方式來防止軸流轉槳式水輪機組飛逸。主要措施有設置事故油壓裝置，以此增加冗余的油源，當一路油源故障時，可依靠事故備用油源動作接力器，關閉導葉。但如果發(fā)生操作油管爆裂、接力器故障、導葉剪斷銷剪斷數(shù)量較多、人為誤操作等情況時，事故油壓裝置也不能防止飛逸事故的發(fā)生。比如葛洲壩水電廠機組投產(chǎn)以來，由于來水中的雜物較多，經(jīng)常出現(xiàn)個別導葉剪斷銷被剪斷的現(xiàn)象，曾發(fā)生過一臺機13個導葉剪斷銷被剪斷，導葉失控不能正常關機，機組出現(xiàn)約15～20r/min反轉，被迫將上游進口工作閘門關閉，機組方停止轉動的事故；又如銅街子水電站曾在調速器調試過程中，由于調試人員操作失誤，將調速器滿載開度值輸入為空載開度值，造成剛開機，機組轉速迅速上升，機組及廠房震動劇烈，此時監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出指令，立即同時關閉該機組的3扇事故閘門，避免了事故的進一步擴大。

因此，對于軸流轉槳式水輪機組的電站，當發(fā)生飛逸事故，機組又不能正常關機時，依靠更快地關閉進水口事故閘門來切斷水流，防止事故擴大，是一個較為穩(wěn)妥的方案。

3 設置事故閘門的必要性

由于大、中型軸流轉槳式水輪機進水口尺寸較大，多設有中墩，而各孔均需設置事故閘門，因此每臺機組的事故閘門數(shù)量較多。事故閘門的布置方式主要有多門一機布置方案和一門一機布置方案。

多門一機布置方案：即由一臺門機負責多扇事故閘門的啟閉，當需要關閉（或開啟）事故閘門時，需由專職駕駛人員將壩頂門機駛到相應事故門槽上方，將鎖定在門槽中的事故門葉緩慢放下（或將在門槽中的事故門葉緩慢提起）。根據(jù)實際運行經(jīng)驗，壩頂門機每次放下一扇門葉大約需要30～45min，以桐子林水電站為例，每臺機組進水口均設有3扇事故閘門，加上門機吊鉤上行時間，完成一臺機組全部事故閘門關閉的時間大約為3h。若發(fā)生事故時，門機駕駛人員恰巧不在現(xiàn)場，操作時間是不可估計的。

一門一機布置方案：每孔事故閘門正上方設置一臺固定式卷揚啟閉機或液壓啟閉機，平時事故門葉懸掛于門槽中上部，當發(fā)生事故需要關閉事故閘門時，除了由關機程序與事故閘門聯(lián)動外，還可由運行人員在中控室內(nèi)直接操作啟閉機，進行關閉事故閘門的操作。采用一門一機布置方案，每臺機組進水口的多扇事故閘門的關閉過程幾乎是完全同步的。根據(jù)實際運行經(jīng)驗，采用固定式卷揚啟閉機操作事故閘門，完成一臺機組全部事故閘門關閉的時間大約為15～20min，而采用液壓啟閉機操作事故閘門，該時間將會更短。

液壓啟閉機所用的液壓缸體及液壓連桿最大加工總長度受加工技術所限，不能過長，而近年來國內(nèi)已建或在建的大、中型軸流轉槳式機組水電站的進水口事故閘門孔口高度均較高，因此在大、中型軸流轉槳式機組水電站進水口事故閘門大多采用固定式卷揚啟閉機進行操作。

因此事故閘門布置形式無論采用固定式卷揚啟閉機操作事故閘門的一門一機布置方案還是多門一機布置方案，均不能滿足在5min內(nèi)關閉事故閘門的要求，不能作為防止機組飛逸的措施。

在較長的一段時間內(nèi)，考慮到軸流轉槳式機組水電站的事故閘門不能作為防止機組飛逸的措施，且采用多門一機布置方案在投資方面明顯優(yōu)于一門一機布置方案等因素，國內(nèi)大、中型軸流轉槳式機組水電站的事故閘門布置形式多采用的是多門一機布置形式，見表1。

表1 國內(nèi)部分軸流轉槳式機組電站的設計參數(shù)及事故閘門布置方式匯總表Table 1 Design parameters and emergency gates layouts of domestic power stations with Kaplan turbines

根據(jù)各電站機組結構特點，所需事故閘門數(shù)量各不相同。采用每孔事故閘門各配備一臺固定卷揚式啟閉機后，由于每孔事故門均需設置啟閉機，且攔污柵、檢修閘門等仍需要壩頂門機起吊，僅僅是壩頂門機的起吊容量略有減小，因此機電方面的投資會有所增加。且由于啟閉機的布置位置，可能會帶來土建上的投資變化，因此該方案的總投資會比多孔事故閘門配備一臺壩頂門機的方案略高。

在“5.12”汶川大地震及俄羅斯薩揚－舒申斯克水電站發(fā)生重大事故后，國家對涉及國民安全的相關問題更加重視，將水電站的安全可靠運行放在了首位。在對軸流轉槳式機組水電站調研和回訪時，部分采用多門一機布置事故閘門的水電站的運行單位提到，雖然至今電站運行是安全可靠的，但事故閘門采用該布置形式是存在一定的安全事故隱患的，并且正在考慮進行相應的技術改造，以確保電站的安全運行。

4 結論

從電站長期安全穩(wěn)定運行出發(fā)，軸流轉槳式機組水電站進水口事故閘門的采用每孔事故閘門各配備一臺固定卷揚式啟閉機來取代多孔閘門配備一臺壩頂門機是必要的，更是可行的。雖然在機電和土建總投資上會略有增加，但從消除電站安全事故隱患、防止事故擴大所帶來的直接和間接的效益是不可估量的。

［1］王建忠，盧進玉.葛洲壩電廠水輪發(fā)電機組技術改造簡述［J］.水力發(fā)電，2002，（6）.

［2］王祖卿.淺談水輪發(fā)電機組的飛逸保護［J］.湖北水力發(fā)電，2007，（6）.

［3］李軍.平班水電站廠房進水口事故閘門設計［J］.紅水河，2006，（1）.

INSTALLING THE EMERGENCY GATE AT THE INLET OF THE HYDROPOWER STATION WITH KAPLAN TURBINES

Chen Zu－jia1，F(xiàn)ang Yan
（1.Hydrochina Chengdu Engineering Corporation，Chengdu 610072，China；2.Environmental ＆ Civil Engineering College of Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

In recent years，emergency gates have been installed at the inlet of the hydro－station with Kaplan turbines in two ways：one machine for one gate or one machine for several gates.In accordance with the features of Kaplan units，measures are elaborated to prevent units from running away.Then through an comparison of the advantages and disadvantages of these two layouts，the one－machine－one－gate layout is preferred to the other.

dam intake；emergency gate；Kaplan turbine；runaway prevention

TV663；TV737

A

1006－4362（2011）04－0108－03

2011－10－18 改回日期：2011－11－09

陳祖嘉（1979－ ），男，重慶人，中國水電工程顧問集團公司成都勘測設計研究院工程師，主要從事水電站水力機械設計工作。