水電站水閘閘門改造設計分析

宇如瓊

全椒縣上九連電站 安徽全椒 239500

水電站地中的水閘閘門是水電站中的重要組成部分，通過改造水閘閘門，能夠提升水電站的發電效率和保證水電站的安全性，還可以降低水電站的能耗。因此，需要通過對水電站的水閘閘門進行改造，優化水電站的運營。

1 水電站閘門概況

某水電站是重要的大型樞紐工程，主要用途為發電，同時也有旅游、養殖和航運等功能。該電站每年是發電29億千瓦時，裝機容量為800MW，水電站共有15個閘孔。其在正常工作中，下水頭為6.5米，水流會呈現出寬頂堰的模式。在工作過程中，利用閘門開閉控制排泄水量，水電站設置4臺移動式啟閉機來對水閘的調度進行控制，滿足排泄水量控制的要求，需要對工程進行維修時，也比較方便。該工程屬于低水頭工程，堰頂相對河床的高程并不高，所以如果上游處在正常的蓄水水位，則下游的水深在閘門打開之后也不具備形成面流的條件。為了滿足閘壩在運行過程中可以發揮出樞紐的作用，本工程在水電站的管理工作中，所有的天然來水都會應用到發電中，因此天然來水并沒有達到流量要求的其工況下就不會開啟閘門；由于天然來水比機組引流的發電量更大，因此在管理過程中，可以打開一部分放出多余的天然來水；而且，如果天然來水的流量超過1000m3/s，則為了保證安全，就需要打開所有閘門并停止發電工作；如果發電站出現停電事故，就必須要馬上開啟閘門，通過放泄保證發電的電流量，以避免出現上游水位出現閘門漫頂的情況，并防止下游出現水量不足導致航運受到影響。

2 閘門改造中閘壩消力池尺寸的設計

2.1 閘門改造原因分析

在本工程中的消力池、閘壩都是在沙基上建立，容易在施工過程中出現圍堰和放量過大等問題。如果將單孔閘門打開，消力池的尺寸就要控制在4×25.5米，在施工過程中有一定的難度，因此需要做好對消力池尺寸范圍的控制工作。消力池的長度和深度與閘門高度成正比例關系，因此在閘門的高度下降時，對消力池的長度和深度需求也會隨之降低，因此，這也就需要改變閘門的尺寸[1]。

2.2 閘門改造設計分析

根據對該水電站作為樞紐運行調度的情況，以及分析周邊江河的流量，如果天然來水的流量超過1000m3/s，發電站的所有閘門都會開啟，閘門下部的水位將過超過10.89米，而且為了能夠將所有的水量都卸出水，還需要停止水電站發電。在閘壩的閘門全部開啟，并且開度達到0.1，那么閘壩閘門的流量會超過1000m3/s，隨著上游水量的宣泄，下游水位也會不斷提高，上游水位的下降會導致對消力池的影響降低，達到控制消力池尺寸的目的。而另一方面，在閘壩的閘門開啟之后，如果流量超過了1000m3/s，那么消力池的結構則不會因為流量增大而受到破壞。所以結合上述分析，發現如果將所有的閘壩、閘門的開度控制在e=0.1H，而且閘壩閘門開啟的數量超過9孔，就會出現上游水量宣泄時發生淹沒式水躍。

2.3 分析結論

在結合水電站的運行調度情況和河流流量的關系情況，可以進一步證明利用閘壩閘門的尺寸改造對消力池的長度和深度進行控制。而通過該方法，在對消力池尺寸進行有效控制的同時，也能避免破壞消力池[2]。對于本工程的情況，結合沙基基礎的特點，消力池的長度應該控制在16.5米以下，深度為2.2米，通過計算獲得了閘門的開啟都應該控制在0.1，因此閘門的開啟度e為0.65米，之后通過對降水季、洪澇災害等各種自然環境的破壞情況進行分析，以此對開啟進行進一步的優化。根據工程的實際情況，如果繼續增加消力池和消力敦裝置，就要將消力池的深度控制在2.0米，以及還要把長度修改為16.5米，射流過渡段控制在7.4米。

3 正常運用二臺機運轉狀況

水電站的二臺機在正常運轉時，需要將閘門的開啟度控制在e=0.65米，一旦來水的流量超過1000m3/s，此時閘壩的閘門必須全部開啟，并且閘壩閘門之間的開度差也要控制在0.65米以內。在實際工作的過程中，由于當地水文條件、天氣狀況、地質條件的影響，可能會有一些非正常情況出現，此時就需要重新計算閘壩閘門的開度。

對于天然來水流量在二臺機出力80%以下的情況，如果突然有停機事故出現，就要開啟四扇閘門，以便保證上游水流量可以得到宣泄，在流量和發電機流量相同之后才能結束閘門的開啟，并且開啟的過程中，需要將最大開啟度控制在0.25米以下。

在流量位于二臺機處理80%的情況下，并且滿載發電機的額定流量178m3/s的情況下突然出現了停機的情況，需要馬上將啟動4臺開閉機，并且直到閘門開啟度達到0.25米之后才能結束。另外的四扇閘門也要根據情況對啟閉機進行控制并適時開啟，且要將閘門的開啟度控制在0.25米以內。

在天然來水流量位于單機滿載發電的額定流量和兩臺機滿載發電的額定流量之間時，則必須立即開啟四臺開閉機，將閘門的開啟度控制在0.55米對水電站的另外4扇閘門也要進行啟閉機移動開啟，并且將閘門的開啟度控制在0.55米以內。

如果天然來水流量在兩臺滿載發電機額定流量以上，并且在600m3/s以下，也要馬上開啟4臺啟閉機，直到閘壩閘門的開啟度達到0.65米后才能結束開啟，并且另外4扇閘門也要進行移動開啟，并且將開啟度控制在0.65米以內。

最后，在天然來水的流量位于600m3/s和1000m3/s之間，則需要將所有的閘門都開啟，并且控制開啟度在1.3米以內，而且要保證各個閘門之間的開啟度差控制在0.65米以內。

結合上述控制策略對閘門的開啟度進行重新優化設計，對電站的閘門開啟停機使用了15臺固定式啟停機，在擁有更高經濟效率的情況下，閘門的控制、開啟調度也會更為靈活，這些對于保證水電站安全的同時，還可以使其獲得更高的發電效率。

4 結語

結合以上實例分析，在對水電站的閘門進行改造設計時，應該做好對閘壩消力池尺寸的控制，而在選擇啟閉機時，應該以固定式啟閉機和移動啟閉機優先，使整個工程可以具有更高的工作效率。