帕图卡Ⅲ水电站尾水冷却器检修闸门的设计与研究

雷小平，张文科，劳海军，韩 俊，廖永峰

(中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550081)

1 概 述

帕图卡Ⅲ(Patuca Ⅲ)水电站的技术供水系统采用循环供水的方式，主要供给发电机空冷器、各部导轴承冷却器等用水。每台机尾水设2台循环冷却器，安装高程237.00 m，下游侧最低尾水位246.17 m。运行期间，冷却器始终处于尾水水流中。冷却器的检修方式为尾水闸门关闭挡水后，潜水员水下操作检修和拆除。因冷却器与预埋基础件及供水管路均采用法兰螺栓连接，水下操作难度大、时间长、对操作人员要求高；同时存在不确定危险因素。为保证工程运行安全、降低操作难度，确保工程施工和竣工验收的顺利进行，水电站尾水增加1扇冷却器检修闸门，供4台冷却器检修时使用。

2 现场条件及分析

冷却器检修闸门设计时的制约因素有很多，现场已完成的土建结构和金属结构的安装情况为主要的制约因素，同时还需考虑闸门吊装方案。现场条件为：271.00 m尾水平台早已形成，并具备交通条件；厂房结构与其墙面已形成；尾水台车排架已浇筑完成，台车已安装完成；4台冷却器已安装；尾水闸门埋件已全部安装，埋件的二期混凝土浇筑至235.00 m高程；施工单位前期根据需要，已提前安装冷却器检修闸门的水封支承埋件(见图1、图2)。

根据现场条件可以确定，发电尾水位和尾水台车排架柱圈梁高度决定了闸门的设计高度；已安装的水封支承角钢埋件是闸门止水设计的基础条件。为降低施工难度，减小工程量，加快整体工程进度，经过分析确定：冷却器检修闸门共用尾水闸门门槽和尾水台车，以尾水闸门检修平台256.10 m作为冷却器检修闸门的安装平台。

当冷却器需要检修时，先将对应机组停机、尾水闸门关闭，通过尾水台车将冷却器检修闸门吊入门槽并悬挂在指定高度，实现冷却器检修闸门后的水域密封；通过尾水泵将冷却器所在空间的水体排干，确保冷却器在无水环境下的操作。冷却器检修完成后，先采用排水泵对检修闸门后的空间充水，待平压后(前后水压差≤2 m)，操作尾水台车将冷却器检修闸门提至安装平台；拆分移除后，将尾水闸门提出孔口锁定。自此完成了1台冷却器的检修，其他冷却器的检修方式相同。

3 闸门设计

根据该闸门使用功能和现场条件，需从闸门高度、支承型式、止水方式、起吊方式等方面综合考虑闸门的设计方案。

图1 尾水全貌及局部示意

图2 冷却器检修闸门水封支承角钢布置

3.1 闸门高度

冷却器检修期间对应机组应停机，检修闸门高度只需超过1台机发电尾水位(246.81 m)即可。结合4孔已安装的水封支承埋件的位置(见图2)，确定了闸门的总高度为10.18 m(不含吊耳高度)。闸门平时存放在仓库中，冷却器需要检修时，将闸门运输至指定位置。闸门需通过排架柱圈梁底部进入后入槽，圈梁的底面距271.00 m尾水平台高度为2.5 m，闸门必须分节才能实现顺利入槽。从闸门运输设备高度和现场浇筑误差等方面考虑，闸门共分6节制造，上节闸门高度1.94 m；中节闸门高度1.94 m，共4节；底节闸门高度1.89 m，节间通过连接板和销轴连接，组装后闸门总高度为10.18 m。

3.2 支承型式

冷却器检修闸门共用尾水闸门门槽，闸门的支承型式和尺寸须与尾水闸门一致；故该闸门采用平面滑动门型，每节门叶机组侧设置4块复合材料滑块，尾水侧设置4块铰式反向支承滑块和4个φ150简支式侧轮。

3.3 止水方式

冷却器检修闸门工作时吊挂在尾水闸门上方，无底槛支承。为保证底部封水，底节门采用U型水封框封水，底节、中节和上节门之间采用节间止水方式；底、侧水封采用P60A 水封，节间止水采用I130-20水封条，止水设置在机组侧。闸门止水中心与已安装埋件中心重合，侧止水中心距6.2 m，底止水中心高程237.102 m，可满足4孔不同尾水门槽的封水要求。支承埋件表面贴4 m不锈钢板。

3.4 起吊方式

冷却器检修闸门采用尾水单向台车起吊，双吊点。闸门的起吊中心与尾水闸门起吊中心相同，闸门吊耳与尾水台车抓梁吊耳轴配合。闸门设计时，在保证闸门各构件受力满足规范要求的前提下，优化门体各构件尺寸和布置，以减小闸门重心与台车起吊中心的间距，使尾水台车和检修闸门运行流畅。

4 闸门组装与拆分

4.1 组装步骤

闸门分6节制造，节间采用连接板和销轴连接为整体，尾水台车起吊。根据排架结构和闸门的高度，在256.10 m尾水闸门检修平台对检修闸门逐节进行组装。为便于闸门组装和拆卸，每节门门体中部均设置了锁定牛腿，底部均设置了底部锁定板。以1台冷却器检修为例，闸门组装步骤为：

(1) 冷却器对应机组停机，尾水闸门关闭挡水。

(2) 底节门从对应排架柱上游侧进入271.00 m尾水平台后，采用尾水台车将闸门吊至256.10 m平台，利用腰部牛腿将闸门锁定。

(3) 中节门从排架柱上游侧进入271.00 m尾水平台后，操作台车将中节门放置在底节门上部，调整定位后，利用连接板和销轴将底、中节门连接为整体。

(4) 操作台车，将连接后的闸门下放至中节门腰部牛腿锁定。

(5) 重复步骤(3)、(4)，组装剩余的2节中节门和顶节门，直至将6节闸门连接为整体。

(6) 操作台车下放闸门，直至闸门底水封与底水封不锈钢板中心重合，实现闸门封水(见图3)。

4.2 闸门拆分

1台冷却器检修完成之后，其他冷却器进行检修时，因上、下游排架柱之间的纵向连接梁阻碍了启闭机运行线路，256.10 m高程检修平台不连通阻碍了闸门吊运；因此只能在256.10 m检修平台将闸门逐节进行拆分。先拆顶节门，依次为中、底节门，操作台车将每节闸门吊至271.00 m尾水平台，利用运输工具将闸门运送至指定位置，重复闸门的组装步骤后，实现对其他冷却器的检修。

5 闸门计算

冷却器检修闸门门体共6节，节间采用连接板和销轴连接，每节设置2根主梁，面板、止水均设在机组侧。闸门为平面露顶式滑动门型，采用2×400 kN单向台车操作，操作方式为静水闭门，水泵抽水充水平压后静水启门，启门压差≤2 m。闸门主材采用Q345B，布置和设计时，严格按照相关规范执行。

闸门挡水水头9.71 m，主支承中心跨度6.5 m，侧止水中心跨度6.2 m，止水高度10.135 m。采用容许应力法对主要受力构件、零部件的进行应力了计算，同时计算了闸门的启门力(见表1)。

图3 冷却器检修闸门安装及挡水状态布置

表1 冷却器检修闸门计算成果

6 结 论

(1)通过对现场条件的分析和研究，得出了Patuca Ⅲ水电站冷却器检修闸门设计和使用时的制约因素和基础条件。考虑闸门的高度、止水方式、支承型式、起吊方式、组装及拆分方式等多方面因素，确定了闸门的设计方案及组装拆分方案，设计出了满足使用功能的冷却器检修闸门。

(2)冷却器检修闸门的设计受现场条件限制较多，建议在相似类型工程的前期设计中，充分考虑冷却器的检修方案。如需采用冷却器检修闸门：一是要充分考虑闸门的组装、拆分、吊运方式。二是土建结构和金属结构设计应紧密配合，优化设计。三是要以运行安全可靠、设计合理为思想，设计出满足规范要求的产品。