李 兵

（安徽績(jī)溪抽水蓄能有限公司，安徽 宣城245300）

0 引言

抽水蓄能電站尾水水位較高，機(jī)組安裝高程很低，下水庫(kù)水位變幅往往較大，尾水隧洞一般也較長(zhǎng)，因此每臺(tái)機(jī)組下游處一般各設(shè)置1 扇尾水事故閘門(mén)。該閘門(mén)的設(shè)置為滿(mǎn)足事故情況下可動(dòng)水閉門(mén)，保障水輪發(fā)電機(jī)組的安全。事故閘門(mén)在正常運(yùn)行過(guò)程中一般處于開(kāi)啟狀態(tài)，為防止閘門(mén)異常下滑，會(huì)在閘門(mén)處設(shè)置異常下滑吊軸監(jiān)測(cè)裝置。閘門(mén)異常下滑吊軸監(jiān)測(cè)裝置一般由電氣部分和機(jī)械部分組成，電氣部分由限位開(kāi)關(guān)及其相應(yīng)電纜組成，機(jī)械部分由配重塊、連桿、支架等幾部分組成。

某在運(yùn)抽水蓄能電站在機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了零部件脫落的缺陷，事故對(duì)該電站造成一定影響。為研究該事故發(fā)生的原因并為防止類(lèi)似事故發(fā)生，研究了一種新的配重塊設(shè)置方式。本文對(duì)吊軸監(jiān)測(cè)裝置配重塊結(jié)構(gòu)改造設(shè)計(jì)及應(yīng)用研究進(jìn)行了分析介紹。

1 閘門(mén)吊軸監(jiān)測(cè)裝置傳統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保障水輪發(fā)電機(jī)組安全，尾閘及啟閉機(jī)會(huì)設(shè)置異常墜落保護(hù)，一般會(huì)設(shè)置限位開(kāi)關(guān)，全開(kāi)、全開(kāi)限位開(kāi)關(guān)各1 只，除此之外還將設(shè)置異常下滑位置開(kāi)關(guān)，以保證到閘門(mén)異常下滑時(shí)將信號(hào)傳至PLC，實(shí)現(xiàn)閘門(mén)自動(dòng)回升的功能。一般設(shè)計(jì)為：當(dāng)閘門(mén)在全開(kāi)位因意外滑落至280 mm 或340 mm 時(shí)，上下2 個(gè)行程開(kāi)關(guān)動(dòng)作且遠(yuǎn)方控制室及現(xiàn)地控制柜均發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)，并將信號(hào)引至計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，機(jī)組及球閥緊急關(guān)閉。

因抽水蓄能電站機(jī)組安裝高程均安裝較低，尾閘門(mén)槽結(jié)構(gòu)多采用封閉式結(jié)構(gòu)（由腰箱、頂板、側(cè)板、頂蓋等組成封閉體）。封閉式門(mén)槽結(jié)構(gòu)示意圖如下頁(yè)圖1 所示。

如圖1所示，閘門(mén)門(mén)槽由頂蓋（3項(xiàng)）、側(cè)槽板（5～6項(xiàng)等）、底板（15～17 項(xiàng)）、側(cè)板（13～19 項(xiàng)）、腰箱（9～10項(xiàng)等）、頂板（11～21 項(xiàng)等）以及頂蓋等部分組成，各部分組合成一個(gè)封閉空間。

為監(jiān)測(cè)該結(jié)構(gòu)型式的閘門(mén)是否出現(xiàn)異常下滑，一般采用將位置開(kāi)關(guān)固定于閘門(mén)頂蓋上，并設(shè)置1個(gè)連桿隨閘門(mén)上下移動(dòng)來(lái)監(jiān)測(cè)閘門(mén)上升或下降情況；為保證連桿可靠隨閘門(mén)上下，需克服水壓上浮力等，一般利用配重塊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)該連桿的下壓力。吊軸監(jiān)測(cè)裝置設(shè)置如圖2 所示。

8 項(xiàng)為支架，通過(guò)螺栓9、底板11 與閘門(mén)把合在一起，當(dāng)閘門(mén)起升或下降時(shí)，8 項(xiàng)隨著上升或下降。當(dāng)閘門(mén)提出孔口并達(dá)到一定高程后，8 項(xiàng)與21項(xiàng)（桿）接觸并推動(dòng)項(xiàng)21 向上起升。當(dāng)閘門(mén)在全開(kāi)位置異常下落時(shí)，21 項(xiàng)在自身重力及配重塊重力作用下向下運(yùn)動(dòng)，連桿隨閘門(mén)一起向下，向下運(yùn)動(dòng)過(guò)程中接觸位置開(kāi)關(guān)，位置開(kāi)關(guān)動(dòng)作并將信號(hào)傳至監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)出聲光報(bào)警、實(shí)現(xiàn)事故落球閥等功能。

圖1 閘門(mén)門(mén)槽結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 吊軸監(jiān)測(cè)裝置

2 采用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)遇到的問(wèn)題及對(duì)策分析

2.1 遇到的問(wèn)題

某在運(yùn)抽水蓄能電站采用上述傳統(tǒng)的吊軸監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)后，在水電站正常運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)配重塊零部件脫落問(wèn)題。零部件掉落入尾閘門(mén)槽，事故對(duì)該電站造成一定影響。通過(guò)圖2 可以看出，配重塊同連桿之間僅通過(guò)螺栓限位。在日常運(yùn)行過(guò)程中螺栓長(zhǎng)期受力出現(xiàn)疲勞或螺栓生銹等原因均有可能導(dǎo)致配重塊及螺栓脫落。

配重塊脫落后將極有可能落入尾閘門(mén)槽，抽水蓄能電站均為雙向水流（發(fā)電時(shí)水流自上庫(kù)流向下庫(kù)、抽水時(shí)水流自下庫(kù)流向上庫(kù)），在抽水工況時(shí)即有可能將配重塊或螺栓帶入機(jī)組流道內(nèi)部，進(jìn)而損壞轉(zhuǎn)輪等過(guò)流部件。轉(zhuǎn)輪、活動(dòng)導(dǎo)葉等過(guò)流部件均造價(jià)較高，且檢修極為復(fù)雜，一旦出現(xiàn)損壞將不得不啟動(dòng)較大的檢修，對(duì)水電站正常運(yùn)行造成極大影響。

2.2 對(duì)策分析

要避免此類(lèi)現(xiàn)象發(fā)生，最簡(jiǎn)便快捷的方法是將配重塊位置上移，采用將配重塊設(shè)置于吊軸監(jiān)測(cè)裝置軸頭部的方案。將配重塊設(shè)置于監(jiān)測(cè)裝置上部，配重塊相對(duì)監(jiān)測(cè)桿對(duì)稱(chēng)布置，其余位置開(kāi)關(guān)位置等不變，具體如圖3 所示。

3 改進(jìn)方案及應(yīng)用

某新的抽水蓄能電站閘門(mén)啟閉機(jī)相關(guān)參數(shù)如下：

圖3 配重塊設(shè)置于軸頭部位示意圖

閘門(mén)型式：平面滑動(dòng)鋼閘門(mén)

閘門(mén)設(shè)計(jì)水頭：190 m

閘門(mén)操作條件：動(dòng)水閉、靜水啟

啟閉機(jī)型式：液壓?jiǎn)㈤]機(jī)

啟閉機(jī)容量（持住力/啟門(mén)力）：4 500 kN/1 000 kN

為避免上述類(lèi)似事故的發(fā)生，該新的抽水蓄能電站決定對(duì)吊軸監(jiān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行變更設(shè)計(jì)。

3.1 改進(jìn)措施

采用圖3 所示需兩套配重塊左右對(duì)稱(chēng)布置，該結(jié)構(gòu)對(duì)兩套配重對(duì)稱(chēng)性要求極高、否則可能出現(xiàn)監(jiān)測(cè)桿受力不均、彎曲等現(xiàn)象；同時(shí)兩套配重對(duì)稱(chēng)布置要求支撐梁寬度較大，這就要求閘門(mén)的頂蓋上有足夠空間來(lái)設(shè)置該支撐梁。

經(jīng)綜合分析，決定仍然采用將配重塊連于監(jiān)測(cè)軸上的方案，相對(duì)圖2 的不同之處在于將配重塊位置上移，配置塊設(shè)置于閘門(mén)頂蓋上方、監(jiān)測(cè)軸頭部。

如圖4 所示，改進(jìn)的方案將配重塊設(shè)置與閘門(mén)頂蓋上部，配重塊與頂蓋之間通過(guò)導(dǎo)向桿隔開(kāi)。這樣一來(lái)就通過(guò)導(dǎo)向桿、閘門(mén)頂蓋機(jī)頂蓋上方的緩沖墊等將配重塊與輸水流道隔離開(kāi)來(lái)，徹底避免了配重塊掉入流道中的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 復(fù)核計(jì)算

后續(xù)為進(jìn)一步驗(yàn)證該方案的可行性，對(duì)所配置的配重塊及壓桿進(jìn)行了進(jìn)一步的復(fù)核計(jì)算，復(fù)核情況如下：

圖4 改進(jìn)版吊軸監(jiān)測(cè)裝置

3.2.1 基本參數(shù)

底部峰值水壓P=2 MPa

配重塊重量M=518 kg

監(jiān)測(cè)桿直徑d=50 mm

工作行程H=400 mm

監(jiān)測(cè)桿壓桿長(zhǎng)度L=1000 mm

3.2.2 配重重量校核

水壓上浮力：

配重塊重力：

密封件摩阻力估值：

配重量符合要求。

3.2.3 監(jiān)測(cè)軸壓桿穩(wěn)定要求

按照中部支撐的歐拉公式進(jìn)行壓桿臨界載荷計(jì)算：

壓桿穩(wěn)定性滿(mǎn)足要求。

3.3 應(yīng)用情況

該結(jié)構(gòu)改造后在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，運(yùn)行過(guò)程平穩(wěn)、無(wú)卡阻。該結(jié)構(gòu)自投運(yùn)以來(lái)，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)的功能，應(yīng)用情況良好。

4 結(jié)束語(yǔ)

吊軸監(jiān)測(cè)裝置為防止閘門(mén)異常下滑以及下滑監(jiān)控的關(guān)鍵裝置，要求其運(yùn)行必須可靠、安全。本文通過(guò)對(duì)吊軸監(jiān)測(cè)裝置配重塊位置進(jìn)行變更，研究了一種新的配重塊設(shè)置方式并進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用，可靠避免了配重塊異常落入尾閘門(mén)槽進(jìn)而進(jìn)入流道的風(fēng)險(xiǎn)。該結(jié)構(gòu)形式經(jīng)過(guò)實(shí)際運(yùn)行驗(yàn)證，能夠很好實(shí)現(xiàn)最初設(shè)想，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。