丰宁抽水蓄能电站下水库进/出水口拦污栅启闭方式设计优化

余健 刘蕊 钱玉英 何敏

1 工程概况

丰宁抽水蓄能电站位于河北省丰宁满族自治县境内，工程规模为一等大（1）型，总装机容量3 600 MW，电站具有周调节性能，建成后在京津及冀北电网系统中承担调峰、调频、调相和事故备用任务。枢纽工程主要由上、下水库，一、二期工程输水系统和地下厂房系统等主要建筑物组成[1]。下水库进/出水口位于下水库的左岸，一、二期工程分开独立布置，距下水库拦河坝分别约2.5 km和2.2 km。下水库进/出水口采用岸边侧式，拦污栅清污采用提栅清污方式，本工程原设计方案采用永久门机方式提栅，门机布置在1 069 m高程拦污栅检修平台上。对于下水库泥沙淤积问题，在下水库库尾设置拦沙坝，将下水库分成蓄能专用库和拦沙库。滦河上游的污物被拦沙坝挡在拦沙库内，经分析，下水库进/出水口拦污栅处污物较少，拦污栅基本不需要提栅清污。本文研究拦污栅启闭方式及排架体型的设计优化，有利于节省工程投资和缩短建设工期。

2 门机提栅方案

2.1 拦污栅排架布置

下水库进/出水口采用岸边侧式，进/出水口沿抽水水流方向依次为防涡梁段、调整段、扩散段，全长为63.15 m，底板高程为1 026.0 m。每个进/出水口设3个分流墩，将进/出水口分成4孔。为防止污物进入机组，在防涡梁段与调整段之间设置拦污栅，拦污栅排架为混凝土框架结构，高31.5 m，排架上方布置拦污栅检修平台，平台高程为1 069 m，检修平台两侧各设置1座交通桥与2号公路连接，4座桥梁的桥跨布置均为单跨25 m简支预应力混凝土箱梁桥。下水库进/出水口原设计方案如图1所示。

2.2 拦污栅检修及清污方式

汛期下水库会存留一定的天然污物，为防止在抽水工况时污物进入流道，影响机组运行，在下水库进/出水口设1道拦污栅。每个下水库进/出水口由隔墩分成4孔，一、二期共6个下水库进/出水口，共24孔，每孔设1扇拦污栅，另配置2扇备用拦污栅，共设置26扇拦污栅。

由于抽水蓄能电站拦污栅受双向水流作用，拦污栅的设计除需满足强度和刚度要求外，还需满足抗振要求。拦污栅采用平面滑动楔紧方式支承，即将拦污栅槽设计成单边“V”形，通过滑块与“V”形槽的楔紧力将拦污栅紧固，这种紧固方式可以提高拦污栅整体的自振频率，最大限度地减小拦污栅产生振动的可能性[2]。根据运输要求，将拦污栅沿高度方向分为3个运输单元，节间采用连接板铰接，每扇拦污栅自重约25 t。其中备用拦污栅分为2节悬挂在2孔口上方检修平台处。拦污栅栅槽采用I型门槽，设有主轨、反轨、副轨、侧底坎等埋件。拦污栅清污采用提栅清污方式，在1 069.00 m检修平台上设置1台630 kN单向门式启闭机配合自动挂脱梁起吊拦污栅，单向门机总扬程为39 m，其中轨上扬程为9 m，拦污栅整体起吊分两节吊运。门机的操作方式为现地操作[3]。

3 拦污栅提栅方式设计优化

3.1 下水库污物来源分析

丰宁抽水蓄能电站下水库污物一般为混合物，主要发生在汛期和初期蓄水期，汛期漂浮物主要来自于陆地面被雨水冲刷后带入滦河中的杂物；初期蓄水期的漂浮物则主要是来源于蓄水期间被淹没的专用库两岸植被等。水库的污物主要可以分为两部分：一部分是浮在水面、可顺水流流向和风向飘动的漂浮物，主要包括地表植物茎叶、农作物秸秆、生活垃圾、工业废弃物、家畜尸体及水生植物等，这部分污物占污物总量的80%左右；另一部分是悬浮在水中，可随水流游弋的悬浮物，主要包括枯木、树根等。

3.2 拦污栅门机取消可行性研究

下水库进/出水口原设计方案在拦污栅平台设置门式启闭机，主要作用是可根据进/出水口处污物的聚集情况，随时通过起吊拦污栅对进/出水口前的污物进行清理，避免较大污物进入机组影响发电。拦污栅清污的频率根据运行期下水库和进/出水口前污物的数量，结合运行的要求分时分阶段进行清污[4]。其优点主要是不受水位限制，可随时进行提栅检修。根据国内已建抽水蓄能电站实际运行实例，目前已建的十三陵、天荒坪、西龙池、琅琊山、张河湾、蒲石河、宜兴、呼蓄等抽水蓄能电站的拦污栅大部分没有进行检修或1～2次提栅试运行，也就是说拦污栅实际检修频率很低。

若取消门机，从清污方面来说，需要采用其它方法对污物进行清理，可通过对下水库污物的监控。在汛期，分析下水库污物的来源，从源头进行清理措施，拦截一部分污物不进入下库。对于进入下水库的污物，要根据其分布情况，适时地进行清理，防止污物在拦污栅前聚集，进而影响机组的运行；在通过拦沙库溢洪道补水前，也需要对拦沙库的污物进行清理。上述污物清理，可通过人工或采用机器人清污的方式进行。从拦污栅检修和维护方面来说，需要根据调度和运行的需要，将库水位降低到某一高程，在检修平台拦污栅孔口上方采用临时起重设备（含架子及起吊设备）通过锁定在检修平台的拉杆，将拦污栅分节提出检修平台，并将拦污栅运送到检修平台右侧端部，再通过汽车起重机将拦污栅吊送至1 069 m平台进行检修维护。然后再将备用拦污栅通过上述过程放置于孔口内，防止抽水工况时污物进入流道。

综上，下库的污物是必然存在的，无论是否采用门机，为保证电站机组的正常运行，都需要对下库的污物进行清理，是方法问题，不存在技术问题。

4 临时提栅方案

4.1 拦污栅排架布置

丰宁抽水蓄能电站下水库进/出水口拦污栅提栅方式经设计优化取消永久门机后，为保障后期拦污栅具备检修条件，拦污栅孔口上方仍保留检修平台。根据丰宁抽水蓄能电站可行性研究阶段设计成果，电站上水库、下水库每周均放空1次，蓄满1次。电站下水库最低蓄水位为死水位1 042 m。下水库水损备用库容为120万m3，冰冻库容为243万m3，考虑水损备用库容与冰冻库容持续蓄在死水位以上，则下水库发电最低水位为1 043.99 m。电站建成投产后，上、下水库的水位状态与实际调度运用情况密切相关[5]。可研阶段应用电源优化程序对丰宁抽水蓄能电站设计水平年2025年在京津及冀北电网中进行了运行模拟，模拟时间为1年52周，每周168 h，共8 736个数据点，对模拟结果进行统计分析，丰宁抽水蓄能电站下水库的水位出现频次及发生概率详见表1。

表1 下水库的水位出现频次及发生概率统计表

结合下水库进/出水口布置，拦污栅两侧开挖边坡以1 047 m高程为界，以上为1∶0.5坡比，以下为直立边坡。综合表1中下水库各个水位在运行期中出现的频率，平台高程拟定为1 047 m，取消检修平台与2号公路之间的交通桥，后期检修时需采用临时措施将设备送到检修平台。同时利用现有开挖边坡，结合贴坡混凝土设置简易的步道，方便检修人员到达检修平台上进行检修工作。检修平台和简易步道上设置活动栏杆，保证工作人员的人身安全。

4.2 拦污栅吊装所用汽车起重机选型

一期工程下水库进/出水口拦污栅轴线方向在1 068.8 m平台上设计跨度为103.64 m，根据目前实测资料，现场开挖完成后实际跨度为121.42 m，左侧、右侧平台至1 047 m拦污栅检修平台的直立边墙距离分别为25.3 m和14.1 m。二期工程下水库进/出水口拦污栅轴线方向在1 068.8 m平台上设计跨度为114.54 m，根据目前实测资料，现场开挖完成后实际跨度为149.19 m，左侧、右侧平台至1 047 m拦污栅检修平台的直立边墙距离分别为35.3 m和32.0 m。下水库进/出水口拦污栅吊装可通过1 068.8 m平台至1 045 m拦污栅检修平台的直立边墙的距离较短的一边进行检修。

一期工程下水库进/出水口汽车起重机参数需满足起吊幅度超过14.1 m（右侧较短边），起吊最大质量约8 t。参考100 t汽车起重机资料，全配置作业情况下，臂长38.2 m，在起吊幅度为16 m时，起吊质量为9.4 t，基本能够满足一期工程下水库进/出水口拦污栅吊装要求；参考150 t汽车起重机资料，全配置作业情况下，臂长50.26 m，在起吊幅度为32 m时，起吊质量为8 t，则150 t汽车起重机能够满足下水库一期进/出水口拦污栅在左、右侧平台吊装要求。考虑必要的保证率，将拦污栅分节（拦污栅共分为3节，单节重约8 t）提出检修平台，建议采用150 t汽车起重机。

二期工程下水库进/出水口汽车起重机参数需满足起吊幅度超过32 m（右侧较短边），起吊最大质量约8 t。参考200 t汽车起重机资料，在配重55 t支腿全伸情况下，臂长52.71 m，在起吊幅度为38 m时，起吊质量为9 t；所以200 t汽车起重机能够满足下水库二期进/出水口拦污栅吊装要求。如采用150 t汽车起重机，则需在二期右侧平台向进/出水口方向浇筑直立牢固混凝土边墙约5 m。考虑到拦污栅提栅的频率较低，将拦污栅分节（拦污栅共分为3节，单节质量约8 t）提出检修平台，建议采用200 t汽车起重机。

4.3 拦污栅检修及清污方式

丰宁抽水蓄能电站下水库进/出水口拦污栅提栅方式经设计优化调整后取消门机，但拦污栅的布置型式保持不变，门槽顶高程由原来的1 069 m降低为1 047 m，在高程1 047 m处设置检修平台。考虑到1 047 m平台长期位于水下，不适合在检修平台处存放备用拦污栅，因此需要另设仓库存放备用拦污栅，而拦污栅的检修和维护均采用临时起吊设备操作。

根据污物来源分析可知，电站运行期可能会有少部分污物随水流直接聚集在进/出水口水下部分的拦污栅前，抽水工况时便会有极少部分污物挂在拦污栅栅条上。因此电站投运后应对水下运行的拦污栅污物情况进行定期观测，根据观测结果并综合考虑调度和运行需要，对拦污栅进行清污并检查[6]。清污前需要将库水位降至1 047 m以下，通过汽车起重机把所需设备运送到1 047 m检修平台，然后在检修平台搭建排架并安装临时起吊设备后，将拦污栅起吊分节进行清污，若发现拦污栅栅叶受损（变形、损坏、掉漆等）则需要将分节后的拦污栅运送至检修平台右侧端部，通过汽车起重机将拦污栅吊运至1 069 m平台进行检修维护。然后通过上述方式将备用拦污栅送至1 047 m检修平台并放置于孔口，防止抽水工况时污物进入流道。按此方式对24孔拦污栅逐次进行检修和维护。该方案拦污栅的检修时间可能比较长，但可最大程度减少由于拦污栅的检修对电站运行带来的影响。

5 工程投资分析

河北丰宁抽水蓄能电站下水库进/出水口拦污栅门机提栅方案布置包括拦污栅排架及平台、连接交通桥、金属结构（门机、轨道、拦污栅栅叶、栅槽及锁定梁）设备费和安装费等，临时提栅方案包括拦污栅排架及平台、金属结构（拦污栅栅叶、栅槽、拉杆及锁定梁）设备费和安装费。2种拦污栅提栅方案工程投资对比情况见表2。

表2 下水库进/出水口拦污栅工程2种提栅方式投资分析对比表 万元

由表2的投资对比情况可知，拦污栅检修由门机提栅方案调整为临时提栅方案，可以节省工程投资2 714.02万元，同时对现场施工工期是有利的。

6 结语

从丰宁抽水蓄能电站下水库专用蓄能库的污物来源分析，采取相应的隔离和清污措施，可保证下水库进/出水口处污物较少，拦污栅污物清理频次较低，拦污栅启闭方式经过设计优化取消门式启闭机起吊方案是可行的。拦污栅检修采用临时起吊方案，一期采用150 t汽车起重机，二期采用200 t汽车起重机，满足清污及检修条件；另外拦污栅排架从1 069 m降至1 047 m，取消工作桥的施工，节省投资2 714.02万元，大幅降低工程造价成本，提高了施工企业经济效益，同时加快了下水库进/出水口的施工进度，缩短了项目建设工期，其成果可为国内大型蓄能电站下水库进/出水口拦污栅启闭方式提供工程实例和技术经验。