水電站泄水口閥門的設計與安裝經(jīng)驗

［德國］ M.尼格爾

德國閥門制造商VAG閥門股份有限公司的歷史可追溯到1872年，它不僅在德國國內(nèi)，也在世界范圍內(nèi)的大壩和水力領域享有盛譽。在過去140多年的時間里，公司一直為城市供水、污水處理、工業(yè)市場、大壩與水電等項目提供閥/閘門，公司注重創(chuàng)新的解決方案，業(yè)已成為閥門市場的先鋒企業(yè)之一，其產(chǎn)品應用于泄水底孔、壓力水管、進口安全閥、水輪機旁路消能閥門等，并成為全球品牌。

除了高度專門化的閥門(比如用于消能或者水下泄水口的柱塞閥)以外，該公司還為所有大壩工程配備了全部種類的閥門和閘門，這些閥門中的一部分為其聯(lián)合公司，即美國的R.亨特公司以及加拿大的方坦公司所生產(chǎn)，這讓VAG集團成為了閥門、閘門的一站式供應商。這些閥門包括不銹鋼滑動閘門、輥式閘門、何本閥和緊急關閉閥門。

該公司在20多年前首次直接進入亞洲市場，如今在中國和印度都設有工廠。其產(chǎn)品供應可溯至20世紀50～60年代早期，那時供應安裝的一些產(chǎn)品如今仍在運行。通過在中國、印度、馬來西亞、印度尼西亞和其他亞洲國家的在建項目，VAG作為一個閥門供貨廠家已經(jīng)在亞洲市場獲得了較高的聲譽。

1 爪哇島溶洞水電站

具有挑戰(zhàn)性的項目之一是，VAG參與建設的印尼的一個獨特試點工程，該工程位于印尼爪哇島上，是世界第一個溶洞水電站工程。

日惹特區(qū)之所以是爪哇島和印尼最貧困的地區(qū)之一，主要是因為其極度缺水。多巖的卡斯特地貌上的土壤和持續(xù)數(shù)月的干旱季節(jié)使當?shù)厥粘蓱K淡，缺乏飲水。20世紀80年代，在高原下100 m發(fā)現(xiàn)了一個有地下河流的溶洞系統(tǒng)，但缺乏一種可持續(xù)開發(fā)這一資源的方法。

德印兩國于2000年為此展開合作，共同管理瓜布里賓(Guabribin)溶洞里的試點工程。

即使是在干旱季節(jié)，瓜布里賓溶洞也會有超過1000 L/s的水流過，很適合建造大壩。該計劃是為了控制來自洞穴系統(tǒng)被攔截的水并將其收集到一地下水庫，使這些水可以用來發(fā)電和供水。工程將用到一個控制水流的VAG RIKO柱塞閥和一個隔離水流的VAG EKN蝴蝶閥。

然而，在100 m深的地穴里修建大壩和安裝設備并非易事，有許多困難需要克服。必須對溶洞系統(tǒng)進行研究和測量，并須小心地保護本土動物。而在周密的計劃之后，項目的實施仍然花費了數(shù)年。2004年12月，工程隊用立式鉆機鉆通了一條100 m長的交通隧道，地下大壩的建造工作得以展開。施工期間，項目的進度數(shù)次因諸如2006年的災難性地震、洪水和巖石崩落這樣的事件而延后。在經(jīng)過幾次挫折之后，項目的土建工程終于在2008年7月份完工，閥門安裝的位置此時也已準備就緒。

當閥門運抵安裝現(xiàn)場時，緊張的氛圍愈加濃烈。將閥門運進洞穴本身就是一項挑戰(zhàn)。沉重的柱塞閥必須通過供給通道送入地下。在機械和起重機只能發(fā)揮有限作用的條件下，一旦閥門到達預定位置，就將被安裝在其基座上。這些閥門的安裝由洞穴內(nèi)水輪發(fā)電機提供電力的電子驅動裝置完成。加裝的通氣系統(tǒng)保證閥門在任何工況下的運轉不會產(chǎn)生空化和震動的現(xiàn)象。

在現(xiàn)場工程完工后，2008年6月底，成功地進行了一次洪水工況測試，以證明溶洞和大壩可以承受洪水壓力。現(xiàn)在，水帶動水輪機組，而這些水輪機由驅動器聯(lián)接到供水水泵上，水泵再將一部分水泵至200 m高的供水水庫中。該項目成功運行后，項目組于2009年將其移交當?shù)卣?。這是一個試點工程，計劃中有更多的站址將被開發(fā)。

2 蘇門答臘島阿薩漢壩

阿薩漢(Asahan)壩建于印尼蘇門谷臘島北部亞沙汗河上。

該項目對于大壩的泄水底孔有一個要求:在170 m凈水頭下，其自由出流泄水閥門要有高達68 m3/s的泄流能力。除了復雜的液壓和電力控制系統(tǒng)外，幾乎沒有任何制造商可以用單個閥門來滿足這一技術要求。唯有擁有數(shù)百次安裝經(jīng)驗的VAG能用單閥門處理如此巨大的流量。相比而言，其他雙閥門方案會顯著提高閥門成本，土建成本和安裝、運行成本。

與消能及閥門內(nèi)部部件上的磨損，特別是噪音和振動有關的問題往往是設計這種泄水底孔的關鍵。當高速度的水流過閥座時，振動往往伴隨著閥門內(nèi)部及出口處產(chǎn)生的氣穴而來。該項目中閥門出口處水流流速預計高達60 m/s，這一流速遠高于同類閥門的應用規(guī)范，如此高流速下的水流通過斷流閥套筒邊緣時會立即蒸發(fā)并在液流中形成蒸汽氣泡。氣泡隨著液流移動，其中一部分會在水流中或者在閥門的內(nèi)壁上破裂，是噪音和震動形成的主要原因。這些氣泡會空蝕閥門表面材料并損害結構，應盡可能被消除。因此，該項目采用了一種經(jīng)過優(yōu)化的設計并安裝了一個通氣裝置，這種裝置允許空氣在流出射流引導罩前進入水流并消除部分能引起氣蝕的蒸汽氣泡。

另一個適用于泄流底孔和消能措施(如用于水輪機旁路)的閥門，是VAG的RIKO柱塞閥，它可引導水流朝向閥門的中心?；谒l件，設計了一種合適的消能結構以消耗足夠能量并阻止氣泡形成，有了這些防氣蝕結構，水會被引導通過一多孔的圓柱而被分成數(shù)百道較小的射流。這些射流在閥門的中心匯合，在閥門內(nèi)形成了一個難以產(chǎn)生水蒸汽氣泡的水力高壓區(qū)。VAG公司執(zhí)行了眾多任務，相對消能室中僅僅數(shù)米水柱的反壓，壓力降落高達430 m水柱但沒有產(chǎn)生空化。這就可采用更小的消能室且有可能減小噪音和振動等級，特別是在水下出流的情況下。

對于阿薩漢壩的泄流底孔，其流量大且直接泄放到大氣中，KSS空心射流閥便成了唯一選擇。2009年8月，這種巨大的閥門運抵勿拉灣。因為勿拉灣和阿薩漢之間既無鐵路也無高速公路，動用了足有一個車庫尺寸的巨大板條包裝箱來運送，貨物運送到現(xiàn)場耗時50多個小時。

當時來自中國和德國的3位VAG服務工程師早已待命監(jiān)督安裝工作和將這個巨大的閥門與它的驅動控制系統(tǒng)連接起來。因工作人員有多年的現(xiàn)場安裝經(jīng)驗，笨重的閥門得以快速而熟練地安裝到位。安裝好的閥門經(jīng)過成功的試運轉，不久之后便投入了全面運行。

多年來VAG在亞洲地區(qū)的大壩和水電行業(yè)中完成了諸多具有挑戰(zhàn)性的項目，這些只是其中的兩個例子。