泰安抽水蓄能电站尾水事故闸门设计6页.doc

抽水蓄能电站尾水事故闸门设计探讨浙江省水利水电勘测设计院 阙剑生浙江 杭州 310004摘要：尾水事故检修闸门的设计是大型抽水蓄能电站金属结构设计中一个至关重要的环节，由于抽水蓄能电站布置上的特殊性，尾水事故检修闸门处于下水库正常蓄水位以下数十米乃至上百米的深度，对门叶、门槽的设计及液压启闭机与球阀的联锁提出了极高的要求，如何合理地设计尾水事故闸门（门槽），使其成为厂房名副其实的挡水墙，同时确保尾闸室的安全？本文根据笔者在某抽水蓄能电站技术设计过程中考虑的一些问题并结合某水库放空洞高压事故闸门及某抽水蓄能电站尾水事故检修闸门的设计，就抽水蓄能电站尾水事故检修闸门的设计与同行探讨。 关键词：抽水蓄能、尾水事故闸门、设计水头、门槽。一、绪 言由于抽水蓄能电站布置上的特殊性，机组安装高程很低，Hs负值较大，其尾水位远远高于厂房，尾水事故闸门的主要功能就是及时阻断下水库及尾水隧洞的水流，以便于机组的检修，在紧急情况下可动水关闭，防止下库水流淹没厂房。如何合理地设计尾水事故闸门（门槽），使其成为厂房名副其实的挡水墙，同时确保尾闸室的安全，是抽水蓄能电站金属结构设计成功与否的关键所在，而全封闭高压事故门槽的设计又是整个尾闸项目设计的关键；以下结合某水库放空洞高压事故闸门及某抽水蓄能电站尾水事故检修闸门的设计，对抽水蓄能电站尾水事故闸门（门槽）的设计谈一此个人认识。二、关于设计水头及整体门槽的设计 设计中应考虑机组事故工况时产生的水击压力与净水头叠加形成的最大水头做为尾水事故闸门及门槽的设计水头。以二机合一洞的Y型布置为例，尾水事故闸门的设计水头，存在以下两种事故工况：1、 尾水洞布置为Y形布置；（见图1）的布置形式，在尾闸处产生的最大水头为两台机同时甩负荷所产生的水击压力与净水头叠加形成的水头；因闸门受水击作用时间极短，在门体下降过程中，水击已消失，因此，此叠加水头不宜作为闸门及启闭机设计的控制水头。但腰箱盖将直接承受此叠加水头的作用。2、 当一台机处于停机检修，相应尾水事故闸门处于下门过程、并接近全关位置时，另一台正常发电的机组突然甩全部负荷，此时产生的水击压力与净水头叠加形成的水头压力，将全部作用在处于下降中的门体及启闭机上；可以认为，此叠加水头即为尾水事故闸门设计及确定启闭机容量的控制水头。尽管发生这种工况的机率不大，但作为一种最不利工况，客观上是存在的。 图1某抽水蓄能电站引水系统布置示意图图2某抽水蓄能电站尾水事故闸门布置示意图在常规门槽的设计中，除支承件外，其余部件按结构需要进行布置，一般不作计算；但对抽水蓄能电站尾闸洞的钢衬，则不然，门槽钢衬承受内、外水压力的作用，其设计荷载如何取值才合理可行,是尾水事故闸门设计中必须涉及的一个问题。由于钢衬除面板外，其余部分都埋设在砼中，如取尾闸处的最大叠加水头HS=净水头+水击作为其设计水头，则整体门槽将会设计得十分庞大，钢材耗费也将大幅增加，这明显是不经济的（见图2）。在设计中，可根据门叶、门槽、启闭机的不同特征，综合考虑以下几种可能发生的工况及其组合： 1、 尾闸地质情况：如尾闸地质情况较差，地下水位较高，需考虑渗透压对钢衬的作用；2、 施工期间砼的浇（振） 及灌浆工况：由于门槽为整体门槽，因此，必需考虑施工期间砼的浇（振） 及灌浆产生的荷载对门槽产生的影响；3、 当一台机处于停机检修，相应尾水事故闸门处于下门过程、并接近全关位置，另一台正常发电的机组突然甩负荷，此时产生的水击压力与净水头叠加形成的水压力，将直接作用在闸门及启闭机上；4、 当发生二台机同时甩负荷，此时产生的水击压力与净水头叠加形成的水压力，将直接作用在门槽上。综上所述，尾水事故闸门设计中，各部份的设计荷载应区别对待：1、 整体门槽设计荷载应按地下水的渗透压及施工期间砼的浇（振）捣 及灌浆产生的荷载二者中的较大值取值。某抽水蓄能电站按闸门设计水头的30%作为整体门槽的设计水头，尽管此值与施工期砼的浇（振）捣 及灌浆产生的荷载较为接近，但如按施工期砼的浇（振） 、灌浆产生的荷载以及地下水的渗透压二者中的较大值进行考虑，相对会更为合理。2、 腰箱盖是尾水闸门投运后的关键部件，腰箱盖一但失事，将导致水淹尾闸洞，并通过交通洞危及地下主变洞及厂房的灾难性后果，因此其设计水头应按两台机同时甩负荷所产生的水击压力与最大净水头叠加形成的水头进行设计。3、闸门及启闭机的设计水头按以下工况考虑：一台机处于停机检修，相应尾水事故闸门处于下门过程、并接近全关位置，另一台正常发电的机组突然甩负荷，此时产生的水击压力与净水头叠加形成的水头压力作为闸门及启闭机的设计荷载。三、关于尾水事故闸门腰箱盖的设计由于尾水事故检修闸门腰箱盖的重要性，腰箱盖除应满足机组事故工况下的承载要求外，还必需满足液压启闭机的承载要求以及门叶、门槽、启闭机的检修维护要求。1、腰箱盖按承受可能最高叠加水头均布荷载进行结构的设计及计算，其主梁按从左至右的顺序进行等距布置，承压板厚度按承受均布荷载的四边固定矩形弹性薄板进行计算，即：，式中： ：弹塑性薄板支承长边中点弯应力系数，按水利水电钢闸门设计规范DL/T5013-95附录G表G1-G3采用a：弹塑性调整系数，b/a3时，a=1.4；b/a3时，a=1.5 q：承压板承受的可能最高叠加水头均布荷载 a、b ：面板计算区格的短边和长边的长度，从面板与主梁的连接焊缝算起腰箱盖同时也是液压启闭机的机架，因此应对承受液压启闭机集中荷载的部位进行局部加强。2、某抽水蓄能电站尾水事故闸门设计中未考虑腰箱内小体积空气的排空问题，后在工程投运后发现有冒气现象，进而增加了一套排气设施；因此在设计时应考虑在腰箱盖检修进人孔密封盖上设置专门的排气设施以解决腰箱内小体积空气的排空问题。同时尾水事故闸门的充/排气系统采用电动闸阀人工控制，或采用浮球式自动排气阀控制都是可行的，以后者为佳。3、腰箱盖顶部的设置高程不应与尾水闸门洞地面平齐（见图5），以防腰箱盖内积水无法排出，设计中采取将腰箱盖抬高，腰箱盖底部与尾水闸门洞地面平齐的方式可解决腰箱盖积水问题（见图2），同时也方便了检修时腰箱盖的拆卸。4、尾水事故检修闸门腰箱盖的密封，如采用双重密封，应可进一步加强并改善腰箱盖密封效果的直观性。四、关于尾水事故门的平压及排气问题由于抽水蓄能电站的特殊性及重要性，国内各抽水蓄能电站尾水事故门的的平压、补气均有别于常规水电站事故闸门。其充水平压大都采用旁通阀充水平压（见图1及图3），旁通阀上布置两只互为备用的蝶阀作为闸门平压的操作系统，同时在上游侧布置两只DN200浮球式高速排气阀，以满足提门时的平压要求，经由排气阀排出的气体Hbi图3充排水（气）系统平面布置示意图直接排至尾水闸门洞；同时，由于腰箱盖顶部气体不能通过DN200浮球式排气阀排出，在腰箱盖顶部专设一只DN100浮球式排气阀，将此部分气体排至尾闸洞，以解决了腰箱盖顶部小体积气体的排放问题。图4显示的是与抽水蓄能电站尾水事故检修闸门充、排水（气）系统类似的某水库放空洞高压事故闸门充排气系统原理示意图图4某水库放空洞高压门充排气系统原理示意图五、关于启闭机容量的确定尾水洞布置为Y形布置的抽水蓄能电站为例，尾水事故检修闸门按一台机处于停机检修，相应尾水事故闸门处于下门过程、并接近全关位置时，另一台正常发电的机组突然甩全部负荷，此时产生的水击压力与最大净水头叠加形成的水头压力全部作用在处于下降中的门体及启闭机上形成的叠加水头进行取值，因此闸门及启闭机容量均可按此叠加水头进行计算。启闭机容量的大小直接与浮托力系数的取值密切相关，在常规电站事故闸门设计中，浮托力系数一般按0.7取值，根据多年来的经验积累，浮托力系数取=0.60.7是可行且留有一定安全余度的，上述取值已能满足工程的运行需要。抽水蓄能电站尾水事故检修闸门的操作顺序一般按如下顺序进行：1、运行工况：正常运行时，尾水事故闸门由液压启闭机持住悬挂在孔口上方待命，启闭机液压系统设有闸门下沉自动复位控制功能。如机组发生事故，则应首先停机关闭导叶、然后关闭球阀，切断上库水流后，最后关闭尾水事故闸门。2检修工况 机组检修时，球阀与尾水事故闸门均关闭挡水，检修完毕，尾水事故闸门应先于球阀开启，而且应在其完全开启后，才能开启球阀。基于以上操作顺序，为防止尾水事故闸门先于球阀关闭，在尾水事故检修闸门及球阀之间，应设置可靠的联锁机构。只有在球阀关闭之后，方可关闭尾水闸门（或尾水闸门关闭时间比球阀关闭时间长）；尾水闸门开启后，球阀才能开启。从上述可以看出，事故工况下最大启闭力只有在机组球阀完全关闭，门后排水洞完全打开、出流量足以保证门后出现明流的情况下才会出现，此种在极短时间内出现的工况属极微小概率事件，但鉴于保护厂房考虑，抽水蓄能电站设置尾水事故检修闸门是偏于安全的。六、闸门、门槽及液压启闭机的检修由于抽水蓄能电站布置上的特殊性，尾水事故检修闸门处于下水库正常蓄水位以下数十米乃至上百米的深度，其日常检修只有通过在腰箱盖上设置专用进人孔的方式来实现（见图3）。检修时，先行关闭机组球阀（或上库进/出水口事故检修闸门）及下库进/出水口事故检修闸门，检修分两种工况进行，1、启闭机下端盖、活塞杆、行程控制杆及启闭机与闸门的联结检查。此工况下，只需打开进人孔专用密封盖，检修人员通过进人孔进入腰箱即可。2、闸门及门槽检修。此工况下，a、先行拆除液压启闭机与腰箱盖的联结螺栓，利用尾水闸门洞内专设的桥式起重机吊离液压启闭机，b、拆除腰箱盖与门槽间的联结螺栓，吊离腰箱盖；c、将尾水事故检修闸门吊出门槽；通过以上操作后，即可对门槽、门叶及液压启闭机进行全面的维护、