贯流式水电站进水口拦污栅设计

贯流式水电站进水口拦污栅设计

在进水口的排水沟中，主要用于防止可能进入设备上游的浮游生物，如树枝、草、草、垃圾、动物尸体和其他漂浮浮物体。保护机、门、阀和管道的安全，确保设备正常运行。特别是低水电站，尤其是通流式机组。巴基斯坦真纳电站隶属大型贯流式机组,位于印度河主河道右岸,而印度河流域漂浮物非常多,且体积非常大,一旦拦污栅被堵塞,机组水头和出力降低,会造成巨大经济损失。大型贯流式水电站具有低水头、大流量等特点,决定了进水口拦污栅具有跨度大、高度高、主梁根数多、栅体须分节等特性。以巴基斯坦真纳电站固定式拦污栅设计为例,从厂房的布置、拦污栅的设计、制造、安装及运行维护、大跨度拦污栅的变形问题、进水口清污机的选择等角度,对贯流式机组进水口拦污栅的设计、制造及安装过程进行了分析,最后总结提出对工程具有实际意义的几点建议和相应的改进措施,具体内容如下。巴基斯坦真纳电站位于巴基斯坦旁遮普省Mianwali(米扬瓦里)地区Kalabagh(卡拉巴)镇下游约5km处的(印度河)Jinnah(真纳)拦河闸的右岸,利用JINNAH拦河闸形成的水位落差,开挖明渠引水,修建厂房发电,装设8台12MW水轮发电机组。真纳电站是典型的大型贯流式水电站,在每台机组进水口设固定倾斜式拦污栅,孔口尺寸(宽×高)13.25m×18.44m,单孔拦污栅重约64.2t,考虑安装方便,每孔拦污栅栅条分32块栅条框架,见图1。每块栅条框架由若干栅条组成,栅条之间由钢管定位焊接。栅条框架与主梁用螺栓固定。每孔拦污栅埋件均由8根主梁组成,主梁两端用锚栓固定在预埋一期混凝土中的锚板上,然后回填二期混凝土。在栅前,也没有设置检修闸门,这种布置形式,无法在机组运行时对拦污栅进行检查,在停机后也无法对其进行修理或更换,为了减少拦污栅被堵塞,降低机组水头和出力,安装了两台移动门式清污机,其中,一台在单向门式启闭机的支架上自带1套液压清污耙斗;另外一台独立的清污机,装有一套液压清污耙斗和一套清污抓斗,每台清污耙斗的功率为2×160kN,容积为4m3,宽度7m,为拦污栅宽度的一半。清污抓斗的功率为100kN,回转半径5m,容积为1m3。2.1正确处理与了真纳项目选择的关系真纳水电站拦污栅设计采用固定倾斜式,且栅前未设计检修闸门,其依据是,在项目的可行性研究阶段,巴基斯坦项目业主聘请的德国公司编制的可行性研究报告中,就将拦污栅设计成固定倾斜式,在项目的谈判阶段,东方委托设计院提出的项目建议书中保留了这种方案,可研报告和建议书后来都作为EPC总包合同组成部分,成为项目进行详细设计工作的主要依据。真纳项目选择的设计单位为西北水电勘测设计研究院,没有对拦污栅方案作进一步的详细研究,只是以合同中的初步方案为依据,在详细设计阶段,将真纳电站设计成固定式拦污栅,在设计过程中,东方即对该方案存在运行期间检修维护的缺陷,不符合实际运行需求提出了质疑,但设计方以这是原可研性报告和原建议书中确定的方案,是“合同规定的”为由,而没有进一步修改。在后来的拦污栅安装过程中,业主发现了因真纳电站拦污栅为固定式,并且栅前没有设置闸门,在电站投运后,无法方便地对拦污栅进行检修维护,如要检查和更换栅叶,必须停机,而且只能进行水下作业,因此要求修改,东方以这是主合同认可的方案为由进行辩解,但业主不同意。而强调承包商负责工程设计这项工作,必须保证工程的长期安全方便运行。针对厂房主体工程施工已经基本完成、拦污栅的设计制造也已完成的实际状况,东方对拦污栅在后期制造和安装时作了一些修改,并加强安装的施工质量控制。2.2c加固拦污栅及埋件的防腐拦污栅的锈蚀也是一项棘手的工作,早期投运的拦污栅,大都采用刷漆除锈严重落后的方法。但是除锈刷漆施工难度大,又系高空作业,而且施工又不便利,难以彻底,费工费料。后来大多数拦污栅和埋件均进行镀锌防锈处理,效果比较好,虽然制作时增加了费用,但可保证至少15年左右不需除锈刷漆处理。为了改善真纳水电站的拦污栅及埋件的防腐性能,东方在原来设计的涂防锈保护层的基础上,又增加了一层金属热喷涂保护层。涂料种类、涂层道数、漆膜厚度符合下表规定。确保拦污栅及埋件的防腐性能安全可靠,延长了使用运行时间。2.3提高安装质量针对真纳电站固定式拦污栅存在无法进行方便的检修和维护的设计缺陷,在安装过程中,要求安装队伍具备精良的工艺和技术素质,严格按照图纸和相关国家标准/规范的要求进行施工,反复复测安装结果,确保安装过程不能有丝毫的偏差,也才客观上保证了在2010年7月底的特大洪灾中,拦污栅未受到大的损坏。2.4洪水对拦污栅的影响2010年7月底,真纳电站在上、下游闸门下闸完成后,突如其来遭受巴基斯坦百年一遇的特大洪灾,很短时间内上下游围堰被洪水冲垮,其中上游栅前水位一度达到EL212.50m,比正常运行水位EL211.50m高了1m,印度河洪水期间持续在25000m3/s高流速的大过流量,在拦污栅前淤积泥沙达到3～4m深。洪灾后,真纳电站上下游引水渠和尾水渠重新修建围堰,抽水清淤,对拦污栅进行维修,在经受了如此巨大的非正常洪水的不利条件的影响后,发现拦污栅的状况相对良好,基本未因洪水的冲击和泥沙的淤积而损坏,只有极个别栅条有微量变形,重新进行了更换消缺处理。特大洪灾也客观上检验了真纳电站固定式拦污栅的承载能力能满足工程条件。此外,为了弥补因设计原因造成不便维修的缺陷,东方向业主额外增供了一台套栅叶作为备件。2.5拦污栅的安装设计总之,真纳电站固定式拦污栅,客观存在不方便检修和维护的问题,通过上述措施能在一定程度上弥补。但尽管如此,建议为了方便拦污栅在运行后的维修,可以借鉴国内外成熟的水电站拦污栅设计经验,设计成在运行条件下可以将栅叶吊出或拆除的型式,或者在栅前设置检修闸门,专门用于在停机条件下排水检修拦污栅。更重要的是,在今后的EPC合同的执行中,要充分理解承包商负责工程设计这项工作的责任和机会,在工程的详细设计阶段,认真研究合同对工程性能的综合要求,在完全满足合同规定的功能,并最终对工程的长期可靠方便运行有利的前提下,尽可能对工程进行优化。如果必要,可以对合同规定的原来在初步设计阶段确定的方案进行修改,而不能把原合同在前期初步方案作为后期详细设计阶段的唯一依据,最终影响工程的性能和长期可靠方便运行。如果一味的受合同的限制,造成影响工程性能或安全的结果,仍要由承包方自己承担责任,因为是承包方自己负责最终的详细设计。要充分理解EPC合同的一条最基本的原则:合同的规定和要求以及在合同执行过程中业主对工程文件的审批和检查验收都不能免除承包方对工程性能和安全可靠运行的责任。真纳电站拦污栅孔口宽度为13.25m,八根主梁,每根主梁重约4t,在中间设有一根支撑钢轨,同时作为清污机耙斗的运行轨道,但是设计时钢轨下端(▽192.80)未生根固定,而采用了将钢轨上端固定在进水口胸墙上的悬挂式,这种固定方式将使整个拦污栅在水流方向没有约束,在水流速度有较大变化的实际运行条件下,在垂直方向和水流方向都将有较大的变形和振动,从而不能安全稳定的运行。在拦污栅的安装过程中,发现了这一影响拦污栅安全稳定运行的设计缺陷,要求设计院改变中间钢轨的固定形式,由原来固定在上方进水口胸墙上的悬挂式,改变成将支撑钢轨下端生根埋设在进口流道混凝土底板中的下部固定形式,使整个拦污栅在中间有了一根可靠固定在混凝土基础板上的支撑体,使整个拦污栅的变形量和稳定性明显改变。在经历2010年7月底巴基斯坦特大洪灾后,因单孔拦污栅重60多t,个别孔口拦污栅主梁下绕依旧十分厉害。最大值达到50mm,详见下表测量记录,通过测量记录表看出2#、5#、7#下绕明显,今后运行阶段有可能会出现不良现象。根据真纳电站拦污栅的实际安装经验,建议对这种大跨度水轮机组进水口,可在流道中间设混凝土隔墩,将单孔大跨度改成两孔小跨度的拦污栅,可大大减小拦污栅的跨度,以增加拦污栅的稳定性,增强其运行可靠性,还可以改善厂房混凝土结构的受力情况,相比之下,因贯流式机组进口流道较宽,在流道中间设隔墩改变水流流态对机组出力的影响较小,国内已经有很多工程实例。续上表:为保证固定式拦污栅的安全可靠运行,延长运行年限,减少拦污栅前污物堆积造成的水头损失,以保证机组的出力,要求在拦污栅前设置性能优良运行可靠的清污机。真纳电站下游的恰其马(Chashma)水电站,同样是布置在印度河主河道右岸600m左右,绕开了主河道上大面积污物及漂浮物,因此其施工设计阶段未设置任何清污机,后来运行阶段,印度河流域大量漂浮物仍堵塞了电站进水口,不得不增加了容量较小的清污机用于拦污栅前清污。真纳电站在设计时吸取了恰其马(Chashma)水电站清污的经验教训,同时结合真纳水电站的特点,印度河流域流态,漂浮物的性质和数量,进水口的性质,水下深度,机组流量、流速及对拦污栅的要求等多方面因素,设计了2台独立的液压耙斗清污机,两台清污机总清污容积最大达到9m3。两台清污机的液压清污耙斗均可深入8台机组拦污栅水下底部(▽192.80)清污,底坎和死角均可清污,有效防止漂浮物堵塞拦污栅。而且,厂房左、右岸均有清污通道,保证两台清污机清污方便,这些均确保栅前的清污能力。见所附恰其马电站(图3)和真纳电站(图4)清污机对比照片。5.1拦污栅的设计拦污栅是水电站重要的金属结构辅助设备,同时也造成很大的水头损失,特别是低水头水电站的水头损失,直接影响电站的安全生产与经济效益。因此拦污栅的设计、制造、安装至关重要。为了保证机组正常运行,进水口设置清污机非常重要,选择清污机时需考虑清污效果、清污通道、任何运行工况下动水清污等因素,保证及时有效清除栅前杂物和漂浮物,防止拦污栅堵塞,影响水流流态和机组出力。5.2拦污栅的运行维护结合低水头贯流式机组的特点,为了拦污栅的方便安装检修和更换维护,最好设计成活动式拦污栅,即便设计成固定式拦污栅,也应在栅前设计检修闸门。这样,厂房的整体结构加大了,土建开挖和混凝土工程量变大,但是对机电安装和电站的经济效益是有利的。拦污栅运行期间,尽管现行国家标准和规范没有对拦污栅具体检查维护年限做出明确规定,但拦污栅定期全面检查与维护是必要的,是保证拦污栅正常运行和发挥水电站效益的前提。新投产拦污栅已摒弃刷漆除锈落后的方法,采用镀锌保护、阴极保护等措施,提高拦污栅的使用寿命,减少电站维护工作量。5.3污栅的长度对于大流量水轮机组进口拦