烏江泵站大型拍門斷流裝置改造分析

陳開金　方寶平　劉曉盼

【摘要】本文針對烏江泵站多扉式拍門存在的主要問題及其原因進(jìn)行了分析，根據(jù)實(shí)際情況對拍門改造方案進(jìn)行比選，確定結(jié)合主水泵改造，采用大口徑節(jié)能型側(cè)翻式拍門，介紹了節(jié)能型側(cè)翻式拍門主要結(jié)構(gòu)、技術(shù)特點(diǎn)、改造安裝及改造后的初步運(yùn)行情況。

【關(guān)鍵詞】多扉式拍門；大口徑節(jié)能型側(cè)翻式拍門；改造安裝

Analysis of Renovation of Large-scale Flap Breakage Device in Wujiang Pumping Station

CHEN Kaijin， FANG Baoping，LIU xiaopan

Citation River Project of Simashan Administrative Division of Anhui Province ， Maanshan 238251， China

Abstract：there are main problems and reasons of many leaf type door of wujiang river pumping station renovation was analyzed in this paper， and according to the actual situation of flap valve reconstruction scheme comparison， combining with the main pump is determined， using large diameter energy-saving rollover type door， this paper introduces the energy-saving rollover type flap valve reconstruction of main structure， technical characteristics， installation and after the initial operation.

Key words：The multi-title type pats the door； Large caliber energy saving type side flip door； Modify installation

引言

拍門是泵站工程中主要的斷流裝置，由于工作簡單、維修方便、節(jié)省投資、便于啟動(dòng)，從在上個(gè)世紀(jì)六十年代開始廣泛運(yùn)用，但是泵站拍門斷流也存在兩大缺陷：一是出口損失偏大；二是停機(jī)時(shí)在水壓和拍門自重作用下產(chǎn)生較大的撞擊力，對拍門本身和水工建筑物會(huì)造成較大的危害。本文以烏江泵站為例，為解決該泵站出口損失和撞擊力過大的問題，對該泵站水泵機(jī)組斷流裝置多扉式拍門斷流方式進(jìn)行研究改造。

1、存在的主要問題及原因分析

1.1 存在的主要問題

烏江泵站是駟馬山灌區(qū)首級(jí)提水泵站，始建于1969年，設(shè)計(jì)裝機(jī)10臺(tái)，目前裝機(jī)6臺(tái)，單機(jī)容量1600kW，水泵為2.8CJ-70立式全調(diào)節(jié)軸流泵，設(shè)計(jì)揚(yáng)程5.62m，設(shè)計(jì)流量21.0m3/s。烏江泵站每臺(tái)機(jī)組有兩個(gè)出水口，尺寸為2650×2700mm2，出水口中間有一400mm厚的橫梁，把出水口分成四個(gè)2650×1150mm2的孔（見圖1），每孔安裝兩個(gè)球墨鑄鐵門座（門座結(jié)合面用螺栓連接，一次安裝），每個(gè)門座安裝旋啟式1350×1250×200mm3鋼板浮箱拍門一只，每臺(tái)機(jī)組計(jì)有拍門8只，拍門在水中的比重為1.1。運(yùn)行中主要存在以下問題：

1）機(jī)組運(yùn)行時(shí)流道出口流速不均，出水流態(tài)紊亂，拍門受到水流的不均勻沖擊、振動(dòng)較大，經(jīng)常出現(xiàn)鉸座螺絲松動(dòng)、疲勞斷裂，門體斜掛甚至出現(xiàn)被沖走的情況，導(dǎo)致停機(jī)時(shí)回水使機(jī)組發(fā)生倒轉(zhuǎn)，影響到機(jī)組的安全運(yùn)行。

2）拍門開啟角度小，水力損失大。1978年駟馬山引江工程管理處對烏江抽水站拍門進(jìn)行實(shí)測試驗(yàn)，8扇拍門中最大開啟角度為70°，最小為45°。拍門在水中自由浮動(dòng)與固定掛起比較，效率低約0.5%～3%。

3）拍門關(guān)閉時(shí)沖擊力較大，故障頻繁，檢修不便，門體及鐵附件銹蝕嚴(yán)重，日常維護(hù)費(fèi)用高。

1.2 原因分析

根據(jù)多年的拍門實(shí)際運(yùn)行情況，結(jié)合國內(nèi)公開發(fā)表的一些技術(shù)文獻(xiàn)、著作進(jìn)行分析、研究，主要原因有以下幾個(gè)方面：

1）由于軸流泵出流環(huán)量與出水彎管二次流的雙重作用，出水管內(nèi)為復(fù)雜的螺旋流，整個(gè)出水管內(nèi)水流都具有較大的環(huán)量，斷面軸向流速分布極不均勻。從平時(shí)機(jī)組運(yùn)行情況來看，順?biāo)鞣较蜃髠?cè)出水孔流量較大，拍門張角大，右側(cè)出水孔流量較小，拍門張角小。

2）由于出水流道較短，水泵出口環(huán)量造成的流速不均未能在出水流道內(nèi)得到充分調(diào)整，以致水流在沖開拍門后突然擴(kuò)散，在拍門內(nèi)外側(cè)發(fā)生水平方向和垂直方向的漩滾，出口水流擴(kuò)散沖擊到胸墻（拍門水平中心線到胸墻的距離為1.5m），反射的水流又撞擊閘門，增強(qiáng)了水流漩滾的強(qiáng)度。拍門在漩滾水流的作用下產(chǎn)生振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)，在這種扭振慣性力長時(shí)間的作用下，鉸座螺絲等受力部件產(chǎn)生疲勞變形甚至斷裂。烏江泵站拍門較多，橫梁、門框阻水嚴(yán)重，加劇了出水水流的紊亂程度。

3）拍門關(guān)閉時(shí)過大的沖擊力使得拍門及其受力部件疲勞變形加劇，拍門的工作和受力條件與設(shè)計(jì)條件偏離越來越大，并呈現(xiàn)惡性循環(huán)關(guān)系，加速了拍門損壞的速度。

4）軸承孔與銷軸間隙較大，軸承材料為球墨鑄鐵，易銹蝕、磨損，隨著運(yùn)行時(shí)間延長，軸承間隙越來越大，加劇了拍門振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)。

5）門框、鉸座及拐臂等部件采用球墨鑄鐵，檢修、加工困難，門體采用A3鋼板焊制，采用普通防腐涂料，防腐蝕效果差。

2、改造方案選擇

2.1 方案比選

對于直管岀流的泵站，目前斷流方式主要有快速閘門斷流、液控蝶閥斷流和拍門斷流三種。下面綜合各方案的優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)行方案必選：

1）快速閘門斷流。烏江泵站每臺(tái)機(jī)組設(shè)有2扇出口檢修門，2003年將其改成液壓快速閘門，并增設(shè)了一套液壓啟閉系統(tǒng)，從運(yùn)行的情況看，該系統(tǒng)啟閉速度慢，無法做到快速斷流。

2）液控蝶閥斷流。不僅具有施工容易，土建工程量小等直管式流道的所有優(yōu)點(diǎn)，而且具有水頭損失?。ㄟ\(yùn)行時(shí)液控蝶閥全開），效率較高，運(yùn)行費(fèi)用低；液控蝶閥結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，檢修容易，關(guān)閉時(shí)撞擊力小，但烏江泵站出水池空間狹小，如安裝布置液控蝶閥需進(jìn)行大量的水工建筑物改造，這顯然是不現(xiàn)實(shí)的，且該設(shè)備價(jià)格昂貴，故該方案也不適用。

3）拍門斷流。在駟馬山灌區(qū)工程中，烏江泵站采用多扉式拍門。滁河一級(jí)站采用帶緩沖裝置的大型空心拍門，存在拍門開啟角度小，關(guān)閉時(shí)撞擊力大，緩沖裝置容易失效等。滁河二級(jí)站采用雙節(jié)拍門，雙節(jié)拍門有浮箱式和液壓操作式，浮箱式拍門阻力大，開啟角度小，關(guān)閉時(shí)撞擊力大，下節(jié)拍門在水中抖動(dòng)厲害，運(yùn)行中存在的問題也比較多，液壓操作拍門投資較大，且液壓部件故障率高。

4）節(jié)能型側(cè)翻式拍門。近年來在中小型泵站應(yīng)用較多，主要利用門瓣傾斜，門重的部分分力作為閉門的動(dòng)力。自由側(cè)翻式拍門的結(jié)構(gòu)簡單，無附加設(shè)備，便于改造安裝。

2.2 節(jié)能型側(cè)翻式拍門主要結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)

節(jié)能型側(cè)翻式拍門結(jié)構(gòu)與普通拍門類似，即由閥瓣（門瓣）、鉸軸、門框和密封件組成，門瓣通過鉸軸安裝在門框上，靠橡膠密封止水。大型拍門根據(jù)需要還設(shè)有緩沖器。根據(jù)力學(xué)原理，將門瓣鉸軸豎向布置，并向內(nèi)傾斜一定角度，利用門瓣的自重水平分力作為閉門動(dòng)力，以達(dá)到減小拍門開啟阻力和自動(dòng)閉門的目的（見圖2）。節(jié)能型側(cè)翻式拍門主要有以下幾個(gè)方面的技術(shù)特點(diǎn)：

1）安全穩(wěn)定，節(jié)能高效。阻力系數(shù)小于0.1，水頭損失0.04m，拍門開啟角度可達(dá)到80°以上，消除了出水產(chǎn)生的漩渦。

2）結(jié)構(gòu)簡單可靠，拍門啟閉自如。不僅撞擊力小，而且消除了水錘。

3）設(shè)計(jì)水頭15m以上的拍門，只需要增加一種簡單可靠、無需人工操作的無極調(diào)速緩沖裝置，即可達(dá)到拍門快開緩閉，運(yùn)行安全可靠，又能消除撞擊力和水錘的目的。

4）拍門主體為碳鋼材料，鉸軸為不銹鋼材料加碳鋼，軸套為石墨基體的鑲嵌式銅合金自潤滑軸承，配合偶件不會(huì)生銹，使用壽命可達(dá)30年以上。

經(jīng)過多次現(xiàn)場勘測，并對其主要性能進(jìn)行了論證，采用大口徑節(jié)能型側(cè)翻式拍門改造，可保持出水流道結(jié)構(gòu)和過流斷面基本不變，改造工程量小，能夠保證出水流道平滑過渡。

3、大口徑節(jié)能型側(cè)翻式拍門改造安裝

3.1 出水口改造施工

本次改造每臺(tái)機(jī)組選用2套2900×2200mm2（拍門孔口面積）對開式側(cè)翻拍門，與原出水孔口有差異，需要對出水口進(jìn)行改造，除需要鑿除橫梁外，還需在流道側(cè)墻澆筑部分二期鋼筋砼，保證側(cè)翻拍門孔口與原出水流道平滑過渡。

1）老混凝土鑿除尺寸應(yīng)嚴(yán)格按照圖紙進(jìn)行，確保二期混凝土有足夠的斷面尺寸和體積。新老混凝土結(jié)合面需要鑿毛處理，錨筋應(yīng)嚴(yán)格按照圖紙規(guī)定的規(guī)格尺寸和數(shù)量施工，混凝土標(biāo)號(hào)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求控制，確保二期混凝土有足夠的強(qiáng)度。

2）拍門二期砼澆筑時(shí)要保證通氣孔暢通，斷面尺寸與原狀相同。

3.2 拍門改造

3.2.1 老拍門拆除

1）老拍門拆除過程中，應(yīng)使用人工風(fēng)鎬拆除，嚴(yán)禁使用大型破除機(jī)械進(jìn)行破壞性拆除，以免出水流道混凝土結(jié)構(gòu)遭受破壞。

2）拆除后老混凝土中的主筋應(yīng)露出足夠的長度，確保與錨筋、新拍門有足夠的焊接長度。

3）由于施工場地狹小、封閉，施工過程中產(chǎn)生的煙塵不易排出，應(yīng)采取強(qiáng)排措施，加強(qiáng)空氣流通，并做好其他安全防護(hù)措施，施工垃圾應(yīng)清理外運(yùn)，嚴(yán)禁將施工垃圾倒入機(jī)組流道中。

3.2.2 新拍門安裝

拍門門框的錨筋每套36個(gè)，四周均布，與原混凝土中的鋼筋焊牢，拍門安裝應(yīng)在廠家的指導(dǎo)下進(jìn)行。

1）起吊。拍門起吊前應(yīng)確認(rèn)門葉已經(jīng)固定牢靠，防止起吊時(shí)門葉打開與周圍物體發(fā)生碰撞。拍門起吊時(shí)將鋼絲繩安裝在門框的吊環(huán)上，根據(jù)拍門的自重選擇汽吊進(jìn)行吊裝。

2）定位。拍門門座（門框）面靠攏木模，底部放在底檻支撐座上，拍門錨筋與老混凝土露出的鋼筋搭住點(diǎn)焊，同時(shí)兩側(cè)面打吊線確定好傾斜角度，兩側(cè)面傾斜角度誤差不超過0.5°，底部用水平測量儀調(diào)水平，保證拍門門框底部與出水口孔口底部在同一平面上，誤差控制在4mm。

3）加固。定位無誤后，拍門錨筋與老混凝土鋼筋、拍門門座以及底檻支撐座與拍門等所有連接處焊接牢固，為防止焊接過程中形變，應(yīng)采用對稱焊接，并隨時(shí)復(fù)測拍門傾斜角度和水平度，及時(shí)調(diào)整。

4、初步運(yùn)行情況

從2013年7月10日5#機(jī)組安裝完工后，各改造機(jī)組陸續(xù)投入運(yùn)行，運(yùn)行情況良好。2014年12月8日完成全部6臺(tái)機(jī)組啟動(dòng)驗(yàn)收后，又陸續(xù)投入抗旱運(yùn)行，至2016年8月30日，結(jié)合抗旱抽水，6臺(tái)新改造機(jī)組共啟動(dòng)機(jī)組31次，累計(jì)運(yùn)行996.5臺(tái)時(shí)，抽水約8280萬m3（見表1）。

改造后的拍門運(yùn)行正常，停機(jī)時(shí)拍門4扇門葉先后關(guān)閉，關(guān)閉撞擊聲音正常，其中6#機(jī)組停機(jī)時(shí)最大凈揚(yáng)程達(dá)6.5m。

圖3是6#機(jī)組2013年11月10日16時(shí)出水池運(yùn)行情況，由于拍門淹沒在水面以下，無法觀察到其運(yùn)行情況，從出水池運(yùn)行聲音判斷，無拍門撞擊聲。

圖4是8#機(jī)組停機(jī)后于2014年1月16日15時(shí)出水池檢查情況，8#機(jī)組于2014年1月13日16時(shí)停機(jī)，液壓檢修門即時(shí)關(guān)閉，機(jī)組停機(jī)時(shí)上游水位約為8.5m，出水池檢修平臺(tái)高程8.50m，基本上出水池水位與抽水站上游河道水位持平，水面平靜，無漩渦，無水流聲音，說明拍門關(guān)閉可靠，密封良好。

結(jié)論：

本文根據(jù)該泵站工程實(shí)際進(jìn)行充分分析論證，節(jié)能型側(cè)翻式拍門是一項(xiàng)創(chuàng)新型的拍門斷流技術(shù)，目前在中小型泵站中得到了廣泛應(yīng)用，但在大型泵站改造中尚不多見，從本次改造后初步運(yùn)行情況來看，取得了較好的效果，對大型低揚(yáng)程泵站拍門斷流裝置改造有一定的借鑒作用，具有一定的推廣應(yīng)用意義。

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