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        瀟湘水電站浮式攔污排的設(shè)計與應用

        2017-02-21 11:01:22李一平
        水電站機電技術(shù) 2017年1期
        關(guān)鍵詞:設(shè)計

        李一平

        (湖南省永州市瀟湘水電站,湖南 永州 425000)

        瀟湘水電站浮式攔污排的設(shè)計與應用

        李一平

        (湖南省永州市瀟湘水電站,湖南 永州 425000)

        詳盡介紹了低水頭、大流量燈泡貫流式機組在進水前池設(shè)置正規(guī)浮式攔污排的設(shè)計和應用經(jīng)驗。通過實施

        浮式攔污排;設(shè)計;應用;實施;成效

        1 引言

        瀟湘水電站位于湖南境內(nèi)瀟水和湘江兩河交匯處,為流域規(guī)化中湘江干流上游的第二個梯級水電站,地處永州市城市中心。該電站屬于徑流式低水頭電站,距上游瀟水南津渡電站29.4 km,距上游湘江支流太洲電站32.1 km,下游距祁陽浯溪梯級電站約50 km。庫區(qū)控制流域面積21 590 km2,多年平均流量606 m3/s,設(shè)計總庫容1.82億m3。電站設(shè)計4臺燈泡貫流式機組,總裝機容量為52MW(4×13MW),工程于1993年8月動工,2002年5月第一臺機組投產(chǎn)發(fā)電,該工程具有航運、灌溉、城市供水、改善城市交通條件、促進土地及房地產(chǎn)開發(fā)、旅游等一系列綜合利用效益。

        2 設(shè)置正規(guī)浮式攔污排的必要性

        在水電站進水前池設(shè)置正規(guī)的浮式攔污排是各個水電站的攔污措施,可以有效攔截汛期大量垃圾,最大限度減少機組流道進水口攔污柵前垃圾擁堵量,保證機組較正常的出力,創(chuàng)造可觀的發(fā)電效益。

        (1)瀟湘水電站為20世紀90年代初設(shè)計的,進水前池未設(shè)計攔污擋墻或攔污排、垃圾中轉(zhuǎn)站。沒有攔污擋墻,電站之前采用了木排和空油桶制作臨時攔污排,但因吃水深度不夠等原因,攔污效果不理想;沒有垃圾中轉(zhuǎn)站,從上游清出的大量垃圾又要倒入下游河道,不利于環(huán)保,且清污效率低、清污壓力很大。

        (2)瀟湘水電站地處瀟水和湘江兩河交匯處,且位于城市正中心,汛期洪水時上游大量樹木、水草、水藻、漂浮物以及城市生活垃圾擁堵發(fā)電機進水口,直接影響發(fā)電出力,為了清污工作,電站專門成立了一支清污隊伍,汛期需要大量人力、物力投入到清污工作中去。

        3 攔污排的設(shè)計

        3.1 設(shè)計難點

        (1)瀟湘水電站為徑流式大流量水電站,進水前池河面較寬,要求浮式攔污排長度也較長,達到202 m,在整個湘江干流上的電站中是最長的,兩固定端所受水平拉力很大,其型式的選擇難度大。

        (2)浮式攔污排兩側(cè)固定端應能隨水位升降而自動沉浮,需上下浮動達7 m。

        (3)浮式攔污排要求長期工作在1 000 m3/s的大流量環(huán)境下保持平衡,以保證攔污排的攔污效果和攔污排上的工作平臺的平穩(wěn),以便于工作人員清理垃圾。

        (4)浮式攔污排各節(jié)段的連接裝置能上下浮動、左右轉(zhuǎn)動,而且能承受較大的荷載和剪切扭矩力。

        (5)浮式攔污排一側(cè)固定在宋家洲東岸邊的控制墩,其施工平臺開挖至水面5 m以下,需要降低水位或設(shè)計鋼板樁圍堰,降低施工成本保證質(zhì)量,設(shè)計難度較大。

        3.2 攔污排的固定點和固定方式的選定

        由于電站為20世紀90年代初設(shè)計,當時沒有考慮進水前池攔污排的設(shè)計,發(fā)電機進水口與電站大壩水平相連,大壩為橋壩結(jié)合形式,橋面通車,橋下為27孔弧形閘門,溢流壩全長369 m,河面寬度約為500 m。需要在發(fā)電機進水前池約100 m河面上設(shè)計大跨度浮式攔污排,長度較長(202 m),其兩固定端水平拉力大,并要求兩固定端能隨水位升降。攔污排一端采用固定錨墩錨固在上游宋家洲東岸坡(需要澆筑砼控制墩),考慮攔污排常年運行水位為正常蓄水位97~95 m之間,洪水位102 m,上游岸坡側(cè)浮箱運行水位范圍為102~95 m。另一端根據(jù)大壩現(xiàn)有條件,采用浮動空心鋼梁錨固在大壩4~5號閘墩檢修門槽。攔污排根據(jù)水流方向,形成最優(yōu)的斜角度(大壩水平線61°)。

        3.3 浮式攔污排的總體布置

        浮式攔污排兩固定端之間的連線盡量與水流平行,為減少兩固定端的拉力,攔污排的軸線布置為弧形,其矢高選為兩固定端距離的1/8~1/12(圖1)。

        圖1 浮式攔污排示意圖

        3.4 攔污排水平設(shè)計拉力計算

        3.4.1 特性參數(shù)

        (1)軸線長L=202 m;

        (2)浮排弧垂f=23.6 m;

        (3)攔污深度Hs=1.85 m;

        (4)流量Q=1 000 m3/s;

        (5)攔污排低水位95 m高程工作時估計平均水深6 m(弧門底坎高程89 m,檢修門底坎高程86 m)。

        3.4.2 攔污排前后水位超高的計算

        選擇最不利的情況,即柵格被污物全部堵死的情況,近似將被污物全部堵死的攔污排看做半開啟的閘門,按閘孔無水躍式淹沒出流公式計算攔污排前后水位超高。

        Q=μeB×(2g(h0-h1))0.5

        1000=0.67×(6-1.85)×202×(2×9.8×(6-h1))0.5

        h1=5.838 m

        前后水位超高=0.162 m

        式中:Q流量,μ流量系數(shù)0.65~0.7,e閘門開度,B孔口寬度,g重力加速度,h0上游水深,h1下游水深。

        3.4.3 上下游水位差產(chǎn)生的均布荷載

        q=0.5×r×(Hs2-Hx2)

        q=0.5×10×(1.852-(1.85-0.162)2)=2.87 kN/m

        式中:r為水的重度,Hs為攔污排總深度,Hx為攔污排凈深度。

        3.4.4 攔污排兩固定端水平拉力

        N=qL2/8f=2.87×202×202/(8×23.6)=620 kN

        動水拉力=1.1×620=682 kN

        3.5 牽引鋼纜設(shè)計

        按浮標纜索考慮,安全系數(shù)k=2,即主索設(shè)計承載力按1 364 kN設(shè)計。牽引鋼纜選型為1 666 MPa鋼絞線,根據(jù)主索設(shè)計承載力反算鋼索直徑,選擇Φ48 mm的鋼纜索可以滿足要求。

        3.6 攔污排金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計

        浮式攔污排主要由浮箱、攔污排等組成。浮式攔污排的浮箱采用圓鐵桶,桶壁不宜太厚,外涂防銹漆。浮桶前后布置,兩浮桶間用鋼支撐聯(lián)結(jié),迎水面的浮桶上焊接攔污排格。為了保證攔污排在水中的平衡,設(shè)計迎水面的浮桶長一些,平衡浮桶略短一些。

        主浮筒與平衡浮筒均采取圓柱筒型式,即半徑為0.3 m的圓柱。浮筒壁厚6 mm,材料采用Q235鋼板。中間采用鋼支撐桁架的連接方式。浮筒上鋪鋼格網(wǎng)供行走,人工定期清理浮渣。攔污排格間距0.12 m,柵條高度為1.8 m。

        浮式攔污排由多個攔污排體連接而成,只要單個攔污排體在水中是穩(wěn)定的,那么整個攔污排也是穩(wěn)定的。經(jīng)過初步計算,浮筒以及各部件重量約為1 058 kg,排水重量約為1 200 kg,攔污排體的重力低于浮力,攔污排可滿足穩(wěn)定性要求。

        4 攔污排的實施

        (1)控制墩施工

        根據(jù)電站攔污排的設(shè)計要求,由于流量大,攔污排受拉力較大,而此力主要集中在上游側(cè)岸坡上的控制墩處,控制墩通過地勘檢測,設(shè)計了6根直徑800 mm的沖擊灌柱樁打入基石,上面澆筑長8 m寬6 m高7 m約400 m3C30砼塊(圖2)。

        (2)攔污排金結(jié)部分施工

        根據(jù)設(shè)計,每個攔污排體長4 m,共有50個,每個攔污排主浮筒正面焊接了3個主耳柄,穿在Φ48mm的主鋼纜索上,主浮筒兩側(cè)還各焊接1個耳柄,用Φ20 mm螺栓連接各個攔污排體。主鋼纜索一側(cè)固定在大壩鋼浮梁上,一側(cè)固定在宋家洲東岸邊控制墩上。各個攔污排串接后穿在主鋼纜索上,在發(fā)電機進水口前100 m形成了一道長200多m,深2 m的攔污“屏障”(圖3)。

        圖2 控制墩施工

        圖3 攔污排

        5 攔污排產(chǎn)生的效益

        (1)提高水頭的效益

        瀟湘水電站是低水頭電站,水頭越高發(fā)電效率越高,可以通過進尾水壓差表進行比較計算:進水前池攔污排攔截垃圾提高了0.3m水頭,主要體現(xiàn)在豐水期。以2016年5月份為例,5月份發(fā)電上網(wǎng)電量2 893萬kW·h,進水前池有攔污排和無攔污排比較多上網(wǎng)2893×0.3/6=144.65萬kW·h,一年按4個月的豐水期計算,一年可多上網(wǎng)578萬kW·h,為公司多創(chuàng)220多萬元的收入。

        (2)避免停機和減負荷清污的損失

        進水前池沒設(shè)計安裝攔污排時,每年因機組進水口垃圾太多造成全停機(5 000 m3/s以下)3~5次,每次損失上網(wǎng)電量15萬kW·h。安裝攔污排后可避免此類損失。

        (3)減少洪水時的停機時間產(chǎn)生的效益

        原來進水前池沒安裝攔污排時洪水流量達3 500 m3/s,水頭低于3.0 m時,機組出力就很低須停機,現(xiàn)在提高到5 000 m3/s時,水頭低于2.0 m時才停機,大大減少了洪水造成的停機時間,從而提高了發(fā)電量。

        (4)機組安全運行效益

        進水前池安裝攔污排后,因沒垃圾進入機組流道,機組振動減少,機組冷卻水也無堵塞現(xiàn)象,溫度降低,有效的保證機組長周期安全穩(wěn)定運行。

        (5)排污處理效益

        相較其他電站進水前池攔污排前垃圾需要第三方專項清理,瀟湘水電站由于前池攔污排設(shè)計合理,利用入庫流量大于總發(fā)電流量時通過開閘可有效排掉攔污排前垃圾,每年可為公司節(jié)省較大的清污費用。

        (6)綜合效益

        進水前池安裝攔污排后,減少了機組流道進水口的外來垃圾近90%,極大減輕了機組流道進水口攔污柵的清污量,減少了汛期清污工作的人力、物力的大量投入,也避免了轉(zhuǎn)運垃圾時引起陸地和城市道路的二次污染。

        6 結(jié)語

        進水前池攔污排在大部分電站都有安裝應用,但攔污效果也有不理想的,主要原因:①攔污排的兩固定點的連線與水流方向角度不恰當,使攔污排受水流垂直沖力較大,攔污排前的垃圾堆存較多,不便于隨水流方向自然流走;②攔污排的吃水深度較淺,只能攔截表面較少一層垃圾。瀟湘水電站進水前池攔污排投運半年,特別是主汛期可以攔截80%左右的垃圾,是由于設(shè)計角度和吃水深度適當(約需2 m),這樣大部分污物(水草、樹林、垃圾等)都能被有效攔截,而且大部分垃圾可以隨水流方向自然沖走,節(jié)省了大量人力、物力,直接或間接創(chuàng)造了超預期的效益。

        [1]楊逢堯,魏文煒.水工金屬結(jié)構(gòu)[M].北京:中國水利水電出版社,2005.

        [2]徐遠杰,楊建東,陳輝春,等.水電站進水口漂浮式攔污排張力計算[J].水利學報,2005(3):47-52.

        [3]于 暉.浮式攔污柵設(shè)計方法的探討[J].水利水電工程設(shè)計,2002(3):16-17.

        TV732.2

        B

        1672-5387(2017)01-0063-03

        10.13599/j.cnki.11-5130.2017.01.019

        2016-09-30

        李一平(1980-),男,高級工程師,從事水電工程施工和水電站技術(shù)管理工作。

        此浮式攔污排對提高發(fā)電效益發(fā)揮了重要作用,成效顯著。可為其他電站類似應用提供借鑒。

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