水电站泄水口阀门的设计与安装经验

［德国］ M.尼格尔

德国阀门制造商VAG阀门股份有限公司的历史可追溯到1872年，它不仅在德国国内，也在世界范围内的大坝和水力领域享有盛誉。在过去140多年的时间里，公司一直为城市供水、污水处理、工业市场、大坝与水电等项目提供阀/闸门，公司注重创新的解决方案，业已成为阀门市场的先锋企业之一，其产品应用于泄水底孔、压力水管、进口安全阀、水轮机旁路消能阀门等，并成为全球品牌。

除了高度专门化的阀门(比如用于消能或者水下泄水口的柱塞阀)以外，该公司还为所有大坝工程配备了全部种类的阀门和闸门，这些阀门中的一部分为其联合公司，即美国的R.亨特公司以及加拿大的方坦公司所生产，这让VAG集团成为了阀门、闸门的一站式供应商。这些阀门包括不锈钢滑动闸门、辊式闸门、何本阀和紧急关闭阀门。

该公司在20多年前首次直接进入亚洲市场，如今在中国和印度都设有工厂。其产品供应可溯至20世纪50～60年代早期，那时供应安装的一些产品如今仍在运行。通过在中国、印度、马来西亚、印度尼西亚和其他亚洲国家的在建项目，VAG作为一个阀门供货厂家已经在亚洲市场获得了较高的声誉。

1 爪哇岛溶洞水电站

具有挑战性的项目之一是，VAG参与建设的印尼的一个独特试点工程，该工程位于印尼爪哇岛上，是世界第一个溶洞水电站工程。

日惹特区之所以是爪哇岛和印尼最贫困的地区之一，主要是因为其极度缺水。多岩的卡斯特地貌上的土壤和持续数月的干旱季节使当地收成惨淡，缺乏饮水。20世纪80年代，在高原下100 m发现了一个有地下河流的溶洞系统，但缺乏一种可持续开发这一资源的方法。

德印两国于2000年为此展开合作，共同管理瓜布里宾(Guabribin)溶洞里的试点工程。

即使是在干旱季节，瓜布里宾溶洞也会有超过1000 L/s的水流过，很适合建造大坝。该计划是为了控制来自洞穴系统被拦截的水并将其收集到一地下水库，使这些水可以用来发电和供水。工程将用到一个控制水流的VAG RIKO柱塞阀和一个隔离水流的VAG EKN蝴蝶阀。

然而，在100 m深的地穴里修建大坝和安装设备并非易事，有许多困难需要克服。必须对溶洞系统进行研究和测量，并须小心地保护本土动物。而在周密的计划之后，项目的实施仍然花费了数年。2004年12月，工程队用立式钻机钻通了一条100 m长的交通隧道，地下大坝的建造工作得以展开。施工期间，项目的进度数次因诸如2006年的灾难性地震、洪水和岩石崩落这样的事件而延后。在经过几次挫折之后，项目的土建工程终于在2008年7月份完工，阀门安装的位置此时也已准备就绪。

当阀门运抵安装现场时，紧张的氛围愈加浓烈。将阀门运进洞穴本身就是一项挑战。沉重的柱塞阀必须通过供给通道送入地下。在机械和起重机只能发挥有限作用的条件下，一旦阀门到达预定位置，就将被安装在其基座上。这些阀门的安装由洞穴内水轮发电机提供电力的电子驱动装置完成。加装的通气系统保证阀门在任何工况下的运转不会产生空化和震动的现象。

在现场工程完工后，2008年6月底，成功地进行了一次洪水工况测试，以证明溶洞和大坝可以承受洪水压力。现在，水带动水轮机组，而这些水轮机由驱动器联接到供水水泵上，水泵再将一部分水泵至200 m高的供水水库中。该项目成功运行后，项目组于2009年将其移交当地政府。这是一个试点工程，计划中有更多的站址将被开发。

2 苏门答腊岛阿萨汉坝

阿萨汉(Asahan)坝建于印尼苏门谷腊岛北部亚沙汗河上。

该项目对于大坝的泄水底孔有一个要求:在170 m净水头下，其自由出流泄水阀门要有高达68 m3/s的泄流能力。除了复杂的液压和电力控制系统外，几乎没有任何制造商可以用单个阀门来满足这一技术要求。唯有拥有数百次安装经验的VAG能用单阀门处理如此巨大的流量。相比而言，其他双阀门方案会显著提高阀门成本，土建成本和安装、运行成本。

与消能及阀门内部部件上的磨损，特别是噪音和振动有关的问题往往是设计这种泄水底孔的关键。当高速度的水流过阀座时，振动往往伴随着阀门内部及出口处产生的气穴而来。该项目中阀门出口处水流流速预计高达60 m/s，这一流速远高于同类阀门的应用规范，如此高流速下的水流通过断流阀套筒边缘时会立即蒸发并在液流中形成蒸汽气泡。气泡随着液流移动，其中一部分会在水流中或者在阀门的内壁上破裂，是噪音和震动形成的主要原因。这些气泡会空蚀阀门表面材料并损害结构，应尽可能被消除。因此，该项目采用了一种经过优化的设计并安装了一个通气装置，这种装置允许空气在流出射流引导罩前进入水流并消除部分能引起气蚀的蒸汽气泡。

另一个适用于泄流底孔和消能措施(如用于水轮机旁路)的阀门，是VAG的RIKO柱塞阀，它可引导水流朝向阀门的中心。基于水力条件，设计了一种合适的消能结构以消耗足够能量并阻止气泡形成，有了这些防气蚀结构，水会被引导通过一多孔的圆柱而被分成数百道较小的射流。这些射流在阀门的中心汇合，在阀门内形成了一个难以产生水蒸汽气泡的水力高压区。VAG公司执行了众多任务，相对消能室中仅仅数米水柱的反压，压力降落高达430 m水柱但没有产生空化。这就可采用更小的消能室且有可能减小噪音和振动等级，特别是在水下出流的情况下。

对于阿萨汉坝的泄流底孔，其流量大且直接泄放到大气中，KSS空心射流阀便成了唯一选择。2009年8月，这种巨大的阀门运抵勿拉湾。因为勿拉湾和阿萨汉之间既无铁路也无高速公路，动用了足有一个车库尺寸的巨大板条包装箱来运送，货物运送到现场耗时50多个小时。

当时来自中国和德国的3位VAG服务工程师早已待命监督安装工作和将这个巨大的阀门与它的驱动控制系统连接起来。因工作人员有多年的现场安装经验，笨重的阀门得以快速而熟练地安装到位。安装好的阀门经过成功的试运转，不久之后便投入了全面运行。

多年来VAG在亚洲地区的大坝和水电行业中完成了诸多具有挑战性的项目，这些只是其中的两个例子。