王甫洲水电站拦污栅的损坏原因分析与处理

2012-12-19王振宇

水电站设计 2012年1期

王振宇

(湖北汉江王甫洲水力发电有限责任公司，湖北老河口 441800)

1 前言

王甫洲水电站位于湖北省老河口市近郊的汉江干流上，上距丹江口水利枢纽约30km，是汉江中下游水电航运梯级的第一级。王甫洲水电站由电站厂房、重力坝、船闸、泄水闸、围堤五大水工建筑物组成，具有发电、航运、灌溉、养殖、旅游等综合效益。枢纽为Ⅱ等工程，主要建筑物为3级。电站为低水头河床式电站，安装4台单机容量为2.725万kW的灯泡贯流式机组(成套水轮发电机组由奥地利伊林公司引进)，总装机容量10.9万kW，单机最大流量为420m3/s。电站设计年均利用小时5 330h，设计年均发电量5.81亿kW·h。水库总库容3.095亿m3。

取水口的拦污栅布置在检修门后，为固定式斜面拦污栅，栅顶高程86.23m,栅底高程60.76m，拦污栅斜面倾角75°。每台机组设有两扇拦污栅，每扇拦污栅高26.368m、宽7.4m，栅条间距200mm。为了便于安装和检修更换，拦污栅由吊装单元拼装而成。每扇拦污栅的吊装单元布置从左到右分成5条、从上到下有8排，这样每扇拦污栅共有40个吊装单元。吊装单元尺寸有两种，分别为1 296mm×3 346mm和1 492mm×3 346mm。栅体吊装单元上下两端用螺栓和主梁连接，左右两侧自由。中间1条拦污栅每个吊装单元有6片栅条，中间布置了3根小横梁，拦污栅条镶焊在小横梁上；两侧4条拦污栅吊装单元均有7片栅条，布置形式与上面相同。

4台机组于2000年始相继投产发电，运行仅仅不到两年时间，在机组状态检修时工作人员相继发现4台机组拦污栅条均有不同程度的断裂和裂纹，其中1号机组和4号机组的拦污栅破坏较严重，裂纹达200多处，并且部分栅条脱落(27块)。从单扇拦污栅看，从上往下，第5、6排吊装单元破坏严重，破坏最严重的拦污栅单元高程与机组灯泡头在同一水平线上，栅条断裂位置在栅条与主梁或小横梁连接处，其次为第4、7排，再次为第3排，最上面的第1、2排基本完好无损。从水平方向看，破坏主要发生在栅面中间，靠闸墩两侧破坏要轻一些。

2 拦污栅损坏原因试验

王甫洲电厂在丹江口水库下游约30km处，其上游的大型污物在丹江口就已被拦截，因此造成拦污栅外部损坏的这个因素完全可以排除。根据对拦污栅栅条实际损坏的形态分析，都是在栅条两端固定焊接部位产生脆性裂纹，由此可以判断是由于共振造成的损坏，即拦污栅结构的自振频率与下泄水流脉动压力的频率相等或接近。为了证实判断的准确性，特委托武汉大学工程检测中心对1号、4号机组的拦污栅进行了试验，试验内容包括拦污栅结构动力特性、拦污栅动力响应及水流脉动压力三部分。

导致拦污栅振动的因素很多，但从运行角度看，机组的流速(导叶开度)影响最大，因此试验工况主要通过改变机组导叶的开度进行。表1为拦污栅过流时，导叶的开度试验工况。

表1 拦污栅试验工况

2.1 拦污栅动力特性试验

拦污栅动力特性试验分有水和无水两种工况进行。拦污栅动力特性检测采用敲激法和自激法。敲激法是采用重锤敲击拦污栅使之振动，自激法是利用下泄水流引起拦污栅振动。无水工况试验采用敲激法，有水工况试验采用自激法。

2.1.1 拦污栅动力特性(无水)

从结构形式、材料、边界条件等看，各拦污栅单元格的结构形式相同，因此试验条件基本一致。试验对象为1号机组第二孔拦污栅第一排和第二排中的两个单元格，分别为单元格1与单元格2。表2为现场频率试验结果。

表2 拦污栅单元格无水工况频率 Hz

由表2可见，拦污栅各阶频率基本呈倍频关系。试验结果表明：在无水工况下，单元格1与单元格2的前四阶频率有一定差别。前者的各阶频率要低于后者，表明尽管单元格1与单元格2在结构形式、处理特性等方面相同，但由于安装后形成单元格的边界条件不完全相同，使得两者的频率也有差别。可见，安装情况对拦污栅的频率有一定影响。

2.1.2 拦污栅动力特性(有水)

由于拦污栅损坏主要是在流水作用下产生的，因此有水时的拦污栅振动频率才是真正需要引起注意的频率。表3为拦污栅在水流作用下实测的各阶自振频率。

表3与表2相比，有水时拦污栅的自振频率发生了很大的变化。现场试验主要是通过改变机组导叶开度进行。根据现场情况以及加速度和应力实测结果可以清楚地看到，在机组11.6%～63.4%导叶开度下，拦污栅振动比较平稳，而在73.4%导叶开度时振动非常明显。表3频率测试结果表明，拦污栅结构振动频率表现出两类特征，一是在一般开度时随开度的增加频率变化从低阶到高阶比较有规律；二是在导叶73.4%开度时，频率非常单一，频率值为18.71Hz，为第四阶频率。

表3 拦污栅单元格有水工况自振频率 Hz

2.2 拦污栅加速度试验

加速度是衡量拦污栅结构振动强弱的主要参数。表4为1号机组拦污栅加速度均方根值与最大绝对值实测结果，其中均方根值描述振动信号的能量大小。

表4 1号机组拦污栅加速度值 g

由表4可以看出，加速度大小与机组导叶开度密切相关，即开度越大，加速度值也越大。开度32%以下时加速度很小，开度为73.4%时，加速度最大，为最不利开度。由此可见，拦污栅振动大小具有明显的局部性。

2.3 拦污栅动应力试验

动应力从结构强度反映拦污栅振动大小，与静应力相比，结构振动参数的动应力引起材料疲劳的破坏作用比静应力要大得多。表5为动应力实测结果。

表5 1号机组拦污栅动应力实测值 MPa

动应力测量结果表明，动应力大小的变化规律与机组开度的关系和加速度测量结果一致，即随开度增加动应力值增加。最大值出现在测点4，工况为机组开度73.4%，其动应力均方根值为19.4MPa,最大动应力值为41.07MPa。

2.4 脉动压力

表6为水流脉动压力实测频率值，在频率为18.7Hz时，脉动压力的功率值有明显的极大值，特别是18.7Hz这一频率值与试验得到的拦污栅条在水中的固有频率相同，形成了“共振”的条件。

表6 水流脉动压力实测频率 Hz

3 拦污栅损坏原因分析

3.1 共振

比较表3与表6，拦污栅与水流脉动压力频率前三阶基本相同，但由于导叶开度小时水流能量也较小，没有激起“共振”，而在导叶开度73.4%时，脉动水压力的频率成分主要分布在18.71Hz，此时与拦污栅有水工况第四阶频率相同，导致拦污栅发生了共振。共振引起拦污栅发生强烈振动，导致拦污栅加速度与动应力严重超标，并使拦污栅栅条材料长期处于疲劳运行状态。而机组导叶开度在73.4%左右为机组的常用开度，因此长期共振作用是导致拦污栅发生疲劳破坏的主要原因。

3.2 进水口流态影响

拦污栅破坏主要发生在1号和4号机组，位于中间的2号和3号机组破坏相对较轻。发生这种现象与王甫洲枢纽布置有关，特别是1号机组进水口左侧有一段较长的围堤，左侧宽阔的水面使横向和斜向的水流与进水口正向水流相遇，从而在1号机组进水口处形成了较强的立轴漩涡，导致进水口处流态紊乱；而拦污栅进水口流态调整不充分导致拦污栅附近流态较差，也是引起拦污栅损坏的原因之一。

3.3 拦污栅布置位置靠近机组

拦污栅位于检修门后使栅后进水段很短，栅体距机组很近。从拦污栅破坏部位看，靠机组最近部位即机组灯泡头高程处的拦污栅吊装单元破坏最严重，此处拦污栅条直接受贯流式机组流道中下泄水流的强大吸引力作用也是栅条损坏的原因之一。

4 拦污栅振动的处理建议

拦污栅是水电厂重要的辅助设备，对水电厂的安全运行和经济效益影响很大，特别是对于低水头贯流式机组的安全运行而言极其重要。

4.1 对拦污栅进行减振加固

从提高拦污栅整体刚度出发，将同横排各吊装单元的小横梁连接起来，两侧吊装单元的小横梁再与混凝土隔墩连接起来，可以使拦污栅在空气中的自振频率从12.32Hz提高到32.48Hz,其在水中的振动频率也将相应提高。加固后的拦污栅可以避开产生共振频率，从而达到减振目的。此方法最简单，成本最低，效果最好，王甫洲公司在2004年和2006年分别对1号和4号机组按此方法进行了改造。一年后的检修时统计裂纹拦污栅裂纹，发现裂纹大幅减少，脱落现象基本消失，效果非常明显。