深圳抽水蓄能電站上水庫進(jìn)/出水口攔污柵設(shè)計(jì)

李珍祥

(廣東省水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510635)

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深圳抽水蓄能電站上水庫進(jìn)/出水口攔污柵設(shè)計(jì)

李珍祥

(廣東省水利電力規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510635)

抽水蓄能電站的水道布置較為復(fù)雜,理想的進(jìn)水口布置形式常受到輸水道條件、擴(kuò)散段體型等諸多因素的影響和限制。深圳抽水蓄能電站上庫進(jìn)/出水口的攔污柵的布置方式為將柵槽一側(cè)軌道做成斜面,對應(yīng)的攔污柵支承滑塊與之保持對應(yīng)的斜率,確保攔污柵放置入柵槽后柵葉上的支承滑塊與柵槽的軌道面之間沒有間隙的半固定式布置方式。實(shí)踐證明,該布置方式可以有效限制欄污柵在柵槽中的振動(dòng),并且可以確保攔污柵的檢修條件。

攔污柵設(shè)計(jì)；蓄能電站

1 工程概況

深圳抽水蓄能電站(下文中簡稱“深蓄”)位于廣東省深圳市,本工程樞紐建筑物主要有上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、廠房系統(tǒng)和廠內(nèi)永久公路等五大部分。上庫正常蓄水位為526.81 m,死水位為502.00 m,調(diào)節(jié)庫容為825.24萬m3。下庫正常蓄水位為80.00 m,死水位為60.00 m,調(diào)節(jié)庫容為1 625.24萬m3,其中發(fā)電調(diào)節(jié)庫容為825.24萬m3,供水調(diào)節(jié)庫容為800萬m3。本電站服務(wù)于廣東省電網(wǎng),主要送電方向?yàn)樯钲谑?，裝機(jī)容量為1 200 MW,平均水頭為448.30 m。

2 抽水蓄能電站進(jìn)/出水口攔污柵的特點(diǎn)

攔污柵的布置是否合理直接影響到建筑物和攔污柵自身的安全運(yùn)行,如果布置不合理會(huì)造成很大的損失經(jīng)濟(jì)上和帶來運(yùn)行管理的不便。常規(guī)電站、泵站的攔污柵僅承受單向水流作用,攔污柵通常不會(huì)因?yàn)樗鞯淖兓a(chǎn)生振動(dòng)。常規(guī)的電站或泵站在運(yùn)行時(shí)僅有一種水流方向,抽水蓄能電站發(fā)電工況下的水流方向與抽水工況下的水流方向相反,且兩種工況頻繁交替變化。抽水蓄能電站攔污柵在頻繁交替變化的水流作用下常會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)的情況,柵葉也會(huì)由于振動(dòng)疲勞等原因發(fā)生破壞。雙向水流問題對攔污柵的正常使用影響至關(guān)重要。根據(jù)國內(nèi)外同行的多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),通常采用在水工布置時(shí)采用合理的水工建筑物結(jié)構(gòu)形式可有效防止攔污柵有害振動(dòng)的產(chǎn)生。通常情況下,抽水蓄能電站的水道布置較為復(fù)雜,受到輸水道條件、擴(kuò)散段體型等諸多因素的影響和限制,很難設(shè)計(jì)出理想的水工建筑物體形。為解決攔污柵振動(dòng)問題,有些電站也采用固定攔污柵的布置形式,但是固定攔污柵有著明顯的檢修維護(hù)困難的缺點(diǎn)。因?yàn)槌樗钅茈娬居谐樗桶l(fā)電工況下進(jìn)/出水口具有不同的水流方向,與之對應(yīng)的攔污柵工作條件復(fù)雜,目前還沒有一套成熟的攔污柵設(shè)計(jì)理論。

3 深蓄上庫進(jìn)/出水口攔污柵設(shè)計(jì)

3.1 總體布置

深蓄上庫位于植被覆蓋良好、污物較少的地區(qū),且集雨面積很小,年徑流量亦很小,下庫是當(dāng)?shù)仫嬘盟此畮?又都處在風(fēng)景區(qū),植被良好,污物較少,故而為盡量避免污物進(jìn)入進(jìn)水口威脅攔污柵的安全和水泵水輪機(jī)的安全運(yùn)行,結(jié)合地形等有利條件,在上庫的進(jìn)/出水口各設(shè)置1道攔污柵。且其進(jìn)/出水口位于深水之下,其攔污柵受冰凍和污物堵塞的機(jī)會(huì)相對較少,不考慮設(shè)置機(jī)械清污設(shè)備；攔污柵在立面上亦可采用垂直布置形式,以達(dá)到縮短進(jìn)水口建筑物的長度,減少建筑物的投資的效果。上庫進(jìn)/出水口攔污柵布置于喇叭口最前端,共4孔,孔口尺寸均為8.5 m×14.75 m(寬×高,下同),每孔攔污柵分6節(jié),每節(jié)高2.54 m。為方便安裝、檢修及更換,攔污柵型式采用活動(dòng)格柵,雙向減震滑塊支承,結(jié)構(gòu)按5 m水頭設(shè)計(jì),靜水啟閉,并設(shè)置清污平臺(tái)。另外,參考國內(nèi)已建同類工程經(jīng)驗(yàn),攔污柵檢修的機(jī)會(huì)比較少,故未設(shè)置永久起吊設(shè)備,只是將其檢修平臺(tái)設(shè)在死水位以上,必要時(shí)可在檢修平臺(tái)上采用臨時(shí)設(shè)備起吊[1]。柵葉布置形式見圖1。

圖1 柵葉結(jié)構(gòu)布置示意

3.2 設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題

1) 柵葉與柵槽的配合

攔污柵的振動(dòng)是抽水蓄能電站不可回避的問題,也是影響攔污柵正常使用的關(guān)鍵問題。雖然通過采用地腳螺栓將攔污柵柵葉與柵槽剛性連接在一起的固定式攔污柵可以有效避免振動(dòng)的產(chǎn)生,但是在出現(xiàn)事故或需要檢修時(shí)極為不方便,此種布置形式不是很理想。為了避免攔污柵因水流方向改變而產(chǎn)生振動(dòng),同時(shí)滿足攔污柵的檢修要求,深蓄上庫進(jìn)/出水口攔污柵在布置時(shí)將柵槽一側(cè)軌道做成150∶1的斜面,對應(yīng)的攔污柵支承滑塊與之保持對應(yīng)的斜率,確保攔污柵放置入柵槽后柵葉上的支承滑塊與柵槽的軌道面之間沒有間隙的半固定式布置方式。在安裝時(shí),根據(jù)實(shí)際測量數(shù)據(jù),采用1 mm厚的滑塊墊板調(diào)整滑塊高度,使攔污柵在重力的作用下能與柵槽緊密接觸,將攔污柵半固定于柵槽中,該種布置形式既可有效避免柵葉在柵槽內(nèi)產(chǎn)生振動(dòng),又方便將柵葉提出孔口來維修、更換。抽水蓄能電站攔污柵較為常見的支承滑塊的形式有自潤滑材料滑塊和鑄鐵滑塊兩種。就鑄鐵滑塊而言,其成本低,但是摩擦系數(shù)大,攔污柵所需的啟吊力較大；而自潤滑材料滑塊成本相對鑄鐵滑塊略高,但是其摩擦系數(shù)小,攔污柵所需的啟吊力亦較小。深蓄上庫進(jìn)/出水口攔污柵與柵槽之間采用半固定的楔型安裝方式,滑塊與柵槽軌道之間未留間隙。由于制造偏差或安裝誤差等原因,在吊起攔污柵時(shí),攔污柵的柵葉與柵槽之間可能出現(xiàn)卡鎖狀態(tài),該狀態(tài)可能會(huì)導(dǎo)致攔污柵所需啟吊力的增加。鑒于以上原因,深蓄上庫進(jìn)/出水口攔污柵所用支承滑塊采用自潤滑材料滑塊[2]。

2) 柵葉的主要結(jié)構(gòu)形式

攔污柵柵葉是由柵條、主梁、邊梁、導(dǎo)流板及隔板組成。為保證攔污柵的整體剛度,同時(shí)也簡化制造攔污柵的工藝流程,柵葉選用焊接結(jié)構(gòu),將主梁與邊梁等高焊接,柵條及導(dǎo)流板焊接于主梁上,支承隔板焊接固定于柵條之間。這種結(jié)構(gòu)形式的在工程實(shí)踐中較常用。根據(jù)滿足雙向水流、減少水阻力的原則,深蓄上庫進(jìn)/出水口攔污柵盡可能的采用近似流線的體形。為減小流經(jīng)攔污柵時(shí)的水頭損失和水流引發(fā)的激振,深蓄上庫進(jìn)/出水口攔污柵設(shè)計(jì)時(shí),其主梁采用雙腹板截面,并在主梁翼板上焊接導(dǎo)流板(如附圖2所示)。

圖2 主橫梁結(jié)構(gòu)型式示意

3) 柵條間距選擇

攔污柵的柵條間距不宜過大,過大則易通過有害物質(zhì)；其間距也不宜過小,過小則會(huì)加大水頭損失。深蓄水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑D1=4.16 m,機(jī)組為混流式機(jī)組,根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50265—2010)和《水利水電工程機(jī)電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》(SL 511—2011)中軸流泵對應(yīng)攔污柵柵條凈距取0.05倍水泵葉輪直徑,混流泵和離心泵對應(yīng)攔污柵柵條凈距取0.03倍水泵葉輪直徑[3],對于軸流式和貫流式水輪機(jī)對應(yīng)攔污柵柵條凈距按(120～130)D1計(jì)算(D1為輪輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪直徑,下同),對于混流式水輪機(jī)對應(yīng)攔污柵柵條凈距按(120～130)D1計(jì)算；且柵條最小凈距不宜小于50 mm,最大凈距不宜大于250 mm的要求[4],結(jié)合孔口尺寸和結(jié)構(gòu)布置,確定攔污柵柵條凈距取為131 mm。

4) 柵條振動(dòng)計(jì)算

從相關(guān)實(shí)驗(yàn)可知,當(dāng)水流流經(jīng)類似于柵條等柱狀構(gòu)件,并且對應(yīng)的雷諾數(shù)數(shù)值增大到一定程度后,會(huì)有相當(dāng)大范圍明顯的分離區(qū)在柱狀構(gòu)件的尾部將出現(xiàn),并伴有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)方向相反的漩渦交替脫落、 又交替出現(xiàn)于構(gòu)件尾部,進(jìn)而引起水流激振和使構(gòu)件振動(dòng)。深蓄上庫進(jìn)/出水口攔污柵布置于水流方向隨抽水和發(fā)電工況變化而變化的進(jìn)/出水口,由于攔污柵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)柵條垂直于水流方向的剛度較小,當(dāng)過柵流速增大到某一范圍時(shí),柵條尾部將出現(xiàn)交替的渦流脫落,往往會(huì)橫向產(chǎn)生共振而導(dǎo)致柵條破壞。攔污柵的破壞主要是由于單根柵條在垂直于水流方向上產(chǎn)生共振,所以應(yīng)特別注意水流對柵條橫向的作用力頻率跟單根柵條的橫向作用力頻率的相互關(guān)系。雖然在順?biāo)鞣较蛲瑯哟嬖谟伤髯饔昧?但是由于柵條順流向的剛度大, 固有頻率也高,一般情況下可不再另行計(jì)算[5]。

柵條的共振通常取決于過柵流速和攔污柵的結(jié)構(gòu)形式(柵條截面形式、柵條間距、柵條之間的相互連接方式、柵條與框架的連接方式等)。通過改變攔污柵的結(jié)構(gòu)形式使作用在柵條上的作用力頻率比柵條固有頻率出現(xiàn)較大的差距,可以有效減小產(chǎn)生共振的可能性,從而保證柵條在動(dòng)荷載作用時(shí)的穩(wěn)定性[6]。

渦流脫落產(chǎn)生的干擾頻率按式(1)計(jì)算：

(1)

式中 f為渦流脫落產(chǎn)生的干擾頻率,Hz；v為過柵流速,mm/s,有試驗(yàn)時(shí)為實(shí)測最大過柵凈流速,否則采用2.25倍平均過柵流速；δ為柵條斷面厚度,mm；Sr為斯特勞哈爾數(shù),無量綱系數(shù),當(dāng)迎水面為矩形時(shí),宜采用0.19～0.23,流速大、高厚比大都取大值。

單根柵條的固有振動(dòng)頻率按式(2)計(jì)算：

(2)

柵條在水中的有效重量按式3計(jì)算：

(3)

其中

V=1hδ

(4)

式中 W為柵條在水中的有效重量,N；V為柵條支點(diǎn)間的體積,mm3；Ws為柵條材料的容重,N/mm3；b為柵條凈距,mm；W0為水的容重,N/mm3；h為柵條斷面高度,mm。

按式(1)～(3)計(jì)算,深蓄上庫進(jìn)/出水口攔污柵渦流脫落產(chǎn)生的干擾頻率為0.01Hz,單根柵條的固有振動(dòng)頻率為0.46Hz。

(5)

渦流脫落產(chǎn)生的干擾頻率與單根柵條的固有振動(dòng)頻率有較大的差別,攔污柵在運(yùn)行過程過不會(huì)出現(xiàn)共振的情況。

4 結(jié)語

文章結(jié)合抽水蓄能電站攔污柵需要承受抽水和發(fā)電兩種工況下的雙向水流作用的工作特點(diǎn),對深圳抽水蓄能電站上庫進(jìn)/出水口的攔污柵設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。認(rèn)為,在抽水蓄能電站攔污柵設(shè)計(jì)時(shí),柵葉結(jié)構(gòu)宜按5 m水頭進(jìn)行設(shè)計(jì)；為有效避免柵葉在柵槽內(nèi)振動(dòng),同時(shí)方便安裝、檢修及更換,攔污柵柵槽宜做成楔形,柵葉宜采用雙向減震滑塊支承形式的活動(dòng)格柵,以應(yīng)的滑塊宜采用自潤滑材料滑塊；抽水蓄能電站庫區(qū)通常植被覆蓋良好、污物較少的地區(qū),且集雨面積很小,年徑流量亦很小,攔污柵受污物堵塞的機(jī)會(huì)相對較少,可以不考慮設(shè)置機(jī)械清污設(shè)備；參考國內(nèi)已建同類工程經(jīng)驗(yàn),攔污柵檢修的機(jī)會(huì)比較少,臨時(shí)設(shè)備起吊即可。在進(jìn)行抽水蓄能電站攔污柵設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)過柵流速選擇合理的柵條截面形式、柵條間距、柵條之間的相互連接方式、柵條與框架的連接方式以使柵條在水流作用下的振動(dòng)頻率與柵條固有頻率有較大的差距,避免共振發(fā)生,保證柵條在動(dòng)荷載作用時(shí)的穩(wěn)定性。

[1] 肖段龍,張巍.清遠(yuǎn)抽水蓄能電站上庫進(jìn)出水口攔污柵吊裝方案設(shè)計(jì)[J].廣東水利水電, 2014(2)：70-72．

[2] 李大偉,周兵.白山抽水蓄能電站攔污柵設(shè)計(jì)[J].東北水利水電, 2010(5)：11-12．

[3] 泵站設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50265—2010[S]．

[4] 水利水電工程機(jī)電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范：SL 511—2011[S]．

[5] 國家電力公司華東勘測設(shè)計(jì)研究院金屬結(jié)構(gòu)所.天荒坪抽水蓄能電站上、下庫進(jìn)/出水口攔污柵設(shè)計(jì)[J].華東水電技術(shù), 2000(2)：227-29，245．

[6] 水利水電工程鋼閘門設(shè)計(jì)規(guī)范：SL 74—2013[S]．

(本文責(zé)任編輯 馬克俊)

Trash Rack Design of the Inlet/outlet Reservoir in Shenzhen Pumped Storage Power Station

LI Zhenxiang

(Guangdong Hydropower Planning &Design Institute, Guangzhou 510635,China)

Channel arrangement of pumped-storage power station is relatively complex, so the ideal water inlet arrangement type often is limited to two conditions. Design of diffusion section shape also has many limitations. The track of the trash rack in Shenzhen pumped storage power station is designed as slopes, and also kept the supporting slider of the trash rack to fit with the track to make sure the trash rack was semi-fixed in the channels. Practice has proved that this placement take effective at limiting the vibration of trash rack, and also kept the maintenance condition of the trash rack.

trash rack design; pumped storage power station

2016-03-31;

2016-04-19

李珍祥(1986),男,本科,工程師,從事水工金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。

TV732+.2

B

1008-0112(2016)03-0053-03