橫山水庫(kù)閘門應(yīng)急啟閉能力提升實(shí)踐

盧林全，林建芳，陳行軍，蔡天德，王承峰，周曉軍

（閱水科技有限公司，浙江 寧波 315199）

1 問題的提出

2016年6月10日，貴州省黔東南州黎平縣雙江水電站閘門工作電源及備用電源因?yàn)?zāi)中斷，在1#、4#閘門全開，2#閘門開至0.5 m，3#閘門開至3.5 m后，2#、3#閘門因失電無法繼續(xù)開啟，造成洪水漫壩事故，導(dǎo)致電站廠房及進(jìn)廠公路被淹，水輪發(fā)電機(jī)組和監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)水，沿河兩岸的雙江鎮(zhèn)雙江村低洼處進(jìn)水并不同程度受災(zāi)[1]。2019年8月20—22日，四川省阿壩州汶川臥龍?zhí)貐^(qū)耿達(dá)鎮(zhèn)龍?zhí)端娬鹃l首工作電源及備用電源因?yàn)?zāi)中斷，溢洪道3扇閘門分別開啟0.8、0.6、0.5 m后，失電無法正常繼續(xù)開啟，造成洪水漫壩事故[2]。

在這兩起事故中，導(dǎo)致事故的主要原因是：正常電源因?yàn)?zāi)中斷，使用備用電源開啟閘門的過程中，備用電源也中斷，無法按要求將全部閘門開啟到位，泄洪流量達(dá)不到泄洪要求，水位上漲，超過壩頂，造成洪水漫壩。

這些事故是否會(huì)發(fā)生在橫山水庫(kù)，橫山水庫(kù)能否做到萬(wàn)無一失？為消除安全隱患，橫山水庫(kù)管理站對(duì)提升閘門應(yīng)急啟閉能力的改造方案進(jìn)行探索和實(shí)踐。

2 橫山水庫(kù)溢洪道閘門啟閉機(jī)電源保障分析

2.1 橫山水庫(kù)設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)與閘門啟閉機(jī)供電電源現(xiàn)狀

橫山水庫(kù)位于甬江流域奉化江支流縣江上游，壩址在寧波市奉化區(qū)尚田街道許家村附近，是以防洪、供水、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電、養(yǎng)魚等綜合利用的大（Ⅱ）型水利工程。工程樞紐由面板堆石壩、混凝土重力壩、泄洪閘、供水隧洞、發(fā)電放空隧洞、發(fā)電站組成，總庫(kù)容1.11億m3。大壩防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為10 000 a一遇[3]。

橫山水庫(kù)溢流段凈長(zhǎng)30 m，分3段，每段10 m，溢流堰頂安裝10 m×12 m的弧形閘門3扇。閘門配QH-2×500型卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)3臺(tái)，由浙江省水利建筑機(jī)械有限公司生產(chǎn)，YZR225M-8-22kW電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)扭矩280 N·m，啟門高度16 m，啟門速度1.40 m/min，未配手搖裝置。

改造前閘門啟閉機(jī)的供電電源為4路，依次為10 kV電網(wǎng)、35 kV電網(wǎng)、電站發(fā)電機(jī)、備用柴油發(fā)電機(jī)。

2.2 4路供電電源的防洪能力及可靠性分析

原先閘門啟閉機(jī)供電的操作方式為：正常情況下由10 kV電網(wǎng)、35 kV電網(wǎng)和電站發(fā)電機(jī)出線的其中1路向廠用電400 V母線供電，任一電源失電后，切換為另一電源供電；當(dāng)10 kV電網(wǎng)和35 kV電網(wǎng)失電、電站停機(jī)時(shí)，由柴油發(fā)電機(jī)組作為備用操作電源，通過切換開關(guān)向400 V母線供電。

4路電源的防洪標(biāo)準(zhǔn)與柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)分析如下：

（1）根據(jù)GB 50201—2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》[4]（見表1~2），10 kV和35 kV線路的防洪標(biāo)準(zhǔn)為10~20 a一遇，上級(jí)的變電所電壓＜220 kV，防洪標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，綜合供電防洪標(biāo)準(zhǔn)為10~20 a一遇。

表1 高壓和超高壓變電設(shè)施的防護(hù)等級(jí)與防洪標(biāo)準(zhǔn)表

表2 高壓、超高壓和特高壓架空輸電線路的防護(hù)等級(jí)與防洪標(biāo)準(zhǔn)表

（2）電站廠房的防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為100 a一遇，校核標(biāo)準(zhǔn)為200 a一遇[3]，超過100 a一遇洪水來臨時(shí)，電站應(yīng)按要求停機(jī)撤離。

（3）柴油發(fā)電機(jī)安裝于啟閉機(jī)房?jī)?nèi)，安裝位置的防洪標(biāo)準(zhǔn)與啟閉機(jī)一致，運(yùn)行狀態(tài)為冷備用狀態(tài)，日常按要求試運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間約為12 h/a。柴油發(fā)電機(jī)由柴油機(jī)、發(fā)電機(jī)、冷卻裝置、控制裝置、供油裝置、排煙裝置、配電裝置等組成，任一部件發(fā)生故障均無法正常發(fā)電。

2.3 分析結(jié)論

由以上分析可知，因電網(wǎng)線路和水電站的設(shè)計(jì)防洪能力低于水庫(kù)大壩設(shè)計(jì)的防洪標(biāo)準(zhǔn)要求，無法在大壩遭遇超過設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的洪水發(fā)生時(shí)，保障閘門啟閉所需的可靠供電需求。

柴油發(fā)電機(jī)安裝在啟閉機(jī)房?jī)?nèi)，存在消防安全隱患，需要整改。要保證柴油發(fā)電機(jī)正常供電，其所有部件必須可靠運(yùn)行。上述2起漫壩事故即由柴油發(fā)電機(jī)故障導(dǎo)致，事故原因表明，柴油發(fā)電機(jī)的運(yùn)行可靠性不足，在應(yīng)急時(shí)是致命短板。

綜上，存在問題主要有：常供電源因防洪標(biāo)準(zhǔn)不足，在超標(biāo)準(zhǔn)洪水發(fā)生時(shí)無法保障供電；柴油發(fā)電機(jī)作為唯一后備電源，應(yīng)急需要時(shí)如遇柴油發(fā)電機(jī)或供電線路故障，閘門將無法全部正常開啟泄洪，洪水較大時(shí)會(huì)直接導(dǎo)致洪水漫壩、潰壩事故，水庫(kù)存在重大安全隱患。

3 橫山水庫(kù)消除安全隱患對(duì)策分析與改造實(shí)施情況

橫山水庫(kù)管理站在對(duì)照龍?zhí)峨娬韭问鹿实娘L(fēng)險(xiǎn)隱患排查中，發(fā)現(xiàn)本站存在供電能力與水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn)要求不匹配的重大安全隱患，于是積極組織實(shí)施整改。

3.1 卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)的運(yùn)行原理和閘門啟閉需要的能量分析

橫山水庫(kù)溢洪道閘門寬10 m，高12 m，重68 t，卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)，電動(dòng)機(jī)功率為22 kW。

卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)的工作原理：三相電源通過控制器向剎車電機(jī)和啟閉電機(jī)供電。打開剎車，啟閉電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)減速機(jī)卷動(dòng)卷筒，利用鋼絲繩的收放實(shí)現(xiàn)閘門啟閉。

采用卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)，閘門泄洪全開度開啟8.40 m用時(shí)6 min，需要電量約2.2 kW·h；閘門靠自重關(guān)閉，操作時(shí)需要消耗閘門下落過程中的勢(shì)能，此時(shí)電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，若增加能源回收功能，則可以回收增加儲(chǔ)電量。

3.2 改造提升方案分析、確定與實(shí)施

3.2.1 改造提升方案與設(shè)備選型

根據(jù)原啟閉機(jī)參數(shù)，本次改造選用加裝閘門應(yīng)急裝置方案，設(shè)備選用水利部推廣目錄中的“XJY型卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)應(yīng)急裝置”（推廣證書編號(hào)TZ2020299），紹興河悅機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)。該應(yīng)急裝置由機(jī)械離合器、電機(jī)及減速箱、移動(dòng)式操控柜等組成，型號(hào)為HYJY-5.5，電機(jī)功率5.5 kW，減速箱速比9.47，啟動(dòng)扭矩325 N·m，啟門速度0.20~0.40 m/min，電池組為72 V/100 Ah。

3.2.2 現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)施情況

加裝應(yīng)急裝置過程如下：

（1）將原啟閉機(jī)減速機(jī)（ZFY500-400，江蘇太興隆減速機(jī)有限公司）的輸入軸由單側(cè)出口改為兩端出口，實(shí)現(xiàn)一端出口連接原啟閉機(jī)的工作電機(jī)，另一端出口連接XJY型卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)應(yīng)急裝置的手動(dòng)離合器。

（2）現(xiàn)場(chǎng)搭建應(yīng)急裝置安裝平臺(tái)，用于安裝應(yīng)急裝置的離合器、減速機(jī)、電機(jī)等固定部分，移動(dòng)式操控柜通過航空插頭與應(yīng)急裝置的電機(jī)相連（見圖1）。

圖1 改造安裝布置示意圖

3.2.3 改造后啟閉能力測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)安裝完成后，經(jīng)測(cè)試，使用應(yīng)急裝置開啟閘門，開度從0.25 m開至2.93 m，用時(shí)10.8 min，電機(jī)平均電流60.2 A，平均電壓45.3 V，速度為0.25 m/min，電機(jī)耗電量0.68 kW·h；使用應(yīng)急裝置關(guān)閉閘門，從2.93 m關(guān)至0.25 m，用時(shí)9.6 min，電機(jī)平均電流36.4 A，平均電壓48.9 V，速度為0.28 m/min，電機(jī)發(fā)電量0.37 kW·h；考慮到相關(guān)控制設(shè)備的用電量，關(guān)閉閘門回收電量為開啟閘門用電量的50%左右。

根據(jù)以上實(shí)際運(yùn)行測(cè)算，應(yīng)急裝置存儲(chǔ)電量能保障閘門全開2個(gè)以上行程，滿足閘門應(yīng)急啟閉的需求。

4 改造后的使用優(yōu)點(diǎn)分析

該加裝應(yīng)急裝置方案實(shí)施后，經(jīng)1個(gè)汛期的檢驗(yàn)使用，總結(jié)有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）該應(yīng)急裝置采用最近端安裝，同時(shí)提供儲(chǔ)能電源與動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)與原閘門啟閉機(jī)同高程，防洪能力足夠，閘門可獨(dú)立啟閉，外部雷電、泥石流、山體滑坡、塌方等引起的交通、電力中斷等災(zāi)害，都不會(huì)影響閘門安全啟閉。加裝應(yīng)急裝置后，消除了原水庫(kù)存在的閘門應(yīng)急啟閉能力與水庫(kù)大壩防洪要求不匹配的安全隱患，可以保障應(yīng)急時(shí)閘門可靠啟閉，并保障水庫(kù)防洪能力達(dá)到設(shè)計(jì)的防洪標(biāo)準(zhǔn)。

（2）該應(yīng)急裝置的移動(dòng)式操控柜可互換，安裝3臺(tái)應(yīng)急裝置后，相當(dāng)于每臺(tái)閘門有3套獨(dú)立電源，徹底解決了由于電源單一、可靠性不足易造成系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)的問題。

（3）該應(yīng)急裝置與原剎車聯(lián)動(dòng)，應(yīng)急操作方式與正常操作方式一樣便捷，開關(guān)閘門時(shí)只需1人操作、1人監(jiān)護(hù)，應(yīng)急效率高。

（4）相比原先使用備用柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)急啟閉閘門的操作過程，利用該應(yīng)急裝置啟閉閘門時(shí)，無復(fù)雜的倒閘切換操作，也沒有柴油發(fā)電機(jī)的巨大震動(dòng)、噪音與煙氣污染，使用過程更為便捷、環(huán)保，可靠性高。

（5）該應(yīng)急裝置采用在線監(jiān)控下的熱備用方式運(yùn)行，解決了原冷備用方式存在的“設(shè)備健康情況難以準(zhǔn)確評(píng)估，運(yùn)行狀態(tài)不明，維護(hù)保養(yǎng)不便”等問題；該應(yīng)急裝置配套的在線監(jiān)控軟件，可以在線監(jiān)控電量存儲(chǔ)情況和充、放電過程等信息，保障設(shè)備隨時(shí)可用。

5 結(jié) 語(yǔ)

經(jīng)修訂后，SL 41—2018《水利水電工程啟閉機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》增加應(yīng)急情況下保障閘門可靠啟閉的相關(guān)條款為：防洪、排澇功能應(yīng)設(shè)置可靠的備用電源；操作泄洪、擋潮及其他應(yīng)急閘門的啟閉機(jī)時(shí)，在地震烈度大于VII度的地區(qū)，重要閘門的啟閉機(jī)需要設(shè)置應(yīng)急備用電源，有應(yīng)急啟動(dòng)措施；備用電源應(yīng)為自動(dòng)快速啟動(dòng)的柴油發(fā)電機(jī)組或其他應(yīng)急電源，確保供電的可靠性[5]。

橫山水庫(kù)此次加裝儲(chǔ)能式應(yīng)急裝置，是在“獨(dú)立儲(chǔ)能、近端動(dòng)力”的保障方式，“多機(jī)互備”的保障機(jī)制，“在線熱備”的保障技術(shù)等3方面應(yīng)用創(chuàng)新方案，綜合提升閘門應(yīng)急啟閉能力，使其與水利工程防洪標(biāo)準(zhǔn)要求相匹配，消除安全隱患，確保水庫(kù)防洪能力正常發(fā)揮。