X型流道双向泵站闸门操作运行及设计要点

邸南思，丁 聪

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434）

1 工程概况

界牌水利枢纽位于江苏省新孟河入长江的交汇处，是新孟河延伸拓浚工程重要的引、排水口门，斜向与大夹江交汇，河道中心线与江堤的夹角约为57.8°。主要建筑物由闸孔总净宽80 m节制闸（5孔）、300 m3/s双向泵站及Ⅵ级船闸（180.0 m×16.0 m×3.0 m）组成。主体建筑物（船闸外闸首、节制闸、泵站）在垂直水流方向按照一字型并列布置，总长度约240 m。节制闸中心线与新孟河河道中心线重合，节制闸布置在中间，船闸布置在西岸，泵站布置在东岸。

泵站总设计流量300 m3/s，装设9台3450ZLKQ 33.4-2.75型开敞式液压全调节立式轴流泵，单泵设计流量33.4 m3/s，叶轮直径3450 mm，转速100 r/min。主电机为立式同步电机，额定功率2000 kW，电压10 kV，转速100 r/min。水泵装置流道型式为X型双向流道，站身内、外河均设置快速工作闸门各2扇，共36扇。本文主要探讨X型流道双向泵站在泵组启、停机过程中配套闸门的操作运行情况以及闸门的设计要点。

2 泵站闸门布置及作用

泵站站身顺水流方向长37.5 m，X型流道内、外河侧的上、下层流道各设1道快速闸门断流，在水泵运行时，下层流道为进口流道，上层流道为出口流道，下层流道闸门与对侧上层流道闸门配套使用[1]。为安全考虑，在每孔泵组进水流道预留安全拦污栅栅槽1道，可兼做检修门槽，暂不配备拦污栅及检修闸门，后期在工程实际运行中根据使用情况配备。泵站金属结构布置见图1。

图1 X型流道双向泵站金属结构布置

泵站闸门的设置从保证泵组运行角度出发，主要作用有以下几个方面：①在泵组非运行期间，满足挡水要求；②在泵组检修期间，闸门挡水为水泵的检修维护创造条件；③在引水或排涝工况下，作为工作闸门配套调度，保证不同工况下泵组的正常运行；④在引水或排涝工况下，在水泵停机或事故断电后，上层闸门（出口流道闸门）作为事故闸门可快速关闭，截断水流保护泵组；若上层闸门闭门过程中发生故障未能快速动水关闭，下层闸门（进口流道闸门）作为备用能快速动水闭门截断水流保护机组。

3 主泵组运行及闸门配套调度

X型双层流道立式轴流泵水泵本身为单向运转，通过双层流道的四扇闸门启闭的切换实现泵站双向运行。X型流道的优点之一即是便于水泵启动，闸门的启门、闭门操作根据主泵组的运行要求进行调度，主要有引排水起泵工况、停泵工况。由于本泵站扬程相对变幅大、正反向设计扬程差异大，但流量要相同，定浆式水泵难以实现此要求，泵站配有叶片调节机构，因此泵组启停时叶片调节机构也需相应动作。通过叶片角度的调节，还可以改善水泵运行工况，提高水泵装置效率。

（1）工况1：引排水起泵。引排水起泵工况的程序是：开机前准备检查已完成，泵组叶片角度调至最大负角度，新孟河（大夹江）侧上、下层流道的快速工作闸门均开启至全开位置（先开启上层闸门），再启动水泵，实现内循环，待电机转速达到额定转速后，开启大夹江（新孟河）侧上层快速工作闸门，同时关闭新孟河（大夹江）侧上层快速工作闸门，实现引水（排水），最后根据实际情况将叶片角度调至需要角度。泵组开机闸门配套动作流程见图2。

图2 泵组开机闸门配套动作流程图

（2）工况2：停泵。停泵正常工作程序是：泵组叶片角度调到允许的最大正角度，关闭电机并同时在动水条件下关闭出水口上层流道闸门，然后关闭进水口下层流道闸门。泵组停机闸门配套动作流程见图3。

图3 泵组停机闸门配套动作流程图

泵组的启停是主机、闸门、电气设备联合调度的复杂过程，在这一过程中为避免运行故障，需实时监测和检查各设备的运行情况[1，2]。无论是引水还是排水工况，水泵均是在同侧闸门开启至上、下层水流平衡后启动，此种水泵启动方式，可以避免启动时电机超功率或水泵进入不稳定的马鞍形区域问题，但是在出水侧上层流道闸门和对侧上层流道闸门交替开和关过程中，应注意速度控制，避免在泵站两侧水位差过大时的倒流问题。在水泵停机过程中，则要注意快速闸门闭门速度，避免快速闸门对门槽底板产生过大撞击力。

4 闸门设计及启闭力计算

上、下层流道的闸门孔口尺寸（宽×高）均为9.5 m×4.4 m，下层流道底槛高程为-7.00 m，上层流道的底槛高程为-1.50 m。闸门均为潜孔直升门，门叶结构采用三主横梁，与两侧的边梁共同形成主受力框架。主横梁间设有水平次梁，两侧边梁之间设有纵隔板，所有梁系均采用等高连接型式，面板位于泵组侧。闸门采用悬臂轮支撑，每扇闸门4只，轮径Φ 1000 mm。闸门采用双吊点，吊点距为6.0 m，固定卷扬式启闭机操作。

闸门整体结构设计并无太多特殊点，与普通平板直升门无异，但由于上、下层流道闸门作用不同，水封形式的设置有所不同。下层闸门单向止水，顶、侧止水采用P型水封，底止水采用H型水封，均位于面板侧，共同形成“□”型止水结构。上层闸门双向止水，顶止水采用P型水封，侧止水采用P+L型组合止水，底止水采用H型水封，均位于面板侧。下层闸门在运行及挡水工况下，闸门外侧（远离泵组侧）水位始终高于泵组侧水位，所以下层闸门采用单向止水即可满足要求。上层闸门在挡水工况下，闸门外侧（远离泵组侧）水位高于泵组侧水位，闸门挡外侧水位；泵组运行时，进口流道下层闸门和出口流道上层闸门开启，此时进口流道侧上层闸门需下闸封堵，而此时闸门外侧（远离泵组侧）水位低于泵组侧水位，闸门挡泵组侧水位，防止水流回流，因此上层流道快速闸门需采用双向止水形式。

闸门的结构强度根据检修工况下外河大夹江侧下层闸门验算，外河水位6.02 m时泵组侧无水，而启闭力的计算则需根据闸门操作运行要求，选择极端工况进行计算。启门力、闭门力计算的制约工况不同，这也是在此类泵站闸门设计中应特别注意的要点。

上、下层流道的闸门重量均约为29 t，闭门力计算按泵组停机后最不利工况考虑，即外河大夹江侧为最高运行水位7.23 m、对应新孟河侧为最低运行水位4.30 m，按水封压缩4 mm、水封摩阻力系数取0.5计算，闸门能够在动水条件下实现自重闭门。在泵组启动前先开启上层流道闸门向流道内充水，下层闸门可视为静水启门，因此闸门启门力按上层闸门计算。上层流道闸门以新孟河侧最高排涝水位6.29 m、泵组内为上次引水的最低水位1.50 m为计算依据，启门力约为51.5 t。从工程统一性及经济性角度考虑，上、下层流道闸门的启闭机容量均选用2×320 kN。泵组的启、停机过程对闸门速度均有较高要求，因此启门速度与闭门速度也是启闭机的一项重要参数。本工程中启门速度为1.8 m/min，闭门速度为4.0 m/min，即启门时间约2.5 min，闭门时间约1.5 min，满足机组运行要求。

5 结语

X型流道双向泵站的发展已有多年历史，尤其在我国华东沿江地区，长江侧水位与内河水位相差不是很大、且交替频繁，此种具有排水、引水双向运转功能的泵站运用较多[3]。由于X型流道双向泵站配备闸门数量多，且闸门在不同工况下要分别作为检修闸门、工作闸门、事故闸门使用，闸门单独运行或联合调度，厘清闸门在不同工况下的操作方式，有利于把握住闸门设计中的重点关注问题，合理、优化的闸门结构设计及启闭机选择为闸门稳定运行提供保证，可有效避免泵组出现连续负扬程运行及“飞逸”现象。