清遠抽水蓄能電站上水庫事故檢修閘門充水閥設計探討

肖段龍，周育楨，董笑波

（1.廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510635；2.國家電網節能服務有限公司，北京 100052；3.河北省桃林口水庫管理局，河北 秦皇島 066400）

0 前 言

廣東清遠抽水蓄能電站位于廣東省清遠市的清新縣太平鎮境內，電站裝機容量1280 MW，主要承擔廣東電網調峰、填谷、調頻、調相以及緊急事故備用等任務。清遠抽水蓄能電站輸水發電系統布置為一洞四機，在上水庫引水隧洞進出口段設閘門井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門，利用水柱動水閉門，采用高揚程卷揚機進行操作。

當電站上水庫水位達到587.0 m時，即可滿足機組調試基本要求。由于清遠抽水蓄能電站水道為全混凝土襯砌，充水時要求水位緩慢上升。但為了控制水道的總充水時間，對水道各段充水的要求進行了優化:中平段充水要求較快，需要采用約4400 m3/h的大流量進行充水；豎井段要求實現緩慢充水，需要采用約266 m3/h的小流量進行充水。因此充水閥需要具有較好的適應能力和調節能力，同時能實現比較精確的流量控制；另外為了不影響水道總漏水量的測量精度，還要求充水閥關閉時不漏水。

1 充水閥選型布置

清遠抽水蓄能電站上水庫事故檢修閘門充水閥選型時考慮了兩個方案:方案一為傳統的蓋板式，即在門頂上對稱設置兩個充水閥，充水閥由固定式卷揚機操作；方案二為在流道側邊專用閥井內設置一套單獨控制的可控制流量的充水系統。經過技術經濟方案比較，充水閥布置選擇了投資很少，結構簡單實用，閘門頂梁格內的垃圾不會被水流吸入充水閥，充水閥與閘門結合使用，維護方便的方案一。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:①將充水閥設置在事故檢修閘門頂主梁腹板以上350 m的平臺座上，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的調節和控制平穩。解決了在惠州抽水蓄能電站B廠水道充水過程中出現充水閥被防護欄桿廢料卡阻及充水閥小流量時控制困難的兩個問題。

清遠抽水蓄能電站上水庫事故檢修閘門充水閥具體結構由套筒、閥芯組成，套筒焊接在門葉結構上，其頂部水封裝置設于充水閥頂蓋座板上，與閥芯的平蓋組成密封副；閥芯設有可在套筒內上下滑動的導向板，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式啟閉機的動滑輪組連接。此外，吊梁還可起到增加壓重以利于閥門關閉。其結構示意如圖1所示。

圖1 充水閥剖面及平面（單位:mm）

充水閥由固定卷揚式啟閉機操作。通過啟閉機動滑輪組的升降，帶動充水閥閥芯的升降；閥芯的平蓋與套筒頂部之間的開度可以過流，從而達到充水的目的。啟閉機現地控制柜上設有開度指示器，可數字顯示開度。

2 充水閥開度與流量關系

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

式中，μ為充水閥的流量系數；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計算公式如下:

式中，λ為沿程損失系數，約為0.034；l為充水管路長度，約為2100 mm；d為充水閥直徑；ζ1～ζ4為充水閥進口至出口的局部損失系數。流量系數計算值為 μ=0.6。

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

2.1 計算工況一，上水庫處于死水位

上水庫處于死水位時，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，此時充水閥最小充水水頭差為Hmin=587-574.6=12.4 m。

按公式 （1）計算充水閥不同開度下每小時流量，結果見表1所示。

表1 充水閥開度與流量關系 （死水位工況）

表1表明，當充水閥開度為62.5 mm以上時，充水閥達到最大流量3305 m3/h，流量比設計值約小25%?？紤]到此計算工況為極端工況，經復核通過略微延長充水時間仍可滿足中平洞充水的要求。當充水閥開度為5 mm時，充水閥最小流量約為264 m3/h，滿足設計最小流量要求。

2.2 計算工況二，上水庫處于正常水位

當上水庫正常水位時，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，此時充水閥充水水頭差為Hmax=612.5-574.6=37.9 m。

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

表2 充水閥開度與流量關系 （正常水位工況）

表2表明，當充水閥開度為50 mm時，就可滿足中平洞設計流量的要求；當充水閥開度為62.5 mm以上時，充水閥達到最大流量5796 m3/h，流量比設計值大31.7%。當充水閥開度約為3 mm時，充水閥最小流量約為278 m3/h，滿足設計最小流量要求。兩種工況下的充水閥流量與開度關系曲線見圖2。

3 結論與建議

圖2 充水閥流量與開度關系曲線

在改進惠州抽水蓄能電站上水庫事故檢修閘門充水閥基礎上，經理論計算與分析，提出了清遠抽水蓄能電站上水庫事故檢修閘門上設置充水閥的數量、規格，并推導了充水閥流量和開度的相互關系，以指導不同水位下對充水閥的操作控制；另外充水閥的開度控制可通過啟閉機控制柜PLC設置多個斷點模式或人工點動控制的模式來實現，從而實現了充水閥最小開度調節與啟閉機開度指示器精度的匹配。

由于計算選取的流量系數為經驗值，同時開度儀表自身的設備精度及安裝誤差等原因，可能會導致實際充水流量與計算值略有偏差，這可通過實際運行經驗來加以總結和調整，尤其是充水閥在極小開度階段需特別注意。

［1］廣東清遠抽水蓄能電站可行性研究報告[R].廣州:廣東省水利電力勘測設計研究院,2007.

［2］肖段龍.清遠抽水蓄能電站水道充水設施方案設計[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電設計特點與創新 [J].水力發電,2010,36（9）:36-39.

［4］蔣立新.黑糜峰抽水蓄能電站金屬結構布置與設計[J].水力發電,2010,36（7）:70-72.