清遠(yuǎn)抽水蓄能電站上水庫事故檢修閘門充水閥設(shè)計(jì)探討

肖段龍，周育楨，董笑波

（1.廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510635；2.國家電網(wǎng)節(jié)能服務(wù)有限公司，北京 100052；3.河北省桃林口水庫管理局，河北 秦皇島 066400）

0 前 言

廣東清遠(yuǎn)抽水蓄能電站位于廣東省清遠(yuǎn)市的清新縣太平鎮(zhèn)境內(nèi)，電站裝機(jī)容量1280 MW，主要承擔(dān)廣東電網(wǎng)調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相以及緊急事故備用等任務(wù)。清遠(yuǎn)抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)布置為一洞四機(jī)，在上水庫引水隧洞進(jìn)出口段設(shè)閘門井1座，孔口尺寸9.2 m×9.2 m （寬×高，下同），布置1扇事故檢修閘門，閘門型式為平面滑動(dòng)門，利用水柱動(dòng)水閉門，采用高揚(yáng)程卷揚(yáng)機(jī)進(jìn)行操作。

當(dāng)電站上水庫水位達(dá)到587.0 m時(shí)，即可滿足機(jī)組調(diào)試基本要求。由于清遠(yuǎn)抽水蓄能電站水道為全混凝土襯砌，充水時(shí)要求水位緩慢上升。但為了控制水道的總充水時(shí)間，對(duì)水道各段充水的要求進(jìn)行了優(yōu)化:中平段充水要求較快，需要采用約4400 m3/h的大流量進(jìn)行充水；豎井段要求實(shí)現(xiàn)緩慢充水，需要采用約266 m3/h的小流量進(jìn)行充水。因此充水閥需要具有較好的適應(yīng)能力和調(diào)節(jié)能力，同時(shí)能實(shí)現(xiàn)比較精確的流量控制；另外為了不影響水道總漏水量的測(cè)量精度，還要求充水閥關(guān)閉時(shí)不漏水。

1 充水閥選型布置

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站上水庫事故檢修閘門充水閥選型時(shí)考慮了兩個(gè)方案:方案一為傳統(tǒng)的蓋板式，即在門頂上對(duì)稱設(shè)置兩個(gè)充水閥，充水閥由固定式卷揚(yáng)機(jī)操作；方案二為在流道側(cè)邊專用閥井內(nèi)設(shè)置一套單獨(dú)控制的可控制流量的充水系統(tǒng)。經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)方案比較，充水閥布置選擇了投資很少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單實(shí)用，閘門頂梁格內(nèi)的垃圾不會(huì)被水流吸入充水閥，充水閥與閘門結(jié)合使用，維護(hù)方便的方案一。將選定方案的布置型式與一般平蓋式充水閥布置方式相比，作了以下改進(jìn):①將充水閥設(shè)置在事故檢修閘門頂主梁腹板以上350 m的平臺(tái)座上，以防止充水閥卡阻；②充水閥直徑減小為φ250 mm，以保證充水閥在小開度時(shí)的調(diào)節(jié)和控制平穩(wěn)。解決了在惠州抽水蓄能電站B廠水道充水過程中出現(xiàn)充水閥被防護(hù)欄桿廢料卡阻及充水閥小流量時(shí)控制困難的兩個(gè)問題。

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站上水庫事故檢修閘門充水閥具體結(jié)構(gòu)由套筒、閥芯組成，套筒焊接在門葉結(jié)構(gòu)上，其頂部水封裝置設(shè)于充水閥頂蓋座板上，與閥芯的平蓋組成密封副；閥芯設(shè)有可在套筒內(nèi)上下滑動(dòng)的導(dǎo)向板，用以保證閥芯與套筒的同心度。閥芯通過軸與吊梁連接，吊梁再與啟閉閘門的固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)的動(dòng)滑輪組連接。此外，吊梁還可起到增加壓重以利于閥門關(guān)閉。其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。

圖1 充水閥剖面及平面（單位:mm）

充水閥由固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)操作。通過啟閉機(jī)動(dòng)滑輪組的升降，帶動(dòng)充水閥閥芯的升降；閥芯的平蓋與套筒頂部之間的開度可以過流，從而達(dá)到充水的目的。啟閉機(jī)現(xiàn)地控制柜上設(shè)有開度指示器，可數(shù)字顯示開度。

2 充水閥開度與流量關(guān)系

水道首次充水按上水庫死水位587 m估算；水庫正常運(yùn)行后，水道檢修充水上水庫按正常高水位612.5 m計(jì)算。充水閥流量按以下公式估算

式中，μ為充水閥的流量系數(shù)；A為總過流面積；g為水的重力加速度；H為充水水頭差。其中μ計(jì)算公式如下:

式中，λ為沿程損失系數(shù)，約為0.034；l為充水管路長(zhǎng)度，約為2100 mm；d為充水閥直徑；ζ1～ζ4為充水閥進(jìn)口至出口的局部損失系數(shù)。流量系數(shù)計(jì)算值為 μ=0.6。

2個(gè)直徑φ250 mm的充水閥總過水面積為Amax=2πr2×0.1252=0.098 m2。

2.1 計(jì)算工況一，上水庫處于死水位

上水庫處于死水位時(shí)，上水庫事故檢修閘門充水水位587.0 m，充水閥出口高程為574.6 m，此時(shí)充水閥最小充水水頭差為Hmin=587-574.6=12.4 m。

按公式 （1）計(jì)算充水閥不同開度下每小時(shí)流量，結(jié)果見表1所示。

表1 充水閥開度與流量關(guān)系 （死水位工況）

表1表明，當(dāng)充水閥開度為62.5 mm以上時(shí)，充水閥達(dá)到最大流量3305 m3/h，流量比設(shè)計(jì)值約小25%?？紤]到此計(jì)算工況為極端工況，經(jīng)復(fù)核通過略微延長(zhǎng)充水時(shí)間仍可滿足中平洞充水的要求。當(dāng)充水閥開度為5 mm時(shí)，充水閥最小流量約為264 m3/h，滿足設(shè)計(jì)最小流量要求。

2.2 計(jì)算工況二，上水庫處于正常水位

當(dāng)上水庫正常水位時(shí)，上水庫事故檢修閘門充水水位612.5 m，充水閥出口高程約為574.6 m，此時(shí)充水閥充水水頭差為Hmax=612.5-574.6=37.9 m。

按公式 （1）計(jì)算充水閥不同開度下每小時(shí)流量，具體見表2充水閥開度與流量關(guān)系 （正常水位工況）。

表2 充水閥開度與流量關(guān)系 （正常水位工況）

表2表明，當(dāng)充水閥開度為50 mm時(shí)，就可滿足中平洞設(shè)計(jì)流量的要求；當(dāng)充水閥開度為62.5 mm以上時(shí)，充水閥達(dá)到最大流量5796 m3/h，流量比設(shè)計(jì)值大31.7%。當(dāng)充水閥開度約為3 mm時(shí)，充水閥最小流量約為278 m3/h，滿足設(shè)計(jì)最小流量要求。兩種工況下的充水閥流量與開度關(guān)系曲線見圖2。

3 結(jié)論與建議

圖2 充水閥流量與開度關(guān)系曲線

在改進(jìn)惠州抽水蓄能電站上水庫事故檢修閘門充水閥基礎(chǔ)上，經(jīng)理論計(jì)算與分析，提出了清遠(yuǎn)抽水蓄能電站上水庫事故檢修閘門上設(shè)置充水閥的數(shù)量、規(guī)格，并推導(dǎo)了充水閥流量和開度的相互關(guān)系，以指導(dǎo)不同水位下對(duì)充水閥的操作控制；另外充水閥的開度控制可通過啟閉機(jī)控制柜PLC設(shè)置多個(gè)斷點(diǎn)模式或人工點(diǎn)動(dòng)控制的模式來實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)了充水閥最小開度調(diào)節(jié)與啟閉機(jī)開度指示器精度的匹配。

由于計(jì)算選取的流量系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)值，同時(shí)開度儀表自身的設(shè)備精度及安裝誤差等原因，可能會(huì)導(dǎo)致實(shí)際充水流量與計(jì)算值略有偏差，這可通過實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來加以總結(jié)和調(diào)整，尤其是充水閥在極小開度階段需特別注意。

［1］廣東清遠(yuǎn)抽水蓄能電站可行性研究報(bào)告[R].廣州:廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,2007.

［2］肖段龍.清遠(yuǎn)抽水蓄能電站水道充水設(shè)施方案設(shè)計(jì)[J].廣東水利水電,2013（7）:73-75.

［3］吳新平,等.惠州抽水蓄能電站機(jī)電設(shè)計(jì)特點(diǎn)與創(chuàng)新 [J].水力發(fā)電,2010,36（9）:36-39.

［4］蔣立新.黑糜峰抽水蓄能電站金屬結(jié)構(gòu)布置與設(shè)計(jì)[J].水力發(fā)電,2010,36（7）:70-72.