陳祖嘉，方燕

（1.中國水電工程顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，成都 610072；2.成都理工大學(xué)，成都 610059）

軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組水電站事故閘門設(shè)置方式初探

陳祖嘉1，方燕2

（1.中國水電工程顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，成都 610072；2.成都理工大學(xué)，成都 610059）

近年軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組水電站進(jìn)水口事故閘門有兩種布置方式，一門一機(jī)布置和多門一機(jī)布置。本文結(jié)合軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組特性，闡述防止機(jī)組飛逸的保護(hù)措施。然后通過兩種布置方式的優(yōu)缺點(diǎn)比較，建議采用一門一機(jī)的方式。

大壩進(jìn)水口；事故閘門；軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組 防飛逸保護(hù)

1 概述

近年來國內(nèi)水電事業(yè)蓬勃興旺，在追求經(jīng)濟(jì)效益最大化的驅(qū)動(dòng)下，人們時(shí)常將電站的安全可靠性排在了次要位置。國內(nèi)外已建和在建的水電站中，軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組的水電站占了很大一部分，由于該型機(jī)組應(yīng)用水頭低的先決條件決定了機(jī)組的外形及其流道尺寸很大，因此，軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組水電站的安全性一直是水電行業(yè)研究的課題。

2 軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組防飛逸的保護(hù)措施

水輪發(fā)電機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí)突然甩去部分負(fù)荷或全部負(fù)荷，發(fā)電機(jī)輸出功率為零，此時(shí)，若調(diào)速系統(tǒng)工作正常，當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到某一轉(zhuǎn)速，會(huì)自動(dòng)回復(fù)到額定轉(zhuǎn)速；當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組在最高水頭下運(yùn)行而突然甩負(fù)荷，若水輪機(jī)調(diào)速系統(tǒng)故障或其他原因使導(dǎo)水機(jī)構(gòu)不能正常關(guān)閉，導(dǎo)葉開度最大、水輪機(jī)轉(zhuǎn)速迅速升高，并達(dá)到某一穩(wěn)定的最大值，該轉(zhuǎn)速即為飛逸轉(zhuǎn)速。當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組在飛逸轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，會(huì)對(duì)水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)的各轉(zhuǎn)動(dòng)部件及其連接件造成破壞，從而發(fā)生重大事故。

《大中型水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》（SL321－2005）規(guī)定“水輪發(fā)電機(jī)和與其直接或間接連接的輔機(jī)，在飛逸轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)5min不應(yīng)產(chǎn)生有害變形和損壞”。《進(jìn)口水輪發(fā)電機(jī)（發(fā)電/電動(dòng)機(jī)）設(shè)備技術(shù)規(guī)范》（DL/T 730－2000）要求“水輪發(fā)電機(jī)（發(fā)電/電動(dòng)機(jī)）和與其直接或間接連接的輔機(jī)應(yīng)能在飛逸轉(zhuǎn)速下安全運(yùn)行，其時(shí)間為5min”。

水輪發(fā)電機(jī)組防飛逸的保護(hù)措施通常有：機(jī)組進(jìn)水口設(shè)置快速閘門、事故閘門；調(diào)速系統(tǒng)設(shè)置事故配壓閥、純機(jī)械過速保護(hù)裝置（當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速升高至某一預(yù)先設(shè)定值而導(dǎo)葉不能關(guān)閉時(shí)，直接把壓力油引入導(dǎo)葉接力器的關(guān)閉腔，使導(dǎo)葉迅速關(guān)閉）；設(shè)置水輪機(jī)進(jìn)水閥或圓筒閥（大型、巨型混流式機(jī)組），因蝸殼進(jìn)口尺寸較大，不能設(shè)置進(jìn)水閥，因此在活動(dòng)導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉之間設(shè)置圓筒閥。圓筒閥具備動(dòng)水關(guān)閉的功能，具有一定的防機(jī)組飛逸的能力，但其主要作用是用于機(jī)組關(guān)機(jī)時(shí)減少水輪機(jī)導(dǎo)葉漏水量，有效消除水輪機(jī)停機(jī)后導(dǎo)水機(jī)構(gòu)間隙空蝕和磨損。圓筒閥的控制方式目前多采用電液同步方式，動(dòng)作時(shí)對(duì)同步性的要求高，因此動(dòng)水關(guān)閉時(shí)一般都要求圓筒閥與快速閘門配合使用，防止圓筒閥動(dòng)水關(guān)閉時(shí)發(fā)卡、擴(kuò)大事故等。

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)組由于其水頭較低，整體外形尺寸相對(duì)混流式機(jī)組更大，設(shè)置進(jìn)水閥或圓筒閥技術(shù)上是很困難的，經(jīng)濟(jì)上是很不合算的。因此，只能夠利用其他保護(hù)方式來防止軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)組飛逸。主要措施有設(shè)置事故油壓裝置，以此增加冗余的油源，當(dāng)一路油源故障時(shí)，可依靠事故備用油源動(dòng)作接力器，關(guān)閉導(dǎo)葉。但如果發(fā)生操作油管爆裂、接力器故障、導(dǎo)葉剪斷銷剪斷數(shù)量較多、人為誤操作等情況時(shí)，事故油壓裝置也不能防止飛逸事故的發(fā)生。比如葛洲壩水電廠機(jī)組投產(chǎn)以來，由于來水中的雜物較多，經(jīng)常出現(xiàn)個(gè)別導(dǎo)葉剪斷銷被剪斷的現(xiàn)象，曾發(fā)生過一臺(tái)機(jī)13個(gè)導(dǎo)葉剪斷銷被剪斷，導(dǎo)葉失控不能正常關(guān)機(jī)，機(jī)組出現(xiàn)約15～20r/min反轉(zhuǎn)，被迫將上游進(jìn)口工作閘門關(guān)閉，機(jī)組方停止轉(zhuǎn)動(dòng)的事故；又如銅街子水電站曾在調(diào)速器調(diào)試過程中，由于調(diào)試人員操作失誤，將調(diào)速器滿載開度值輸入為空載開度值，造成剛開機(jī)，機(jī)組轉(zhuǎn)速迅速上升，機(jī)組及廠房震動(dòng)劇烈，此時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出指令，立即同時(shí)關(guān)閉該機(jī)組的3扇事故閘門，避免了事故的進(jìn)一步擴(kuò)大。

因此，對(duì)于軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)組的電站，當(dāng)發(fā)生飛逸事故，機(jī)組又不能正常關(guān)機(jī)時(shí)，依靠更快地關(guān)閉進(jìn)水口事故閘門來切斷水流，防止事故擴(kuò)大，是一個(gè)較為穩(wěn)妥的方案。

3 設(shè)置事故閘門的必要性

由于大、中型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)進(jìn)水口尺寸較大，多設(shè)有中墩，而各孔均需設(shè)置事故閘門，因此每臺(tái)機(jī)組的事故閘門數(shù)量較多。事故閘門的布置方式主要有多門一機(jī)布置方案和一門一機(jī)布置方案。

多門一機(jī)布置方案：即由一臺(tái)門機(jī)負(fù)責(zé)多扇事故閘門的啟閉，當(dāng)需要關(guān)閉（或開啟）事故閘門時(shí)，需由專職駕駛?cè)藛T將壩頂門機(jī)駛到相應(yīng)事故門槽上方，將鎖定在門槽中的事故門葉緩慢放下（或?qū)⒃陂T槽中的事故門葉緩慢提起）。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，壩頂門機(jī)每次放下一扇門葉大約需要30～45min，以桐子林水電站為例，每臺(tái)機(jī)組進(jìn)水口均設(shè)有3扇事故閘門，加上門機(jī)吊鉤上行時(shí)間，完成一臺(tái)機(jī)組全部事故閘門關(guān)閉的時(shí)間大約為3h。若發(fā)生事故時(shí)，門機(jī)駕駛?cè)藛T恰巧不在現(xiàn)場(chǎng)，操作時(shí)間是不可估計(jì)的。

一門一機(jī)布置方案：每孔事故閘門正上方設(shè)置一臺(tái)固定式卷揚(yáng)啟閉機(jī)或液壓?jiǎn)㈤]機(jī)，平時(shí)事故門葉懸掛于門槽中上部，當(dāng)發(fā)生事故需要關(guān)閉事故閘門時(shí)，除了由關(guān)機(jī)程序與事故閘門聯(lián)動(dòng)外，還可由運(yùn)行人員在中控室內(nèi)直接操作啟閉機(jī)，進(jìn)行關(guān)閉事故閘門的操作。采用一門一機(jī)布置方案，每臺(tái)機(jī)組進(jìn)水口的多扇事故閘門的關(guān)閉過程幾乎是完全同步的。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，采用固定式卷揚(yáng)啟閉機(jī)操作事故閘門，完成一臺(tái)機(jī)組全部事故閘門關(guān)閉的時(shí)間大約為15～20min，而采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作事故閘門，該時(shí)間將會(huì)更短。

液壓?jiǎn)㈤]機(jī)所用的液壓缸體及液壓連桿最大加工總長度受加工技術(shù)所限，不能過長，而近年來國內(nèi)已建或在建的大、中型軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組水電站的進(jìn)水口事故閘門孔口高度均較高，因此在大、中型軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組水電站進(jìn)水口事故閘門大多采用固定式卷揚(yáng)啟閉機(jī)進(jìn)行操作。

因此事故閘門布置形式無論采用固定式卷揚(yáng)啟閉機(jī)操作事故閘門的一門一機(jī)布置方案還是多門一機(jī)布置方案，均不能滿足在5min內(nèi)關(guān)閉事故閘門的要求，不能作為防止機(jī)組飛逸的措施。

在較長的一段時(shí)間內(nèi)，考慮到軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組水電站的事故閘門不能作為防止機(jī)組飛逸的措施，且采用多門一機(jī)布置方案在投資方面明顯優(yōu)于一門一機(jī)布置方案等因素，國內(nèi)大、中型軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組水電站的事故閘門布置形式多采用的是多門一機(jī)布置形式，見表1。

表1 國內(nèi)部分軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組電站的設(shè)計(jì)參數(shù)及事故閘門布置方式匯總表Table 1 Design parameters and emergency gates layouts of domestic power stations with Kaplan turbines

根據(jù)各電站機(jī)組結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，所需事故閘門數(shù)量各不相同。采用每孔事故閘門各配備一臺(tái)固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)后，由于每孔事故門均需設(shè)置啟閉機(jī)，且攔污柵、檢修閘門等仍需要壩頂門機(jī)起吊，僅僅是壩頂門機(jī)的起吊容量略有減小，因此機(jī)電方面的投資會(huì)有所增加。且由于啟閉機(jī)的布置位置，可能會(huì)帶來土建上的投資變化，因此該方案的總投資會(huì)比多孔事故閘門配備一臺(tái)壩頂門機(jī)的方案略高。

在“5.12”汶川大地震及俄羅斯薩揚(yáng)－舒申斯克水電站發(fā)生重大事故后，國家對(duì)涉及國民安全的相關(guān)問題更加重視，將水電站的安全可靠運(yùn)行放在了首位。在對(duì)軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組水電站調(diào)研和回訪時(shí)，部分采用多門一機(jī)布置事故閘門的水電站的運(yùn)行單位提到，雖然至今電站運(yùn)行是安全可靠的，但事故閘門采用該布置形式是存在一定的安全事故隱患的，并且正在考慮進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改造，以確保電站的安全運(yùn)行。

4 結(jié)論

從電站長期安全穩(wěn)定運(yùn)行出發(fā)，軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組水電站進(jìn)水口事故閘門的采用每孔事故閘門各配備一臺(tái)固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)來取代多孔閘門配備一臺(tái)壩頂門機(jī)是必要的，更是可行的。雖然在機(jī)電和土建總投資上會(huì)略有增加，但從消除電站安全事故隱患、防止事故擴(kuò)大所帶來的直接和間接的效益是不可估量的。

［1］王建忠，盧進(jìn)玉.葛洲壩電廠水輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)改造簡(jiǎn)述［J］.水力發(fā)電，2002，（6）.

［2］王祖卿.淺談水輪發(fā)電機(jī)組的飛逸保護(hù)［J］.湖北水力發(fā)電，2007，（6）.

［3］李軍.平班水電站廠房進(jìn)水口事故閘門設(shè)計(jì)［J］.紅水河，2006，（1）.

INSTALLING THE EMERGENCY GATE AT THE INLET OF THE HYDROPOWER STATION WITH KAPLAN TURBINES

Chen Zu－jia1，F(xiàn)ang Yan
（1.Hydrochina Chengdu Engineering Corporation，Chengdu 610072，China；2.Environmental ＆ Civil Engineering College of Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

In recent years，emergency gates have been installed at the inlet of the hydro－station with Kaplan turbines in two ways：one machine for one gate or one machine for several gates.In accordance with the features of Kaplan units，measures are elaborated to prevent units from running away.Then through an comparison of the advantages and disadvantages of these two layouts，the one－machine－one－gate layout is preferred to the other.

dam intake；emergency gate；Kaplan turbine；runaway prevention

TV663；TV737

A

1006－4362（2011）04－0108－03

2011－10－18 改回日期：2011－11－09

陳祖嘉（1979－ ），男，重慶人，中國水電工程顧問集團(tuán)公司成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院工程師，主要從事水電站水力機(jī)械設(shè)計(jì)工作。