某電站快速閘門充水方式的優化改造設計

■龔洪波，萬紅雁 ■中工武大設計研究有限公司，湖北 武漢 430074

電站快速閘門是當引水鋼管破裂或機組發生飛逸等異常情況時，為避免事故擴大需在規定的時間內快速關閉的閘門，快速閘門能動水關閉，宜在靜水中開啟，通常采用充水閥充滿引水鋼管實現靜水操作條件。某電站快速閘門在目前庫水位275m條件下充水時間較長，各機組管道充滿時間約為30～90小時。為提高發電效益，現對快速閘門充水方式進行優化改進，通過計算比較，建議采取臨時補水措施以縮短快速閘門充水時間。

1 設計條件

1.1 閘門基本參數

某電站快速閘門孔口尺寸:10×14.168m(寬×高)，為平板滑動鋼閘門，利用水柱動水關閉閘門，充水平壓后開啟閘門(按規范考慮了4m水頭差)。

底坎高程:254.6m

充水閥管直徑:400mm

充水閥管長度(包括90°彎管):1400mm

充水閥管出口高程:267.725m

充水閥蓋行程:300mm

啟閉機容量3000/6000KN(啟門力/持住力)

1.2 引水壓力管道

1#引水壓力管道:直徑14.0～9.74m，長約422m，總容積量約62500m3。

2#引水壓力管道:直徑14.0～9.74m，長約366m，總容積量約53800m3。

3#引水壓力管道:直徑14.0～9.74m，長約310m，總容積量約45500m3。

4#引水壓力管道:直徑12.5～9.74m，長約246m，總容積量約28800m3。

5#引水壓力管道:直徑10.5～9.74m，長約188m，總容積量約22000m3。

1.3 水輪發電機組漏水量

(1)電站水輪發電機組及附屬設備合同文件。新投入機組在水頭67m時，通過關閉的導葉的最大漏水量不超過0.9 m3/s，運行8000h后通過關閉的導葉的最大漏水量不超過1.5m3/s。

(2)規程規范?！端啓C基本技術條件》(GB/T15468－2006)5.7.1條在額定水頭下圓柱式導葉漏水量不應大于額定流量的3‰。

2 充水閥管過流流量計算

充水閥管過流量計算公式為武漢大學水電學院主編中國水利水電出版社出版的《水力計算手冊》

(1)充水閥自由出流，即引水洞管道充滿水前充水流量(水位在267.725m以下)

由于充水閥管長度只有1.4m，為短管λ≈0

Σζ=進口水頭損失系數+彎管水頭損失系數

垂直進口水頭損失系數考慮充水閥蓋及閘門吊耳結構，對進口補水有影響，取0.8;

在不同上游水位下，充水閥自由出流流量(m3/s):

設計水位293.0m Q1=1.99

設計死水位278.0m Q1=1.27

現水位275.0m Q1=1.06

(2)各機組引水管道充滿水所需要的時間(h):

設計水位293.0m T=5.61～15.92

設計死水位278.0m T=16.52～46.92

現水位275.0m T=32.16～91.37

注:機組導葉漏水量均按額定水頭下漏水量0.90m3/s計。

(3)引水管道充滿水后平壓前各水頭差時的充水流量

c=0.71 A=0.1257 m2

在不同上下游水頭差Z0，充水閥淹沒出流流量(m3/s):

由上可知，快速門前后水頭差在5m左右達到充漏平衡。

3 計算結論

(1)按“新投入機組在水頭67m時，通過關閉的導葉的最大漏水量不超過0.9 m3/s”，在設計水位(293m)時各機組引水道充滿水時間分別為5.6(5#機)～15.9(1#機)小時;約在5m水頭差時達到充漏平衡。在目前庫水位275m條件下充水時間較長，各機組約為30～90小時。故建議采取臨時補水措施以縮短充水時間。

現機組調試條件尾水水位215m，對應機組額定水頭上游水位應為為282m，現上游水位為275m，此時的允許最大漏水量應小于0.9 m3/s，在充水閥出口267.725m水位，允許最大漏水量約為0.80 m3/s。)

(2)按“運行8000h后通過關閉的導葉的最大漏水量不超過1.5m3/s”，在正常設計水位293m;時各機組引水道充滿水時間分別為12.5(5#機)～35(1#機)小時;在死水位278m和現水位275m均不能滿足充水要求;需采取補水措施。

4 建議改進措施

(1)根據目前實際情況，快速閘門設計啟門條件為4m水頭差，但由于啟門力與閘門上下游水頭差和閘門支承摩阻力系數有關，支承材料摩擦系數技術要求為0.07～0.11，對應在不同水頭差和不同摩阻力系數下啟門力:

Z0=3m時，啟門力FQ=2541～2749 kN

Z0=4m時，啟門力FQ=2838～3115 kN

Z0=5m時，啟門力FQ=3134～3481 kN

Z0=6m時，啟門力FQ=3430～3846kN

Z0=7m時，啟門力FQ=3726～4212 kN

Z0=8m時，啟門力FQ=4023～4578 kN根據上面計算，6m水頭差下啟門力約為3900kN左右，啟閉機的持住力為6000kN，適當增加啟門水頭差是可行的。

(2)增加臨時旁通管結合，在滿足水輪機組1.5m3/s漏水量的條件下，提高閘門開啟水頭。將開啟閘門水頭提高到6m，此時充水閥淹沒 出流流量為0.97m3/s，需增加2臺揚程32m、功率90KW、直徑300mm的水泵，流量約2×1000m3/h。

(3)增加充水閥的閘門改造方案，即在閘門頂部原有充水閥兩側再增加兩個充水閥，使充水流量增加至3倍，同時可使改動工作量和對閘門結構的影響盡量減小，不影響閘門結構安全。閘門改造過程中可利用檢修門擋水，將快速門提到閘門鎖定平臺(283.5高程)實施改造。

考慮到機組調試及發電和閘門充水閥改造的工期安排，建議近期仍采用增加臨時水泵旁通管充水，并適時安排閘門充水閥改造方案。

［1］全國水輪機標準化技術委員會.水輪機基本技術條件(GB/T 15468－2006)［S］.北京:中國標準出版社，2006.

［2］李煒.水力計算手冊［M］.北京:中國水利電力出版社，2006.