一門一機布置型式在桐子林水電站進水口事故閘門中的應(yīng)用

曹 陽，崔家仲，賈 剛

(1.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司桐子林建設(shè)管理局， 四川 鹽邊 617000；2.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司， 四川 成都 610072)

1 工程概述

桐子林水電站位于四川省攀枝花市鹽邊縣境內(nèi)，距上游二灘水電站18 km，距雅礱江與金沙江匯口15 km，是雅礱江下游最末一個梯級電站。電站以發(fā)電任務(wù)為主，兼有下游綜合用水要求，其水庫具有日調(diào)節(jié)性能。電站由河床式發(fā)電廠房、溢流閘及擋水壩等建筑物組成，裝設(shè)4臺額定轉(zhuǎn)速66.7 r/min、飛逸轉(zhuǎn)速不超過195 r/min、額定功率為153.10 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機組。

桐子林水電站每臺機組進水口通過中墩分為3個孔口，在進口處依次設(shè)有進水口備用柵(與清污抓斗導槽共槽)、工作柵、檢修閘門和事故閘門。設(shè)有備用柵1扇，工作柵12扇，檢修閘門3扇，事故閘門12扇。

2 軸流轉(zhuǎn)槳式機組進水口事故閘門及啟閉機的常用布置型式

由于軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機組應(yīng)用水頭低，其流道尺寸相對更大，在蝸殼進口設(shè)置進水閥或在活動導葉和固定導葉之間設(shè)置筒形閥技術(shù)上十分困難。因此，一般利用其他保護方式來防止機組飛逸。但如果發(fā)生接力器故障、導葉剪斷銷剪斷數(shù)量較多、導葉卡阻、操作油管爆裂、人為誤操作等情況時，事故油壓裝置也無法防止飛逸事故的發(fā)生。

當發(fā)生飛逸等事故，在軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機組的電站中，機組不能正常停機時，依靠更快地關(guān)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。

由于大、中型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機進水口尺寸大，常設(shè)有中墩，各孔均需設(shè)置事故閘門，因此每臺機組對應(yīng)的事故閘門數(shù)量較多。同時，由于軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機組調(diào)速系統(tǒng)設(shè)有過速保護裝置，因此對進水口事故閘門一般沒有快速閉門要求。加之多門一機布置可以節(jié)省設(shè)備數(shù)量，建設(shè)成本較低，因而更受青睞。國內(nèi)大、中型軸流轉(zhuǎn)槳式機組水電站大多采用多門一機布置。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(guān)閉(或開啟)事故閘門時，需由專職駕駛?cè)藛T將壩頂門機駛到相應(yīng)事故門槽上方，將鎖定在門槽中的事故門葉逐扇緩慢放下。

根據(jù)實際運行經(jīng)驗，門機每次放下一扇門葉大約需要30～45 min。以桐子林水電站為例，每臺機組進水口均設(shè)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(guān)閉的時間大約為3 h。若發(fā)生事故時，門機駕駛?cè)藛T不在生產(chǎn)現(xiàn)場，操作時間是不可估計的。

另外，采用多門一機型式，同一臺機組進水口的多扇閘門動水關(guān)閉時，只能逐扇操作。由于中墩的體型關(guān)系，門槽下游側(cè)的水流條件對后續(xù)閘門動水關(guān)閉的操作極為不利，曾有工程出現(xiàn)過最后一扇閘門不能完全關(guān)閉的情況。

因此，機組進水口事故閘門采用多門一機的布置型式，對機組事故狀態(tài)下的安全保護是存在一定不足的。

3 一門一機布置型式在軸流轉(zhuǎn)槳式機組進水口事故閘門中的應(yīng)用

3.1 軸流轉(zhuǎn)槳式機組進水口事故閘門一門一機布置型式

軸流轉(zhuǎn)槳式機組進水口事故閘門的布置型式除前述的多門一機布置方案外，還可采用一門一機布置方案，一門一機布置方案的啟閉機可選擇固定卷揚式啟閉機或液壓啟閉機。

受制于國家的經(jīng)濟實力和液壓啟閉機的設(shè)計制造加工水平，以往大、中型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機組電站尚無采用液壓啟閉機操作進水口事故閘門的先例。銅街子、深溪溝和天橋水電站等少數(shù)采用一門一機布置方案的電站，操作閘門的啟閉機均采用的是固定卷揚式啟閉機，即傳統(tǒng)的一門一機布置方案。

傳統(tǒng)的一門一機布置方案是在每孔事故閘門正上方設(shè)置一臺固定式卷揚式啟閉機。平時，事故閘門懸掛于門槽中上部，當發(fā)生事故需要關(guān)閉事故閘門時，除了由關(guān)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，關(guān)閉事故閘門，達到同時落門的運行要求，每臺機組進水口的多扇事故閘門的關(guān)閉過程幾乎是完全同步的。

根據(jù)以往工程經(jīng)驗，結(jié)合啟閉機正常的啟閉速度驗算可知，機組事故狀態(tài)下，每臺機組的多扇閘門同時動水閉門的時間約為10～20 min。

3.2 軸流轉(zhuǎn)槳式機組進水口事故閘門一門一機液壓啟閉機布置型式

采用液壓啟閉機操作進水口事故閘門時，閘門的布置方案與采用固定卷揚式啟閉機時基本相同，僅啟閉機由固定卷揚式啟閉機改為液壓啟閉機。

每孔機組進水口均需設(shè)置閘門，每扇閘門需配備一臺液壓啟閉機。每臺機組進口的多套啟閉機為一組，共用一套控制系統(tǒng)，控制方式為現(xiàn)地和遠程控制(電站集控室)相結(jié)合。當機組發(fā)生事故時，可同時動水操作對應(yīng)的多扇閘門，達到同時落門的運行要求。

液壓啟閉機為垂直單作用式。閉門工況利用閘門及水柱重量，通過直流電源打開回油管路閥組，有桿腔回油口設(shè)置截流孔板建立持住力，設(shè)置緩沖套控制閉門瞬間門葉接近底檻的速度，無桿腔采用差動及頂部補油箱的形式補油；啟門工況利用泵站啟動產(chǎn)生的有桿腔油壓提升閘門。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，機組事故狀態(tài)下，每臺機組的多扇閘門同時動水閉門的時間可保證在10 min以內(nèi)。

當閘門需要檢修時，先將閘門鎖定，再利用雙向門機先后拆除液壓啟閉機與閘門的連接、液壓啟閉機缸體總成和機架，然后將閘門吊至壩面上進行檢修。由于液壓啟閉機自重較小，連接結(jié)構(gòu)簡單，拆卸方便，閘門檢修較固定卷揚式啟閉機方案更加便利，檢修時長較短，大大提高了機組的年利用小時數(shù)。

3.3 一門一機液壓啟閉機布置型式對電站安全運行的重要意義

采用多門一機方案，動水閉門動作時，啟閉機的操作方式為現(xiàn)地操作，且操作閘門時間長。以桐子林水電站為例，完成一臺機組全部事故閘門關(guān)閉所需時間，門機方案約為3 h。

而采用一門一機方案，當發(fā)生事故需要關(guān)閉事故閘門時，除了由關(guān)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(guān)閉事故閘門的操作，運行操作方便可靠。一門一機方案每臺機組進水口的多扇閘門的關(guān)閉過程幾乎是完全同步的，完成一臺機組全部閘門的關(guān)閉時間，傳統(tǒng)的固定卷揚式啟閉機方案大約為10～20 min，液壓啟閉機方案為10 min以內(nèi)。

2009年，俄羅斯薩揚-舒申斯克水電站發(fā)生重大安全事故。進水口快速閘門未能及時關(guān)閉截斷水流，是導致事故進一步擴大、損失慘重的重要原因。

因此，軸流轉(zhuǎn)槳式機組進水口事故閘門采用一門一機液壓啟閉機布置型式，閘門動水關(guān)閉閘門時間更短，機組事故狀態(tài)下的安全保護級別高，對保證機組長期安全穩(wěn)定運行，消除潛在的安全事故隱患具有重要意義。

4 一門一機液壓啟閉機布置型式在桐子林水電站中的應(yīng)用

4.1 桐子林水電站進水口事故閘門及啟閉機的布置型式

基于電站長期安全穩(wěn)定運行考慮，桐子林水電站進水口事故閘門采用了一門一機液壓啟閉機的布置型式。

根據(jù)一門一機布置要求，桐子林水電站12個進水口共設(shè)置事故閘門12扇，液壓啟閉機12臺。閘門門型為潛孔平面滑動式，下游止水，滑道支承，孔口尺寸為7.48 m×16.881 m-38.8 m(寬×高-設(shè)計水頭)。閘門可動水閉門，此時每個機組進口三扇閘門同時閉門時間不大于10 min(不含充水閥關(guān)閉時間)。啟門時，先通過門頂充水閥充水，待平壓后再起吊整扇閘門。平時閘門與啟閉機吊耳相連停放于上游孔口上方0.5 m處。

液壓啟閉機容量為3 200 kN(啟門力)/4 000 kN(持住力)，工作行程19.76 m，最大行程19.96 m，油缸(含補油箱)伸出壩頂20.557 m。共設(shè)4套液壓泵站，1套泵站控制1臺機組的3臺液壓啟閉機。每套泵站設(shè)2臺油泵電動機組，互相備用。液壓啟閉機可現(xiàn)地操作，也可在電站中控室集中控制。

液壓啟閉機實施事故閘門閉門動作，必須具備以下條件：直流控制電源可靠；機組發(fā)生事故，導葉不能關(guān)閉；機組過速，轉(zhuǎn)速達到三級過速保護值(即純機械過速保護裝置動作的轉(zhuǎn)速值)。純機械過速保護裝置動作時，發(fā)出動作信號給電站監(jiān)控系統(tǒng)，可在中控室進行遠方控制落門，或者直接將純機械過速保護裝置動作信號發(fā)給閘門啟閉機控制柜，自動進行落門。

當閘門需要檢修時，先將閘門鎖定在1 011.86 m平臺，利用雙向門機先后拆除液壓啟閉機與閘門的連接、液壓啟閉機缸體和機架，然后將閘門吊至壩面上進行檢修。

桐子林水電站進水口事故閘門及啟閉機布置詳見圖1。

4.2 超長行程液壓啟閉機整體布置的主要技術(shù)措施

以往在采用垂直單作用式液壓啟閉機的類似工程中，液壓啟閉機行程不大，油缸伸出壩面長度較小。

桐子林水電站進水口液壓啟閉機最大行程19.96 m，對于垂直布置的液壓啟閉機而言，該工作行程為世界之最。由于軸流轉(zhuǎn)槳式機組水頭低、壩高低，當閘門正常停放于門槽內(nèi)待命時，閘門吊耳距壩頂距離較小，而液壓啟閉機工作行程又超長，故液壓缸缸體伸出壩面長可達20.557 m。因此，設(shè)備整體布置難度很大。

桐子林水電站液壓啟閉機油缸通過機架與錨板連接，錨板采用一期混凝土預(yù)埋，此種安裝方式確保了液壓啟閉機荷載可靠作用于壩體上?，F(xiàn)場安裝時，通過在機架和錨板之間加設(shè)墊片等措施，精確調(diào)整油缸的安裝狀態(tài)，從最終實施效果看，液壓啟閉機活塞桿垂直度安裝指標優(yōu)于安裝規(guī)范的要求。

為適應(yīng)超長行程液壓啟閉機制造安裝誤差，及長期水下運行工況要求，油缸的安裝形式為下端蓋處法蘭與機架螺釘聯(lián)接，活塞桿吊頭采用自潤滑關(guān)節(jié)軸承與閘門聯(lián)接。

液壓啟閉機油缸頂部設(shè)有開度儀和補油箱，為滿足其檢修要求，以往工程中常采用沿油缸設(shè)檢修爬梯，對桐子林水電站液壓啟閉機而言，如設(shè)置爬梯，則其高度達22 m?？紤]到爬梯的安全性、可靠性及壩面景觀等因素，檢修梯方案最終采用在油缸頂部設(shè)置帶安全圍欄的檢修平臺，同時在進水口雙向門機下游支腿的跨內(nèi)側(cè)設(shè)置上人梯和進入檢修平臺的通道。

圖1 桐子林水電站進水口事故閘門及液壓啟閉機布置(單位：m)

考慮到液壓啟閉機行程超長，活塞桿和缸筒抗彎性能要求高，設(shè)備方案設(shè)計中適當加大了活塞桿直徑和缸筒厚壁厚，以提高設(shè)備的強度和剛度。

通過以上技術(shù)措施的實施，確保了桐子林水電站液壓啟閉機整體布置的安全可靠性。

5 結(jié) 語

桐子林水電站為軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機組，電站進水口事故閘門采用一門一機液壓啟閉機布置方案，對消除電站安全事故隱患、防止事故擴大，具有巨大的直接和間接效益。隨著國內(nèi)液壓設(shè)備的生產(chǎn)水平不斷提高，液壓啟閉機制造成本不斷降低，軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機電站進水口事故閘門一門一機液壓啟閉機的布置型式將越來越多地被采用。