賈 愛 軍,呂 念 東,李 焰
(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司,四川 成都 610072)
蘇布雷水電站位于科特迪瓦西南部,薩桑德拉河中下游河段納瓦(Nawa)瀑布附近,是該河上的第二個梯級。蘇布雷水電站的主要任務(wù)是發(fā)電,電站總裝機275.1 MW,是科特迪瓦目前最大的水電站。
蘇布雷水電站設(shè)有一個主電站和一個微型電站。主電站裝設(shè)3臺額定功率為90 MW混流式水輪發(fā)電機組;微型電站裝設(shè)1臺額定功率為5.31 MW的燈泡貫流式機組。
微型電站雖然規(guī)模不大,但金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計很有特點。為適應(yīng)燈泡貫流式機組,攔污柵采用了非常規(guī)的設(shè)計方式;為增強充水閥的封水效果,對進水口檢修閘門和尾水閘門的充水閥做了創(chuàng)新設(shè)計,并申請了專利。
微型電站布置于大壩溢洪道右側(cè),電站左側(cè)為厚閘墩,將溢洪道與電站隔開;右側(cè)為混凝土擋墻,將心墻堆石壩與電站隔開。電站順水流方向依次為進水渠、擋水段、主機間、尾水閘墩和尾水渠。
微型電站的正常蓄水位為152.00 m,設(shè)計洪水位為153.40 m,最低水位為151.26 m。電站的金屬結(jié)構(gòu)包括進水口攔污柵、進水口檢修閘門和尾水事故閘門及其啟閉設(shè)備。
對于燈泡貫流式機組,因其水頭低、流量大、流道短,水頭損失對發(fā)電效益的影響很大,所以對攔污柵結(jié)構(gòu)及清污問題需要仔細研究[1]。
為加大引用流量,優(yōu)化進口的水流條件,機組進水口采用喇叭口型式,形狀按圓弧曲線擴展。貫流式機組攔污柵一般采用傾斜布置,本工程按與水平線夾角80°布置。
攔污柵寬度為5.566 m,孔口斜長為9 m。攔污柵柵葉需分3大節(jié)制造、運輸,如果按常規(guī)活動式攔污柵設(shè)計,每節(jié)設(shè)置2根主梁,共需6根主梁。而將主梁設(shè)計為固定式,只需2根主梁即可安裝3節(jié)柵片,減少主梁有利于降低水頭損失,故本電站采用固定式主梁設(shè)計。每大節(jié)柵葉再沿寬度方向分為5片,單片寬度1.04 m,高度約3 m。柵片和主梁之間通過螺栓組連接。柵條截面設(shè)計為矩形,規(guī)格為20 mm×200 mm,柵條凈距為80 mm,用開有槽口的條形肋片及角鋼和柵條焊接成柵片。單個柵片大小尺寸適中,采用焊接結(jié)構(gòu)利于柵片的整體穩(wěn)定。
當水流通過攔污柵時,因受柵條及主梁的阻攔,水流斷面收縮將產(chǎn)生水頭損失;當水流通過攔污柵后由于斷面擴大,流速又減緩,因而又產(chǎn)生水頭損失[2]。水流通過了攔污柵時的水頭損失按下式計算:
式中:g為重力加速度;V1為柵前流速,V2為柵后流速,流速的計算方法為流量除以過水面積。ξ為柵條的損失系數(shù),計算公式如下:
式中:βk為柵條形狀系數(shù);α為柵葉與水平面的夾角;δ為柵條厚度;l為柵條凈距。
從公式可以看出,在流量恒定的情況下,影響水頭損失的主要因素就是攔污柵的擋水面積。攔污柵設(shè)計采用固定式主梁,減少了常規(guī)設(shè)計需要的主梁數(shù),有效減小了攔污柵的凈面積,增加過流面積,進而減少了柵后水頭損失。
經(jīng)計算,在額定流量50 m3/s下,水頭損失為0.064 m,低于業(yè)主合同要求的0.1 m。
貫流式機組多為喇叭型進水口,水流通過攔污柵時流線方向不一,將攔污柵的主梁設(shè)計為流線型斷面,各主梁順水流按正常蓄水位時相應(yīng)的流線定向,有利于減少水頭損失。前蘇聯(lián)水工科學研究院對攔污柵進行的流體動力學試驗結(jié)果表明,橫梁結(jié)構(gòu)對斜向水流的阻力系數(shù)影響很大。流線型程度高的斷面,水阻力系數(shù)比較小[3]。蘇布雷微型電站機組發(fā)電引用流量為生態(tài)放水量,要求水輪機在任何工況下運行,過流量均保持在50 m3/s,因此,通過進水口的水流變幅不大,水流流線穩(wěn)定,采用流線型主梁效果會很好。
為提高流線型梁的剛性,微型電站攔污柵主梁設(shè)計為鋼板包裹混凝土的型式。采用16 mm和25 mm厚的鋼板焊接為流線型梁,兩端固定在預(yù)埋在一期混凝土的錨板上,鋼梁上方留灌漿孔,現(xiàn)場安裝后再灌裝混凝土。
主梁設(shè)計為流線型,對提高貫流式機組的發(fā)電效益很有好處。如有條件開展水工模型試驗,能對攔污柵進行試驗研究和優(yōu)化設(shè)計,效果會更好。本電站因受投資和工期限制,未做試驗研究,流線型主梁的型式及流向布置均為經(jīng)驗設(shè)計。
燈泡貫流式機組的進水流道短且平直,進水口動能差相對較大,進水喇叭口的水流流態(tài)差[4]。攔污柵距離機組較近,受到的水流吸力很大。同時,水輪機導(dǎo)水葉片開度的變化也會對攔污柵造成沖擊。貫流式機組前攔污柵損壞的事例很多,如王莆洲水電站發(fā)生柵條斷落[5]、馬跡塘水電站發(fā)生柵間連接板斷裂、焊縫開裂等。這些破壞大都是因為攔污柵出現(xiàn)強烈振動造成的。所以,防止柵葉因共振而引起疲勞破壞是本電站攔污柵設(shè)計的一個重點。
攔污柵結(jié)構(gòu)流激振動是流、固耦合的相互作用,取決于結(jié)構(gòu)的自振頻率與所承受的水力激振力。當過柵流速增大到某一范圍時,柵條尾部將出現(xiàn)交替的渦流脫落。當渦流脫落產(chǎn)生的干擾頻率f與結(jié)構(gòu)自振頻率fn一致時,攔污柵將會因結(jié)構(gòu)激振加劇而發(fā)生共振。避免攔污柵激振的關(guān)鍵是讓柵條固有自振頻率fn遠離渦流脫落干擾頻率f。為避免柵葉振動,閘門設(shè)計規(guī)范規(guī)定fn/f>2.5[6-7]。
柵葉設(shè)計時,經(jīng)計算復(fù)核,單根柵條的固有振動頻率為fn=112.2 Hz。在正常發(fā)電工況下,渦流脫落干擾頻率f=10 Hz;在機組飛逸工況下,f=30.9 Hz。兩種工況下,fn/f均大于2.5,柵葉不會發(fā)生強烈的流激共振。
微型電站機組運行額定水頭11.9 m,最高水頭13 m,最低水頭僅有4.36 m,水頭十分寶貴。設(shè)置清污機不定時清理攔污柵前的污物,有利于降低柵后的水頭損失,對于維持機組出力,提升發(fā)電效益意義顯著。
結(jié)合微型電站進水口檢修閘門和大壩溢洪道檢修閘門的需要,在進水口頂部設(shè)置1臺2×200 kN/2×125 kN雙向門機。在門機的主起升機構(gòu)上設(shè)置1臺35 kN清污抓斗,抓斗可沿壩頂至孔口上方的導(dǎo)軌下行抓取柵葉前的污物,抓取的污物卸放到攔污柵孔口左側(cè)的卸污平臺,然后再通過汽車將污物運走。攔污柵前后設(shè)有液位傳感器,傳感器將水位信號送至中控室,中控室可根據(jù)水位信號發(fā)出壓差報警和清污提示信號。
為便于燈泡貫流式機組的檢修和事故保護,常用的布置方案為在進水口攔污柵之后、機組前設(shè)置檢修閘門,在尾水管出口設(shè)置事故閘門。蘇布雷微型電站也采用這種布置方式。
進水口檢修閘門的孔口尺寸為為5.566 m×6.013 m,設(shè)計水頭為21.91 m,門型為潛孔平面滑動疊梁閘門,操作方式為靜水啟閉。閘門設(shè)計為3節(jié),頂節(jié)設(shè)置充水閥,啟門時先提升充水閥充水,待平壓后再分節(jié)提起閘門。檢修閘門由雙向門機的副起升機構(gòu)通過機械抓梁操作。
尾水事故閘門有兩種運行工況:一是機組停機檢修時靜水閉門擋下游水;二是機組發(fā)生事故、導(dǎo)葉不能正常關(guān)閉時,動水閉門。因此,事故閘門設(shè)計為雙向止水型式。閘門采用設(shè)在上游面的雙P型頭水封,用外側(cè)P型頭擋下游水,用內(nèi)側(cè)P型頭擋上游水。
閘門的孔口尺寸為5.566 m×4.673 m,底檻高程為132.164 m,上游正常蓄水位為152.00 m,下游最低尾水位為139.00 m,最高尾水位為146.50 m。設(shè)計最大擋水水頭為14.336 m,最大動水下門水壓差為13 m,門型為潛孔平面閘門,上游設(shè)滑道支撐,下游為定輪支撐。門葉設(shè)計為2節(jié),上節(jié)設(shè)充水閥,在現(xiàn)場用螺栓連接為一體。門葉梁格內(nèi)另設(shè)加重塊以便靠自重動水閉門。
閘門由2×320 kN固定卷揚式啟閉機進行操作,可在中控室或現(xiàn)地啟閉機房內(nèi)操作啟閉閘門。機組正常運行時,閘門懸掛在閘頂孔口上方附近,處于待命狀態(tài),在緊急情況下閘門可在5 min之內(nèi)關(guān)閉。
在檢修閘門及尾水閘門的設(shè)計過程中,針對現(xiàn)有國內(nèi)常規(guī)充水閥的缺點,設(shè)計了一種新型的彈簧平蓋式充水閥裝置。
充水閥一般分為平蓋式、閘閥式和柱塞式三類,在低水頭閘門中常用平蓋式充水閥。常規(guī)的平蓋式充水閥在關(guān)閉時依靠壓蓋自重和作用在壓蓋上的水壓來封閉充水管口。在充水閥關(guān)閉時,如果壓蓋自重和蓋上水壓不足,就會造成壓蓋關(guān)閉不嚴,充水閥漏水的現(xiàn)象;另外常規(guī)設(shè)計需采用單獨的導(dǎo)向軸,充水閥占用空間較大。
針對上述存在的問題,設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單且重量較輕的彈簧式充水閥裝置,解決了壓蓋不能可靠封水的問題。新型彈簧平蓋式充水閥裝置見圖1。
圖1 新型彈簧平蓋式充水閥裝置圖
該裝置的工作原理是:當充水閥處于開啟狀態(tài)時,彈簧受吊板拉力處于壓縮狀態(tài);充水完畢關(guān)閉充水閥時,借助彈簧的回推力壓緊壓蓋,使壓蓋能夠可靠封水。同時安裝在壓蓋上的導(dǎo)向桿既可做為彈簧的支撐體,也可作為壓蓋的導(dǎo)向裝置,并能根據(jù)吊耳位置調(diào)整長短。另外在導(dǎo)向桿與吊板的連接處采用了球形墊圈,可適應(yīng)吊板的小范圍偏轉(zhuǎn),避免因吊板傾斜產(chǎn)生的扭力造成壓蓋翹起而影響封水效果。
新型的設(shè)計克服了常規(guī)平蓋式充水閥結(jié)構(gòu)的缺陷,結(jié)構(gòu)簡單,封水可靠,閥體體型較小。新型彈簧平蓋式充水閥裝置已申請專利。
為提高燈泡貫流式機組的發(fā)電效益,蘇布雷微型電站攔污柵采用了大孔口傾斜布置,并設(shè)置了清污機設(shè)備。為降低過柵流速,減小水頭損失,防止柵葉發(fā)生共振破壞,對主梁及柵葉結(jié)構(gòu)做了專門研究和設(shè)計。在閘門設(shè)計過程中,對彈簧平蓋式充水閥作了創(chuàng)新設(shè)計,保證了充水閥封水嚴密。
蘇布雷工程電站于2017年12月初投入商業(yè)運行,經(jīng)過2年多的運行,金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備經(jīng)歷了各
種工況的考驗,運行情況良好。該工程的金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計成果可供國內(nèi)外相似工程借鑒。