閘門異常下滑監測裝置結構改造研究

李 兵

（安徽績溪抽水蓄能有限公司，安徽 宣城245300）

0 引言

抽水蓄能電站尾水水位較高，機組安裝高程很低，下水庫水位變幅往往較大，尾水隧洞一般也較長，因此每臺機組下游處一般各設置1 扇尾水事故閘門。該閘門的設置為滿足事故情況下可動水閉門，保障水輪發電機組的安全。事故閘門在正常運行過程中一般處于開啟狀態，為防止閘門異常下滑，會在閘門處設置異常下滑吊軸監測裝置。閘門異常下滑吊軸監測裝置一般由電氣部分和機械部分組成，電氣部分由限位開關及其相應電纜組成，機械部分由配重塊、連桿、支架等幾部分組成。

某在運抽水蓄能電站在機組運行過程中出現了零部件脫落的缺陷，事故對該電站造成一定影響。為研究該事故發生的原因并為防止類似事故發生，研究了一種新的配重塊設置方式。本文對吊軸監測裝置配重塊結構改造設計及應用研究進行了分析介紹。

1 閘門吊軸監測裝置傳統設計

為保障水輪發電機組安全，尾閘及啟閉機會設置異常墜落保護，一般會設置限位開關，全開、全開限位開關各1 只，除此之外還將設置異常下滑位置開關，以保證到閘門異常下滑時將信號傳至PLC，實現閘門自動回升的功能。一般設計為：當閘門在全開位因意外滑落至280 mm 或340 mm 時，上下2 個行程開關動作且遠方控制室及現地控制柜均發出聲光報警信號，并將信號引至計算機監控系統，機組及球閥緊急關閉。

因抽水蓄能電站機組安裝高程均安裝較低，尾閘門槽結構多采用封閉式結構（由腰箱、頂板、側板、頂蓋等組成封閉體）。封閉式門槽結構示意圖如下頁圖1 所示。

如圖1所示，閘門門槽由頂蓋（3項）、側槽板（5～6項等）、底板（15～17 項）、側板（13～19 項）、腰箱（9～10項等）、頂板（11～21 項等）以及頂蓋等部分組成，各部分組合成一個封閉空間。

為監測該結構型式的閘門是否出現異常下滑，一般采用將位置開關固定于閘門頂蓋上，并設置1個連桿隨閘門上下移動來監測閘門上升或下降情況；為保證連桿可靠隨閘門上下，需克服水壓上浮力等，一般利用配重塊來實現對該連桿的下壓力。吊軸監測裝置設置如圖2 所示。

8 項為支架，通過螺栓9、底板11 與閘門把合在一起，當閘門起升或下降時，8 項隨著上升或下降。當閘門提出孔口并達到一定高程后，8 項與21項（桿）接觸并推動項21 向上起升。當閘門在全開位置異常下落時，21 項在自身重力及配重塊重力作用下向下運動，連桿隨閘門一起向下，向下運動過程中接觸位置開關，位置開關動作并將信號傳至監控系統，進而實現發出聲光報警、實現事故落球閥等功能。

圖1 閘門門槽結構示意圖

圖2 吊軸監測裝置

2 采用傳統設計遇到的問題及對策分析

2.1 遇到的問題

某在運抽水蓄能電站采用上述傳統的吊軸監測裝置結構后，在水電站正常運行過程中出現配重塊零部件脫落問題。零部件掉落入尾閘門槽，事故對該電站造成一定影響。通過圖2 可以看出，配重塊同連桿之間僅通過螺栓限位。在日常運行過程中螺栓長期受力出現疲勞或螺栓生銹等原因均有可能導致配重塊及螺栓脫落。

配重塊脫落后將極有可能落入尾閘門槽，抽水蓄能電站均為雙向水流（發電時水流自上庫流向下庫、抽水時水流自下庫流向上庫），在抽水工況時即有可能將配重塊或螺栓帶入機組流道內部，進而損壞轉輪等過流部件。轉輪、活動導葉等過流部件均造價較高，且檢修極為復雜，一旦出現損壞將不得不啟動較大的檢修，對水電站正常運行造成極大影響。

2.2 對策分析

要避免此類現象發生，最簡便快捷的方法是將配重塊位置上移，采用將配重塊設置于吊軸監測裝置軸頭部的方案。將配重塊設置于監測裝置上部，配重塊相對監測桿對稱布置，其余位置開關位置等不變，具體如圖3 所示。

3 改進方案及應用

某新的抽水蓄能電站閘門啟閉機相關參數如下：

圖3 配重塊設置于軸頭部位示意圖

閘門型式：平面滑動鋼閘門

閘門設計水頭：190 m

閘門操作條件：動水閉、靜水啟

啟閉機型式：液壓啟閉機

啟閉機容量（持住力/啟門力）：4 500 kN/1 000 kN

為避免上述類似事故的發生，該新的抽水蓄能電站決定對吊軸監測裝置結構形式進行變更設計。

3.1 改進措施

采用圖3 所示需兩套配重塊左右對稱布置，該結構對兩套配重對稱性要求極高、否則可能出現監測桿受力不均、彎曲等現象；同時兩套配重對稱布置要求支撐梁寬度較大，這就要求閘門的頂蓋上有足夠空間來設置該支撐梁。

經綜合分析，決定仍然采用將配重塊連于監測軸上的方案，相對圖2 的不同之處在于將配重塊位置上移，配置塊設置于閘門頂蓋上方、監測軸頭部。

如圖4 所示，改進的方案將配重塊設置與閘門頂蓋上部，配重塊與頂蓋之間通過導向桿隔開。這樣一來就通過導向桿、閘門頂蓋機頂蓋上方的緩沖墊等將配重塊與輸水流道隔離開來，徹底避免了配重塊掉入流道中的風險。

3.2 復核計算

后續為進一步驗證該方案的可行性，對所配置的配重塊及壓桿進行了進一步的復核計算，復核情況如下：

圖4 改進版吊軸監測裝置

3.2.1 基本參數

底部峰值水壓P=2 MPa

配重塊重量M=518 kg

監測桿直徑d=50 mm

工作行程H=400 mm

監測桿壓桿長度L=1000 mm

3.2.2 配重重量校核

水壓上浮力：

配重塊重力：

密封件摩阻力估值：

配重量符合要求。

3.2.3 監測軸壓桿穩定要求

按照中部支撐的歐拉公式進行壓桿臨界載荷計算：

壓桿穩定性滿足要求。

3.3 應用情況

該結構改造后在實際應用過程中結構穩定，運行過程平穩、無卡阻。該結構自投運以來，能夠實現設計的功能，應用情況良好。

4 結束語

吊軸監測裝置為防止閘門異常下滑以及下滑監控的關鍵裝置，要求其運行必須可靠、安全。本文通過對吊軸監測裝置配重塊位置進行變更，研究了一種新的配重塊設置方式并進行了實際應用，可靠避免了配重塊異常落入尾閘門槽進而進入流道的風險。該結構形式經過實際運行驗證，能夠很好實現最初設想，滿足設計要求。