闸门异常下滑监测装置结构改造研究

李 兵

（安徽绩溪抽水蓄能有限公司，安徽 宣城245300）

0 引言

抽水蓄能电站尾水水位较高，机组安装高程很低，下水库水位变幅往往较大，尾水隧洞一般也较长，因此每台机组下游处一般各设置1 扇尾水事故闸门。该闸门的设置为满足事故情况下可动水闭门，保障水轮发电机组的安全。事故闸门在正常运行过程中一般处于开启状态，为防止闸门异常下滑，会在闸门处设置异常下滑吊轴监测装置。闸门异常下滑吊轴监测装置一般由电气部分和机械部分组成，电气部分由限位开关及其相应电缆组成，机械部分由配重块、连杆、支架等几部分组成。

某在运抽水蓄能电站在机组运行过程中出现了零部件脱落的缺陷，事故对该电站造成一定影响。为研究该事故发生的原因并为防止类似事故发生，研究了一种新的配重块设置方式。本文对吊轴监测装置配重块结构改造设计及应用研究进行了分析介绍。

1 闸门吊轴监测装置传统设计

为保障水轮发电机组安全，尾闸及启闭机会设置异常坠落保护，一般会设置限位开关，全开、全开限位开关各1 只，除此之外还将设置异常下滑位置开关，以保证到闸门异常下滑时将信号传至PLC，实现闸门自动回升的功能。一般设计为：当闸门在全开位因意外滑落至280 mm 或340 mm 时，上下2 个行程开关动作且远方控制室及现地控制柜均发出声光报警信号，并将信号引至计算机监控系统，机组及球阀紧急关闭。

因抽水蓄能电站机组安装高程均安装较低，尾闸门槽结构多采用封闭式结构（由腰箱、顶板、侧板、顶盖等组成封闭体）。封闭式门槽结构示意图如下页图1 所示。

如图1所示，闸门门槽由顶盖（3项）、侧槽板（5～6项等）、底板（15～17 项）、侧板（13～19 项）、腰箱（9～10项等）、顶板（11～21 项等）以及顶盖等部分组成，各部分组合成一个封闭空间。

为监测该结构型式的闸门是否出现异常下滑，一般采用将位置开关固定于闸门顶盖上，并设置1个连杆随闸门上下移动来监测闸门上升或下降情况；为保证连杆可靠随闸门上下，需克服水压上浮力等，一般利用配重块来实现对该连杆的下压力。吊轴监测装置设置如图2 所示。

8 项为支架，通过螺栓9、底板11 与闸门把合在一起，当闸门起升或下降时，8 项随着上升或下降。当闸门提出孔口并达到一定高程后，8 项与21项（杆）接触并推动项21 向上起升。当闸门在全开位置异常下落时，21 项在自身重力及配重块重力作用下向下运动，连杆随闸门一起向下，向下运动过程中接触位置开关，位置开关动作并将信号传至监控系统，进而实现发出声光报警、实现事故落球阀等功能。

图1 闸门门槽结构示意图

图2 吊轴监测装置

2 采用传统设计遇到的问题及对策分析

2.1 遇到的问题

某在运抽水蓄能电站采用上述传统的吊轴监测装置结构后，在水电站正常运行过程中出现配重块零部件脱落问题。零部件掉落入尾闸门槽，事故对该电站造成一定影响。通过图2 可以看出，配重块同连杆之间仅通过螺栓限位。在日常运行过程中螺栓长期受力出现疲劳或螺栓生锈等原因均有可能导致配重块及螺栓脱落。

配重块脱落后将极有可能落入尾闸门槽，抽水蓄能电站均为双向水流（发电时水流自上库流向下库、抽水时水流自下库流向上库），在抽水工况时即有可能将配重块或螺栓带入机组流道内部，进而损坏转轮等过流部件。转轮、活动导叶等过流部件均造价较高，且检修极为复杂，一旦出现损坏将不得不启动较大的检修，对水电站正常运行造成极大影响。

2.2 对策分析

要避免此类现象发生，最简便快捷的方法是将配重块位置上移，采用将配重块设置于吊轴监测装置轴头部的方案。将配重块设置于监测装置上部，配重块相对监测杆对称布置，其余位置开关位置等不变，具体如图3 所示。

3 改进方案及应用

某新的抽水蓄能电站闸门启闭机相关参数如下：

图3 配重块设置于轴头部位示意图

闸门型式：平面滑动钢闸门

闸门设计水头：190 m

闸门操作条件：动水闭、静水启

启闭机型式：液压启闭机

启闭机容量（持住力/启门力）：4 500 kN/1 000 kN

为避免上述类似事故的发生，该新的抽水蓄能电站决定对吊轴监测装置结构形式进行变更设计。

3.1 改进措施

采用图3 所示需两套配重块左右对称布置，该结构对两套配重对称性要求极高、否则可能出现监测杆受力不均、弯曲等现象；同时两套配重对称布置要求支撑梁宽度较大，这就要求闸门的顶盖上有足够空间来设置该支撑梁。

经综合分析，决定仍然采用将配重块连于监测轴上的方案，相对图2 的不同之处在于将配重块位置上移，配置块设置于闸门顶盖上方、监测轴头部。

如图4 所示，改进的方案将配重块设置与闸门顶盖上部，配重块与顶盖之间通过导向杆隔开。这样一来就通过导向杆、闸门顶盖机顶盖上方的缓冲垫等将配重块与输水流道隔离开来，彻底避免了配重块掉入流道中的风险。

3.2 复核计算

后续为进一步验证该方案的可行性，对所配置的配重块及压杆进行了进一步的复核计算，复核情况如下：

图4 改进版吊轴监测装置

3.2.1 基本参数

底部峰值水压P=2 MPa

配重块重量M=518 kg

监测杆直径d=50 mm

工作行程H=400 mm

监测杆压杆长度L=1000 mm

3.2.2 配重重量校核

水压上浮力：

配重块重力：

密封件摩阻力估值：

配重量符合要求。

3.2.3 监测轴压杆稳定要求

按照中部支撑的欧拉公式进行压杆临界载荷计算：

压杆稳定性满足要求。

3.3 应用情况

该结构改造后在实际应用过程中结构稳定，运行过程平稳、无卡阻。该结构自投运以来，能够实现设计的功能，应用情况良好。

4 结束语

吊轴监测装置为防止闸门异常下滑以及下滑监控的关键装置，要求其运行必须可靠、安全。本文通过对吊轴监测装置配重块位置进行变更，研究了一种新的配重块设置方式并进行了实际应用，可靠避免了配重块异常落入尾闸门槽进而进入流道的风险。该结构形式经过实际运行验证，能够很好实现最初设想，满足设计要求。