曹 陽，崔家仲，賈 剛

(1.雅礱江流域水電開發(fā)有限公司桐子林建設(shè)管理局， 四川 鹽邊 617000；2.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072)

1 工程概述

桐子林水電站位于四川省攀枝花市鹽邊縣境內(nèi)，距上游二灘水電站18 km，距雅礱江與金沙江匯口15 km，是雅礱江下游最末一個(gè)梯級(jí)電站。電站以發(fā)電任務(wù)為主，兼有下游綜合用水要求，其水庫具有日調(diào)節(jié)性能。電站由河床式發(fā)電廠房、溢流閘及擋水壩等建筑物組成，裝設(shè)4臺(tái)額定轉(zhuǎn)速66.7 r/min、飛逸轉(zhuǎn)速不超過195 r/min、額定功率為153.10 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)組。

桐子林水電站每臺(tái)機(jī)組進(jìn)水口通過中墩分為3個(gè)孔口，在進(jìn)口處依次設(shè)有進(jìn)水口備用柵(與清污抓斗導(dǎo)槽共槽)、工作柵、檢修閘門和事故閘門。設(shè)有備用柵1扇，工作柵12扇，檢修閘門3扇，事故閘門12扇。

2 軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組進(jìn)水口事故閘門及啟閉機(jī)的常用布置型式

由于軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)組應(yīng)用水頭低，其流道尺寸相對(duì)更大，在蝸殼進(jìn)口設(shè)置進(jìn)水閥或在活動(dòng)導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉之間設(shè)置筒形閥技術(shù)上十分困難。因此，一般利用其他保護(hù)方式來防止機(jī)組飛逸。但如果發(fā)生接力器故障、導(dǎo)葉剪斷銷剪斷數(shù)量較多、導(dǎo)葉卡阻、操作油管爆裂、人為誤操作等情況時(shí)，事故油壓裝置也無法防止飛逸事故的發(fā)生。

當(dāng)發(fā)生飛逸等事故，在軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)組的電站中，機(jī)組不能正常停機(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。

由于大、中型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)進(jìn)水口尺寸大，常設(shè)有中墩，各孔均需設(shè)置事故閘門，因此每臺(tái)機(jī)組對(duì)應(yīng)的事故閘門數(shù)量較多。同時(shí)，由于軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)設(shè)有過速保護(hù)裝置，因此對(duì)進(jìn)水口事故閘門一般沒有快速閉門要求。加之多門一機(jī)布置可以節(jié)省設(shè)備數(shù)量，建設(shè)成本較低，因而更受青睞。國內(nèi)大、中型軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組水電站大多采用多門一機(jī)布置。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逐扇緩慢放下。

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，門機(jī)每次放下一扇門葉大約需要30～45 min。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3 h。若發(fā)生事故時(shí)，門機(jī)駕駛?cè)藛T不在生產(chǎn)現(xiàn)場，操作時(shí)間是不可估計(jì)的。

另外，采用多門一機(jī)型式，同一臺(tái)機(jī)組進(jìn)水口的多扇閘門動(dòng)水關(guān)閉時(shí)，只能逐扇操作。由于中墩的體型關(guān)系，門槽下游側(cè)的水流條件對(duì)后續(xù)閘門動(dòng)水關(guān)閉的操作極為不利，曾有工程出現(xiàn)過最后一扇閘門不能完全關(guān)閉的情況。

因此，機(jī)組進(jìn)水口事故閘門采用多門一機(jī)的布置型式，對(duì)機(jī)組事故狀態(tài)下的安全保護(hù)是存在一定不足的。

3 一門一機(jī)布置型式在軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組進(jìn)水口事故閘門中的應(yīng)用

3.1 軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組進(jìn)水口事故閘門一門一機(jī)布置型式

軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組進(jìn)水口事故閘門的布置型式除前述的多門一機(jī)布置方案外，還可采用一門一機(jī)布置方案，一門一機(jī)布置方案的啟閉機(jī)可選擇固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)或液壓啟閉機(jī)。

受制于國家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和液壓啟閉機(jī)的設(shè)計(jì)制造加工水平，以往大、中型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)組電站尚無采用液壓啟閉機(jī)操作進(jìn)水口事故閘門的先例。銅街子、深溪溝和天橋水電站等少數(shù)采用一門一機(jī)布置方案的電站，操作閘門的啟閉機(jī)均采用的是固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，即傳統(tǒng)的一門一機(jī)布置方案。

傳統(tǒng)的一門一機(jī)布置方案是在每孔事故閘門正上方設(shè)置一臺(tái)固定式卷揚(yáng)式啟閉機(jī)。平時(shí)，事故閘門懸掛于門槽中上部，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)，關(guān)閉事故閘門，達(dá)到同時(shí)落門的運(yùn)行要求，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)以往工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合啟閉機(jī)正常的啟閉速度驗(yàn)算可知，機(jī)組事故狀態(tài)下，每臺(tái)機(jī)組的多扇閘門同時(shí)動(dòng)水閉門的時(shí)間約為10～20 min。

3.2 軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組進(jìn)水口事故閘門一門一機(jī)液壓啟閉機(jī)布置型式

采用液壓啟閉機(jī)操作進(jìn)水口事故閘門時(shí)，閘門的布置方案與采用固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)時(shí)基本相同，僅啟閉機(jī)由固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)改為液壓啟閉機(jī)。

每孔機(jī)組進(jìn)水口均需設(shè)置閘門，每扇閘門需配備一臺(tái)液壓啟閉機(jī)。每臺(tái)機(jī)組進(jìn)口的多套啟閉機(jī)為一組，共用一套控制系統(tǒng)，控制方式為現(xiàn)地和遠(yuǎn)程控制(電站集控室)相結(jié)合。當(dāng)機(jī)組發(fā)生事故時(shí)，可同時(shí)動(dòng)水操作對(duì)應(yīng)的多扇閘門，達(dá)到同時(shí)落門的運(yùn)行要求。

液壓啟閉機(jī)為垂直單作用式。閉門工況利用閘門及水柱重量，通過直流電源打開回油管路閥組，有桿腔回油口設(shè)置截流孔板建立持住力，設(shè)置緩沖套控制閉門瞬間門葉接近底檻的速度，無桿腔采用差動(dòng)及頂部補(bǔ)油箱的形式補(bǔ)油；啟門工況利用泵站啟動(dòng)產(chǎn)生的有桿腔油壓提升閘門。根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，機(jī)組事故狀態(tài)下，每臺(tái)機(jī)組的多扇閘門同時(shí)動(dòng)水閉門的時(shí)間可保證在10 min以內(nèi)。

當(dāng)閘門需要檢修時(shí)，先將閘門鎖定，再利用雙向門機(jī)先后拆除液壓啟閉機(jī)與閘門的連接、液壓啟閉機(jī)缸體總成和機(jī)架，然后將閘門吊至壩面上進(jìn)行檢修。由于液壓啟閉機(jī)自重較小，連接結(jié)構(gòu)簡單，拆卸方便，閘門檢修較固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)方案更加便利，檢修時(shí)長較短，大大提高了機(jī)組的年利用小時(shí)數(shù)。

3.3 一門一機(jī)液壓啟閉機(jī)布置型式對(duì)電站安全運(yùn)行的重要意義

采用多門一機(jī)方案，動(dòng)水閉門動(dòng)作時(shí)，啟閉機(jī)的操作方式為現(xiàn)地操作，且操作閘門時(shí)間長。以桐子林水電站為例，完成一臺(tái)機(jī)組全部事故閘門關(guān)閉所需時(shí)間，門機(jī)方案約為3 h。

而采用一門一機(jī)方案，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，運(yùn)行操作方便可靠。一門一機(jī)方案每臺(tái)機(jī)組進(jìn)水口的多扇閘門的關(guān)閉過程幾乎是完全同步的，完成一臺(tái)機(jī)組全部閘門的關(guān)閉時(shí)間，傳統(tǒng)的固定卷揚(yáng)式啟閉機(jī)方案大約為10～20 min，液壓啟閉機(jī)方案為10 min以內(nèi)。

2009年，俄羅斯薩揚(yáng)-舒申斯克水電站發(fā)生重大安全事故。進(jìn)水口快速閘門未能及時(shí)關(guān)閉截?cái)嗨?，是?dǎo)致事故進(jìn)一步擴(kuò)大、損失慘重的重要原因。

因此，軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組進(jìn)水口事故閘門采用一門一機(jī)液壓啟閉機(jī)布置型式，閘門動(dòng)水關(guān)閉閘門時(shí)間更短，機(jī)組事故狀態(tài)下的安全保護(hù)級(jí)別高，對(duì)保證機(jī)組長期安全穩(wěn)定運(yùn)行，消除潛在的安全事故隱患具有重要意義。

4 一門一機(jī)液壓啟閉機(jī)布置型式在桐子林水電站中的應(yīng)用

4.1 桐子林水電站進(jìn)水口事故閘門及啟閉機(jī)的布置型式

基于電站長期安全穩(wěn)定運(yùn)行考慮，桐子林水電站進(jìn)水口事故閘門采用了一門一機(jī)液壓啟閉機(jī)的布置型式。

根據(jù)一門一機(jī)布置要求，桐子林水電站12個(gè)進(jìn)水口共設(shè)置事故閘門12扇，液壓啟閉機(jī)12臺(tái)。閘門門型為潛孔平面滑動(dòng)式，下游止水，滑道支承，孔口尺寸為7.48 m×16.881 m-38.8 m(寬×高-設(shè)計(jì)水頭)。閘門可動(dòng)水閉門，此時(shí)每個(gè)機(jī)組進(jìn)口三扇閘門同時(shí)閉門時(shí)間不大于10 min(不含充水閥關(guān)閉時(shí)間)。啟門時(shí)，先通過門頂充水閥充水，待平壓后再起吊整扇閘門。平時(shí)閘門與啟閉機(jī)吊耳相連停放于上游孔口上方0.5 m處。

液壓啟閉機(jī)容量為3 200 kN(啟門力)/4 000 kN(持住力)，工作行程19.76 m，最大行程19.96 m，油缸(含補(bǔ)油箱)伸出壩頂20.557 m。共設(shè)4套液壓泵站，1套泵站控制1臺(tái)機(jī)組的3臺(tái)液壓啟閉機(jī)。每套泵站設(shè)2臺(tái)油泵電動(dòng)機(jī)組，互相備用。液壓啟閉機(jī)可現(xiàn)地操作，也可在電站中控室集中控制。

液壓啟閉機(jī)實(shí)施事故閘門閉門動(dòng)作，必須具備以下條件：直流控制電源可靠；機(jī)組發(fā)生事故，導(dǎo)葉不能關(guān)閉；機(jī)組過速，轉(zhuǎn)速達(dá)到三級(jí)過速保護(hù)值(即純機(jī)械過速保護(hù)裝置動(dòng)作的轉(zhuǎn)速值)。純機(jī)械過速保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)，發(fā)出動(dòng)作信號(hào)給電站監(jiān)控系統(tǒng)，可在中控室進(jìn)行遠(yuǎn)方控制落門，或者直接將純機(jī)械過速保護(hù)裝置動(dòng)作信號(hào)發(fā)給閘門啟閉機(jī)控制柜，自動(dòng)進(jìn)行落門。

當(dāng)閘門需要檢修時(shí)，先將閘門鎖定在1 011.86 m平臺(tái)，利用雙向門機(jī)先后拆除液壓啟閉機(jī)與閘門的連接、液壓啟閉機(jī)缸體和機(jī)架，然后將閘門吊至壩面上進(jìn)行檢修。

桐子林水電站進(jìn)水口事故閘門及啟閉機(jī)布置詳見圖1。

4.2 超長行程液壓啟閉機(jī)整體布置的主要技術(shù)措施

以往在采用垂直單作用式液壓啟閉機(jī)的類似工程中，液壓啟閉機(jī)行程不大，油缸伸出壩面長度較小。

桐子林水電站進(jìn)水口液壓啟閉機(jī)最大行程19.96 m，對(duì)于垂直布置的液壓啟閉機(jī)而言，該工作行程為世界之最。由于軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組水頭低、壩高低，當(dāng)閘門正常停放于門槽內(nèi)待命時(shí)，閘門吊耳距壩頂距離較小，而液壓啟閉機(jī)工作行程又超長，故液壓缸缸體伸出壩面長可達(dá)20.557 m。因此，設(shè)備整體布置難度很大。

桐子林水電站液壓啟閉機(jī)油缸通過機(jī)架與錨板連接，錨板采用一期混凝土預(yù)埋，此種安裝方式確保了液壓啟閉機(jī)荷載可靠作用于壩體上?，F(xiàn)場安裝時(shí)，通過在機(jī)架和錨板之間加設(shè)墊片等措施，精確調(diào)整油缸的安裝狀態(tài)，從最終實(shí)施效果看，液壓啟閉機(jī)活塞桿垂直度安裝指標(biāo)優(yōu)于安裝規(guī)范的要求。

為適應(yīng)超長行程液壓啟閉機(jī)制造安裝誤差，及長期水下運(yùn)行工況要求，油缸的安裝形式為下端蓋處法蘭與機(jī)架螺釘聯(lián)接，活塞桿吊頭采用自潤滑關(guān)節(jié)軸承與閘門聯(lián)接。

液壓啟閉機(jī)油缸頂部設(shè)有開度儀和補(bǔ)油箱，為滿足其檢修要求，以往工程中常采用沿油缸設(shè)檢修爬梯，對(duì)桐子林水電站液壓啟閉機(jī)而言，如設(shè)置爬梯，則其高度達(dá)22 m?？紤]到爬梯的安全性、可靠性及壩面景觀等因素，檢修梯方案最終采用在油缸頂部設(shè)置帶安全圍欄的檢修平臺(tái)，同時(shí)在進(jìn)水口雙向門機(jī)下游支腿的跨內(nèi)側(cè)設(shè)置上人梯和進(jìn)入檢修平臺(tái)的通道。

圖1 桐子林水電站進(jìn)水口事故閘門及液壓啟閉機(jī)布置(單位：m)

考慮到液壓啟閉機(jī)行程超長，活塞桿和缸筒抗彎性能要求高，設(shè)備方案設(shè)計(jì)中適當(dāng)加大了活塞桿直徑和缸筒厚壁厚，以提高設(shè)備的強(qiáng)度和剛度。

通過以上技術(shù)措施的實(shí)施，確保了桐子林水電站液壓啟閉機(jī)整體布置的安全可靠性。

5 結(jié) 語

桐子林水電站為軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)組，電站進(jìn)水口事故閘門采用一門一機(jī)液壓啟閉機(jī)布置方案，對(duì)消除電站安全事故隱患、防止事故擴(kuò)大，具有巨大的直接和間接效益。隨著國內(nèi)液壓設(shè)備的生產(chǎn)水平不斷提高，液壓啟閉機(jī)制造成本不斷降低，軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)電站進(jìn)水口事故閘門一門一機(jī)液壓啟閉機(jī)的布置型式將越來越多地被采用。