帕圖卡Ⅲ水電站尾水冷卻器檢修閘門的設計與研究

雷小平，張文科，勞海軍，韓 俊，廖永峰

(中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司，貴州 貴陽 550081)

1 概 述

帕圖卡Ⅲ(Patuca Ⅲ)水電站的技術供水系統采用循環供水的方式，主要供給發電機空冷器、各部導軸承冷卻器等用水。每臺機尾水設2臺循環冷卻器，安裝高程237.00 m，下游側最低尾水位246.17 m。運行期間，冷卻器始終處于尾水水流中。冷卻器的檢修方式為尾水閘門關閉擋水后，潛水員水下操作檢修和拆除。因冷卻器與預埋基礎件及供水管路均采用法蘭螺栓連接，水下操作難度大、時間長、對操作人員要求高；同時存在不確定危險因素。為保證工程運行安全、降低操作難度，確保工程施工和竣工驗收的順利進行，水電站尾水增加1扇冷卻器檢修閘門，供4臺冷卻器檢修時使用。

2 現場條件及分析

冷卻器檢修閘門設計時的制約因素有很多，現場已完成的土建結構和金屬結構的安裝情況為主要的制約因素，同時還需考慮閘門吊裝方案。現場條件為：271.00 m尾水平臺早已形成，并具備交通條件；廠房結構與其墻面已形成；尾水臺車排架已澆筑完成，臺車已安裝完成；4臺冷卻器已安裝；尾水閘門埋件已全部安裝，埋件的二期混凝土澆筑至235.00 m高程；施工單位前期根據需要，已提前安裝冷卻器檢修閘門的水封支承埋件(見圖1、圖2)。

根據現場條件可以確定，發電尾水位和尾水臺車排架柱圈梁高度決定了閘門的設計高度；已安裝的水封支承角鋼埋件是閘門止水設計的基礎條件。為降低施工難度，減小工程量，加快整體工程進度，經過分析確定：冷卻器檢修閘門共用尾水閘門門槽和尾水臺車，以尾水閘門檢修平臺256.10 m作為冷卻器檢修閘門的安裝平臺。

當冷卻器需要檢修時，先將對應機組停機、尾水閘門關閉，通過尾水臺車將冷卻器檢修閘門吊入門槽并懸掛在指定高度，實現冷卻器檢修閘門后的水域密封；通過尾水泵將冷卻器所在空間的水體排干，確保冷卻器在無水環境下的操作。冷卻器檢修完成后，先采用排水泵對檢修閘門后的空間充水，待平壓后(前后水壓差≤2 m)，操作尾水臺車將冷卻器檢修閘門提至安裝平臺；拆分移除后，將尾水閘門提出孔口鎖定。自此完成了1臺冷卻器的檢修，其他冷卻器的檢修方式相同。

3 閘門設計

根據該閘門使用功能和現場條件，需從閘門高度、支承型式、止水方式、起吊方式等方面綜合考慮閘門的設計方案。

圖1 尾水全貌及局部示意

圖2 冷卻器檢修閘門水封支承角鋼布置

3.1 閘門高度

冷卻器檢修期間對應機組應停機，檢修閘門高度只需超過1臺機發電尾水位(246.81 m)即可。結合4孔已安裝的水封支承埋件的位置(見圖2)，確定了閘門的總高度為10.18 m(不含吊耳高度)。閘門平時存放在倉庫中，冷卻器需要檢修時，將閘門運輸至指定位置。閘門需通過排架柱圈梁底部進入后入槽，圈梁的底面距271.00 m尾水平臺高度為2.5 m，閘門必須分節才能實現順利入槽。從閘門運輸設備高度和現場澆筑誤差等方面考慮，閘門共分6節制造，上節閘門高度1.94 m；中節閘門高度1.94 m，共4節；底節閘門高度1.89 m，節間通過連接板和銷軸連接，組裝后閘門總高度為10.18 m。

3.2 支承型式

冷卻器檢修閘門共用尾水閘門門槽，閘門的支承型式和尺寸須與尾水閘門一致；故該閘門采用平面滑動門型，每節門葉機組側設置4塊復合材料滑塊，尾水側設置4塊鉸式反向支承滑塊和4個φ150簡支式側輪。

3.3 止水方式

冷卻器檢修閘門工作時吊掛在尾水閘門上方，無底檻支承。為保證底部封水，底節門采用U型水封框封水，底節、中節和上節門之間采用節間止水方式；底、側水封采用P60A 水封，節間止水采用I130-20水封條，止水設置在機組側。閘門止水中心與已安裝埋件中心重合，側止水中心距6.2 m，底止水中心高程237.102 m，可滿足4孔不同尾水門槽的封水要求。支承埋件表面貼4 m不銹鋼板。

3.4 起吊方式

冷卻器檢修閘門采用尾水單向臺車起吊，雙吊點。閘門的起吊中心與尾水閘門起吊中心相同，閘門吊耳與尾水臺車抓梁吊耳軸配合。閘門設計時，在保證閘門各構件受力滿足規范要求的前提下，優化門體各構件尺寸和布置，以減小閘門重心與臺車起吊中心的間距，使尾水臺車和檢修閘門運行流暢。

4 閘門組裝與拆分

4.1 組裝步驟

閘門分6節制造，節間采用連接板和銷軸連接為整體，尾水臺車起吊。根據排架結構和閘門的高度，在256.10 m尾水閘門檢修平臺對檢修閘門逐節進行組裝。為便于閘門組裝和拆卸，每節門門體中部均設置了鎖定牛腿，底部均設置了底部鎖定板。以1臺冷卻器檢修為例，閘門組裝步驟為：

(1) 冷卻器對應機組停機，尾水閘門關閉擋水。

(2) 底節門從對應排架柱上游側進入271.00 m尾水平臺后，采用尾水臺車將閘門吊至256.10 m平臺，利用腰部牛腿將閘門鎖定。

(3) 中節門從排架柱上游側進入271.00 m尾水平臺后，操作臺車將中節門放置在底節門上部，調整定位后，利用連接板和銷軸將底、中節門連接為整體。

(4) 操作臺車，將連接后的閘門下放至中節門腰部牛腿鎖定。

(5) 重復步驟(3)、(4)，組裝剩余的2節中節門和頂節門，直至將6節閘門連接為整體。

(6) 操作臺車下放閘門，直至閘門底水封與底水封不銹鋼板中心重合，實現閘門封水(見圖3)。

4.2 閘門拆分

1臺冷卻器檢修完成之后，其他冷卻器進行檢修時，因上、下游排架柱之間的縱向連接梁阻礙了啟閉機運行線路，256.10 m高程檢修平臺不連通阻礙了閘門吊運；因此只能在256.10 m檢修平臺將閘門逐節進行拆分。先拆頂節門，依次為中、底節門，操作臺車將每節閘門吊至271.00 m尾水平臺，利用運輸工具將閘門運送至指定位置，重復閘門的組裝步驟后，實現對其他冷卻器的檢修。

5 閘門計算

冷卻器檢修閘門門體共6節，節間采用連接板和銷軸連接，每節設置2根主梁，面板、止水均設在機組側。閘門為平面露頂式滑動門型，采用2×400 kN單向臺車操作，操作方式為靜水閉門，水泵抽水充水平壓后靜水啟門，啟門壓差≤2 m。閘門主材采用Q345B，布置和設計時，嚴格按照相關規范執行。

閘門擋水水頭9.71 m，主支承中心跨度6.5 m，側止水中心跨度6.2 m，止水高度10.135 m。采用容許應力法對主要受力構件、零部件的進行應力了計算，同時計算了閘門的啟門力(見表1)。

圖3 冷卻器檢修閘門安裝及擋水狀態布置

表1 冷卻器檢修閘門計算成果

6 結 論

(1)通過對現場條件的分析和研究，得出了Patuca Ⅲ水電站冷卻器檢修閘門設計和使用時的制約因素和基礎條件。考慮閘門的高度、止水方式、支承型式、起吊方式、組裝及拆分方式等多方面因素，確定了閘門的設計方案及組裝拆分方案，設計出了滿足使用功能的冷卻器檢修閘門。

(2)冷卻器檢修閘門的設計受現場條件限制較多，建議在相似類型工程的前期設計中，充分考慮冷卻器的檢修方案。如需采用冷卻器檢修閘門：一是要充分考慮閘門的組裝、拆分、吊運方式。二是土建結構和金屬結構設計應緊密配合，優化設計。三是要以運行安全可靠、設計合理為思想，設計出滿足規范要求的產品。