一门一机布置型式在桐子林水电站进水口事故闸门中的应用

2018-11-06崔家仲

水电站设计 2018年3期

曹阳，崔家仲，贾刚

(1.雅砻江流域水电开发有限公司桐子林建设管理局，四川盐边 617000；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

1 工程概述

桐子林水电站位于四川省攀枝花市盐边县境内，距上游二滩水电站18 km，距雅砻江与金沙江汇口15 km，是雅砻江下游最末一个梯级电站。电站以发电任务为主，兼有下游综合用水要求，其水库具有日调节性能。电站由河床式发电厂房、溢流闸及挡水坝等建筑物组成，装设4台额定转速66.7 r/min、飞逸转速不超过195 r/min、额定功率为153.10 MW的轴流转桨式水轮机组。

桐子林水电站每台机组进水口通过中墩分为3个孔口，在进口处依次设有进水口备用栅(与清污抓斗导槽共槽)、工作栅、检修闸门和事故闸门。设有备用栅1扇，工作栅12扇，检修闸门3扇，事故闸门12扇。

2 轴流转桨式机组进水口事故闸门及启闭机的常用布置型式

由于轴流转桨式水轮机组应用水头低，其流道尺寸相对更大，在蜗壳进口设置进水阀或在活动导叶和固定导叶之间设置筒形阀技术上十分困难。因此，一般利用其他保护方式来防止机组飞逸。但如果发生接力器故障、导叶剪断销剪断数量较多、导叶卡阻、操作油管爆裂、人为误操作等情况时，事故油压装置也无法防止飞逸事故的发生。

当发生飞逸等事故，在轴流转桨式水轮机组的电站中，机组不能正常停机时，依靠更快地关闭进水口事故闸门来切断水流，防止事故扩大，是一个较为稳妥的方案。

由于大、中型轴流转桨式水轮机进水口尺寸大，常设有中墩，各孔均需设置事故闸门，因此每台机组对应的事故闸门数量较多。同时，由于轴流转桨式水轮机组调速系统设有过速保护装置，因此对进水口事故闸门一般没有快速闭门要求。加之多门一机布置可以节省设备数量，建设成本较低，因而更受青睐。国内大、中型轴流转桨式机组水电站大多采用多门一机布置。多门一机布置方案，即：由一台门机负责多扇事故闸门的启闭，当需要关闭(或开启)事故闸门时，需由专职驾驶人员将坝顶门机驶到相应事故门槽上方，将锁定在门槽中的事故门叶逐扇缓慢放下。

根据实际运行经验，门机每次放下一扇门叶大约需要30～45 min。以桐子林水电站为例，每台机组进水口均设有3扇事故闸门，加上门机吊钩上行时间，完成一台机组全部事故闸门关闭的时间大约为3 h。若发生事故时，门机驾驶人员不在生产现场，操作时间是不可估计的。

另外，采用多门一机型式，同一台机组进水口的多扇闸门动水关闭时，只能逐扇操作。由于中墩的体型关系，门槽下游侧的水流条件对后续闸门动水关闭的操作极为不利，曾有工程出现过最后一扇闸门不能完全关闭的情况。

因此，机组进水口事故闸门采用多门一机的布置型式，对机组事故状态下的安全保护是存在一定不足的。

3 一门一机布置型式在轴流转桨式机组进水口事故闸门中的应用

3.1 轴流转桨式机组进水口事故闸门一门一机布置型式

轴流转桨式机组进水口事故闸门的布置型式除前述的多门一机布置方案外，还可采用一门一机布置方案，一门一机布置方案的启闭机可选择固定卷扬式启闭机或液压启闭机。

受制于国家的经济实力和液压启闭机的设计制造加工水平，以往大、中型轴流转桨式水轮机组电站尚无采用液压启闭机操作进水口事故闸门的先例。铜街子、深溪沟和天桥水电站等少数采用一门一机布置方案的电站，操作闸门的启闭机均采用的是固定卷扬式启闭机，即传统的一门一机布置方案。

传统的一门一机布置方案是在每孔事故闸门正上方设置一台固定式卷扬式启闭机。平时，事故闸门悬挂于门槽中上部，当发生事故需要关闭事故闸门时，除了由关机程序与事故闸门联动外，还可由运行人员在中控室内直接操作启闭机，关闭事故闸门，达到同时落门的运行要求，每台机组进水口的多扇事故闸门的关闭过程几乎是完全同步的。

根据以往工程经验，结合启闭机正常的启闭速度验算可知，机组事故状态下，每台机组的多扇闸门同时动水闭门的时间约为10～20 min。

3.2 轴流转桨式机组进水口事故闸门一门一机液压启闭机布置型式

采用液压启闭机操作进水口事故闸门时，闸门的布置方案与采用固定卷扬式启闭机时基本相同，仅启闭机由固定卷扬式启闭机改为液压启闭机。

每孔机组进水口均需设置闸门，每扇闸门需配备一台液压启闭机。每台机组进口的多套启闭机为一组，共用一套控制系统，控制方式为现地和远程控制(电站集控室)相结合。当机组发生事故时，可同时动水操作对应的多扇闸门，达到同时落门的运行要求。

液压启闭机为垂直单作用式。闭门工况利用闸门及水柱重量，通过直流电源打开回油管路阀组，有杆腔回油口设置截流孔板建立持住力，设置缓冲套控制闭门瞬间门叶接近底槛的速度，无杆腔采用差动及顶部补油箱的形式补油；启门工况利用泵站启动产生的有杆腔油压提升闸门。根据以往工程经验，机组事故状态下，每台机组的多扇闸门同时动水闭门的时间可保证在10 min以内。

当闸门需要检修时，先将闸门锁定，再利用双向门机先后拆除液压启闭机与闸门的连接、液压启闭机缸体总成和机架，然后将闸门吊至坝面上进行检修。由于液压启闭机自重较小，连接结构简单，拆卸方便，闸门检修较固定卷扬式启闭机方案更加便利，检修时长较短，大大提高了机组的年利用小时数。

3.3 一门一机液压启闭机布置型式对电站安全运行的重要意义

采用多门一机方案，动水闭门动作时，启闭机的操作方式为现地操作，且操作闸门时间长。以桐子林水电站为例，完成一台机组全部事故闸门关闭所需时间，门机方案约为3 h。

而采用一门一机方案，当发生事故需要关闭事故闸门时，除了由关机程序与事故闸门联动外，还可由运行人员在中控室内直接操作启闭机，进行关闭事故闸门的操作，运行操作方便可靠。一门一机方案每台机组进水口的多扇闸门的关闭过程几乎是完全同步的，完成一台机组全部闸门的关闭时间，传统的固定卷扬式启闭机方案大约为10～20 min，液压启闭机方案为10 min以内。

2009年，俄罗斯萨扬-舒申斯克水电站发生重大安全事故。进水口快速闸门未能及时关闭截断水流，是导致事故进一步扩大、损失惨重的重要原因。

因此，轴流转桨式机组进水口事故闸门采用一门一机液压启闭机布置型式，闸门动水关闭闸门时间更短，机组事故状态下的安全保护级别高，对保证机组长期安全稳定运行，消除潜在的安全事故隐患具有重要意义。

4 一门一机液压启闭机布置型式在桐子林水电站中的应用

4.1 桐子林水电站进水口事故闸门及启闭机的布置型式

基于电站长期安全稳定运行考虑，桐子林水电站进水口事故闸门采用了一门一机液压启闭机的布置型式。

根据一门一机布置要求，桐子林水电站12个进水口共设置事故闸门12扇，液压启闭机12台。闸门门型为潜孔平面滑动式，下游止水，滑道支承，孔口尺寸为7.48 m×16.881 m-38.8 m(宽×高-设计水头)。闸门可动水闭门，此时每个机组进口三扇闸门同时闭门时间不大于10 min(不含充水阀关闭时间)。启门时，先通过门顶充水阀充水，待平压后再起吊整扇闸门。平时闸门与启闭机吊耳相连停放于上游孔口上方0.5 m处。

液压启闭机容量为3 200 kN(启门力)/4 000 kN(持住力)，工作行程19.76 m，最大行程19.96 m，油缸(含补油箱)伸出坝顶20.557 m。共设4套液压泵站，1套泵站控制1台机组的3台液压启闭机。每套泵站设2台油泵电动机组，互相备用。液压启闭机可现地操作，也可在电站中控室集中控制。

液压启闭机实施事故闸门闭门动作，必须具备以下条件：直流控制电源可靠；机组发生事故，导叶不能关闭；机组过速，转速达到三级过速保护值(即纯机械过速保护装置动作的转速值)。纯机械过速保护装置动作时，发出动作信号给电站监控系统，可在中控室进行远方控制落门，或者直接将纯机械过速保护装置动作信号发给闸门启闭机控制柜，自动进行落门。

当闸门需要检修时，先将闸门锁定在1 011.86 m平台，利用双向门机先后拆除液压启闭机与闸门的连接、液压启闭机缸体和机架，然后将闸门吊至坝面上进行检修。

桐子林水电站进水口事故闸门及启闭机布置详见图1。

4.2 超长行程液压启闭机整体布置的主要技术措施

以往在采用垂直单作用式液压启闭机的类似工程中，液压启闭机行程不大，油缸伸出坝面长度较小。

桐子林水电站进水口液压启闭机最大行程19.96 m，对于垂直布置的液压启闭机而言，该工作行程为世界之最。由于轴流转桨式机组水头低、坝高低，当闸门正常停放于门槽内待命时，闸门吊耳距坝顶距离较小，而液压启闭机工作行程又超长，故液压缸缸体伸出坝面长可达20.557 m。因此，设备整体布置难度很大。

桐子林水电站液压启闭机油缸通过机架与锚板连接，锚板采用一期混凝土预埋，此种安装方式确保了液压启闭机荷载可靠作用于坝体上。现场安装时，通过在机架和锚板之间加设垫片等措施，精确调整油缸的安装状态，从最终实施效果看，液压启闭机活塞杆垂直度安装指标优于安装规范的要求。

为适应超长行程液压启闭机制造安装误差，及长期水下运行工况要求，油缸的安装形式为下端盖处法兰与机架螺钉联接，活塞杆吊头采用自润滑关节轴承与闸门联接。

液压启闭机油缸顶部设有开度仪和补油箱，为满足其检修要求，以往工程中常采用沿油缸设检修爬梯，对桐子林水电站液压启闭机而言，如设置爬梯，则其高度达22 m。考虑到爬梯的安全性、可靠性及坝面景观等因素，检修梯方案最终采用在油缸顶部设置带安全围栏的检修平台，同时在进水口双向门机下游支腿的跨内侧设置上人梯和进入检修平台的通道。