大型泵站拍門(mén)運(yùn)行問(wèn)題及對(duì)策研究—以—滁河一級(jí)泵站大拍門(mén)改造為例

李華慶 安徽省駟馬山引江工程管理處

為了防止水泵機(jī)組停機(jī)時(shí)水流倒灌和機(jī)組飛逸，常采取一些措施予以控制，諸如虹吸管出流、快速閘門(mén)斷流、拍門(mén)斷流等，其中以拍門(mén)這種結(jié)構(gòu)型式最為簡(jiǎn)單，不僅造價(jià)低，操作管理亦極為方便。安徽省駟馬山滁河一級(jí)站裝有5臺(tái)3HL-000型立式半調(diào)節(jié)混流泵，配套TDL3250/580-40型3000千瓦立式同步電動(dòng)機(jī)，總抽水量120m3/s。每臺(tái)機(jī)組均采用兩個(gè)3700＊448mm2長(zhǎng)方形出水孔。在總結(jié)單孔多門(mén)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，決定配用兩扇3960＊3060＊448mm3（P=4218k g）空心拍門(mén)，每只門(mén)框下部裝直徑為200 mm、行程為260mm的緩沖油缸兩只，在門(mén)體和門(mén)框鉸座中間加設(shè)一個(gè)曲柄。1980年機(jī)組安裝竣工試機(jī)時(shí)，實(shí)測(cè)拍門(mén)在分閘后36-42秒關(guān)閉結(jié)束，水大量倒流，引起機(jī)組反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速達(dá)到150-340r/min。這一缺陷給泵站運(yùn)行帶來(lái)了極大的隱患，不斷對(duì)拍門(mén)進(jìn)行改造也因此成為現(xiàn)有學(xué)者及現(xiàn)場(chǎng)工作者的研究重點(diǎn)。

1.拍門(mén)斷流問(wèn)題梳理

（1）拍門(mén)運(yùn)行機(jī)理及存在問(wèn)題。拍門(mén)實(shí)質(zhì)上是一種單向閥門(mén)，裝于抽水裝置的出水管口。水泵起動(dòng)后，拍門(mén)被水流自動(dòng)沖開(kāi)；水泵停機(jī)時(shí)，拍門(mén)在自重和倒流水的作用下自動(dòng)關(guān)閉，防止出水池的水倒流向出水流道。由于拍門(mén)是在水流的沖動(dòng)下開(kāi)啟的，所以正常運(yùn)行時(shí)，水流經(jīng)過(guò)拍門(mén)產(chǎn)生局部阻力水頭損失，引起水能的損耗。而在機(jī)組停機(jī)時(shí)，由于拍門(mén)是在自重和倒流水的沖動(dòng)下關(guān)閉的，在出水流道短、揚(yáng)程高、拍門(mén)大的情況下，拍門(mén)在最后一瞬間，將產(chǎn)生很大的撞擊力，這對(duì)拍門(mén)結(jié)構(gòu)本身和泵站構(gòu)筑物的安全都是不利的。所以，運(yùn)用拍門(mén)作為斷流措施的主要問(wèn)題是如何減少拍門(mén)的水頭損失和減小停機(jī)時(shí)拍門(mén)的撞擊力及機(jī)組反轉(zhuǎn)問(wèn)題。

（2）拍門(mén)浮容重與開(kāi)啟角度關(guān)系及相關(guān)性能分析。為解決上述問(wèn)題的各種型式的拍門(mén)應(yīng)運(yùn)而生。如自由式拍門(mén)、帶平衡錘的拍門(mén)、機(jī)械平衡液壓緩沖式拍門(mén)、雙鉸式拍門(mén)等。從幾種拍門(mén)的情況來(lái)看，自由式拍門(mén)最簡(jiǎn)單，但是其水流損失和沖擊力較大；而水力損失和沖擊的大小均與拍門(mén)開(kāi)啟角度有關(guān)，拍門(mén)開(kāi)啟角度對(duì)已建成的泵站來(lái)說(shuō)主要與拍門(mén)的浮容重有關(guān)。其相互之間關(guān)系為：浮容重增加時(shí)開(kāi)啟角度小，損失大，但是關(guān)閉時(shí)間短，沖擊力小，機(jī)組反轉(zhuǎn)時(shí)間短；浮容重減小時(shí)開(kāi)啟角度大，水利損失小，但關(guān)閉時(shí)間長(zhǎng)，沖擊力大，機(jī)組反轉(zhuǎn)時(shí)間長(zhǎng)，當(dāng)拍門(mén)下拍的的最后階段，受沖面出現(xiàn)較大瞬時(shí)負(fù)壓值即下吸力時(shí)，沖擊力將更大。這時(shí)緩沖油缸承受了較大的沖擊力。若長(zhǎng)期一再受這樣的沖擊力，則緩沖裝置的壽命將受影響。

根據(jù)以上分析，能否通過(guò)調(diào)節(jié)拍門(mén)的浮容重來(lái)同時(shí)滿足開(kāi)啟角度大、水利損失小，又能做到停機(jī)時(shí)拍門(mén)關(guān)閉時(shí)間短、沖擊力小成為拍門(mén)改造、提高效率的主關(guān)鍵。本文通過(guò)以滁河一級(jí)泵站為研究對(duì)象，在借鑒國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以期獲取最佳浮容重，同時(shí)滿足以上所有要求，提高拍門(mén)運(yùn)行效率。

表1 拍門(mén)改變浮容量的試驗(yàn)結(jié)果

圖1 拍門(mén)改造示意圖

2.拍門(mén)可變浮容重試驗(yàn)

綜合以上分析及國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)拍門(mén)的研究，筆者認(rèn)為可以把拍門(mén)的工作過(guò)程分成兩個(gè)階段考慮，即（1）開(kāi)啟過(guò)程和正常運(yùn)行過(guò)程；（2）停機(jī)關(guān)閉過(guò)程。前階段要求拍門(mén)浮容重偏小為好，后階段則要求拍門(mén)浮容重略大為妥。確定好試驗(yàn)的基本方向后，筆者利用滁河一級(jí)泵站進(jìn)行試驗(yàn)安排，選取3#和4#拍門(mén)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，拍門(mén)浮容重選點(diǎn)試驗(yàn)情況詳見(jiàn)表1。

從表1中試驗(yàn)結(jié)果得知，當(dāng)拍門(mén)浮容重在0.94-0.95之間時(shí)，拍門(mén)開(kāi)啟角在65o-75o之間，水力損失極小，故可以此做為拍門(mén)開(kāi)啟時(shí)和工作過(guò)程的浮容重，當(dāng)拍門(mén)浮容重在1.1時(shí)，拍門(mén)開(kāi)啟角度在32o-45o之間，且左右兩門(mén)相差大，關(guān)閉時(shí)間在3.9-5.0秒之間，沖擊力為0.8-7.5t不等。這樣，在停機(jī)前把拍門(mén)浮容重增加到1.1以上時(shí)拍門(mén)關(guān)閉時(shí)間即可變短，沖擊力變小，這樣就可以滿足水力損失小、關(guān)閉時(shí)間短、沖擊力小等要求。

3.可變浮容重拍門(mén)設(shè)計(jì)

采用什么辦法能簡(jiǎn)單而有效地調(diào)節(jié)拍門(mén)的浮容重？筆者根據(jù)工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)可變浮容重的拍門(mén)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

在開(kāi)機(jī)時(shí)及拍門(mén)運(yùn)行過(guò)程中，保持拍門(mén)原有效體積，使其浮容重在0.94左右，這時(shí)拍門(mén)開(kāi)啟角度大，水利損失小；在拍門(mén)停機(jī)關(guān)閉之前，利用水泵冷卻水母管向門(mén)體內(nèi)腔沖水，改變拍門(mén)浮容重，使其達(dá)到1.1以上，這時(shí)拍門(mén)開(kāi)啟角度小。雖然這是水利損失大，但這段工作時(shí)間短，不致過(guò)多造成能量損失，充水完畢后立即停機(jī)。具體改造示意圖詳見(jiàn)圖1。

開(kāi)機(jī)前，關(guān)閉進(jìn)水閘閥1，打開(kāi)出水閘閥5，將拍門(mén)內(nèi)腔存水放完后，關(guān)閉閘閥5，拍門(mén)便即可投入運(yùn)行。停機(jī)前，打開(kāi)進(jìn)水閘閥1，向門(mén)體內(nèi)腔充水至規(guī)定值，關(guān)閉閘閥1后即可停機(jī)。拍門(mén)鉸座處安裝橡膠軟管是考慮到拍門(mén)開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)進(jìn)水管便于伸縮。

4.結(jié)語(yǔ)

本文聚焦大型泵站拍門(mén)運(yùn)行效率問(wèn)題，通過(guò)問(wèn)題梳理找出現(xiàn)有拍門(mén)高效運(yùn)行的障礙，據(jù)此提出本文研究的思路。接著通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，找到提高拍門(mén)運(yùn)行效率的解決對(duì)策，即可變浮容重拍門(mén)。最后通過(guò)專利設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出可變浮容重拍門(mén)設(shè)計(jì)方案。研究以滁河一級(jí)泵站為例針對(duì)大型泵站拍門(mén)展開(kāi)的研究，經(jīng)歷問(wèn)題剖析、試驗(yàn)檢驗(yàn)、專利設(shè)計(jì)等環(huán)節(jié)，有效地解決了滁河一級(jí)泵站拍門(mén)運(yùn)行的障礙，大大提高了其運(yùn)行效率，同時(shí)也為我國(guó)其他泵站拍門(mén)改造提供了重要參考。

本文所提改造方法簡(jiǎn)單實(shí)用，首先充水直接來(lái)自機(jī)組冷卻用水，只需要增加少許管路及附件即可，操作簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)效益明顯。其次也解決了水力損失、沖擊中力及機(jī)組反轉(zhuǎn)等問(wèn)題。但是，本法只解決正常停機(jī)而仍未解決事故停機(jī)時(shí)的問(wèn)題，事故停機(jī)時(shí)緩沖油缸及拍門(mén)仍要承受較大的瞬時(shí)沖擊力。不過(guò)這種情況出現(xiàn)極少，且對(duì)泵站安全運(yùn)行不構(gòu)成威脅。未來(lái)可增強(qiáng)對(duì)這一方面的研究，進(jìn)一步提高泵站運(yùn)行效率。